Elektrokoagulering - Electrocoagulation

Elektrokoagulasjon (EC) er en teknikk som brukes til behandling av avløpsvann, behandling av vaskevann, industrielt bearbeidet vann og medisinsk behandling. Elektrokoagulering har blitt et raskt voksende område for behandling av avløpsvann på grunn av dets evne til å fjerne forurensninger som generelt er vanskeligere å fjerne ved filtrerings- eller kjemiske behandlingssystemer , slik som emulgert olje, totale petroleumhydrokarboner , ildfaste organiske stoffer, suspenderte faste stoffer og tungmetaller . Det er mange merker av elektrokoagulasjonsenheter tilgjengelig, og de kan variere i kompleksitet fra en enkel anode og katode til mye mer komplekse enheter med kontroll over elektrodepotensialer, passivering, anodeforbruk, celle REDOX-potensialer samt innføring av ultralydlyd, ultrafiolett lys og en rekke gasser og reaktanter for å oppnå såkalte Advanced Oxidation Processes for ildfaste eller motstridende organiske stoffer.

Medisinsk behandling

Elektrokoagulering
MeSH D004564

En fin wire sonde eller annen leveringsmekanisme brukes til å overføre radiobølger til vev i nærheten av sonden. Molekyler i vevet bringes til å vibrere, noe som fører til en rask temperaturøkning, forårsaker koagulering av proteinene i vevet og effektivt dreper vevet. Ved applikasjoner med høyere effekt er full uttørking av vev mulig.

Vannbehandling

Med den nyeste teknologien, reduksjon av strømbehov og miniatyrisering av de nødvendige strømforsyningene har EC-systemer nå blitt rimelige for vannbehandlingsanlegg og industrielle prosesser over hele verden.

Bakgrunn

Elektrokoagulasjon ("elektro", som betyr å påføre vann en elektrisk ladning, og "koagulasjon", som betyr prosessen med å endre partikkeloverflateladningen, slik at suspendert materiale kan danne en tettbebyggelse) er en avansert og økonomisk vannbehandlingsteknologi. Den fjerner effektivt suspenderte faste stoffer til nivåer under mikrometer, bryter emulsjoner som olje og fett eller latex, og oksyderer og utrydder tungmetaller fra vann uten bruk av filtre eller tilsetning av separasjonskjemikalier

Det er kjent et bredt spekter av avløpsrensebehandlingsteknikker, som inkluderer biologiske prosesser for nitrifisering , denitrifisering og fjerning av fosfor , samt en rekke fysisk-kjemiske prosesser som krever kjemisk tilsetning. De ofte brukte fysisk-kjemiske behandlingsprosessene er filtrering , stripping av luft , ionebytte , kjemisk utfelling , kjemisk oksidasjon , karbonadsorpsjon , ultrafiltrering (UF), omvendt osmose (RO), elektrodialyse , fordampning og gassstripping.

fordeler

  • Mekanisk filtrering adresserer bare to problemer i vaskevann: vaskeoppløsninger større enn 30 µm, og fri olje og fett. Emulgert olje og fett forårsaker skade på mediefiltrene, noe som medfører høye vedlikeholdskostnader. Elektrokoagulering adresserer alle størrelser av suspenderte faste stoffer (inkludert destruktive partikler> 30 µm og tungmetaller som kan forårsake slitasje på høytrykksvasker og utgjøre en miljø- og ansattfare).
  • Kjemisk behandling adresserer suspenderte faste stoffer, olje og fett og noen tungmetaller, men kan kreve opptil tre polymerer og flere pH-justeringer for riktig behandling. Denne teknologien krever tilsetning av kjemikalier som resulterer i kostbar, rotete og arbeidskrevende behandling. Denne prosessen krever også tilsetning av komprimert luft for flotasjon av koagulerte forurensninger. Generelt er det også nødvendig med filtrering som en etterbehandlingsfase for polering. Elektrokoagulering krever ingen filtre, ikke noe daglig vedlikehold og ingen tilsetningsstoffer og fjerner alle størrelser av suspenderte faste stoffer, olje, fett og tungmetaller.

Teknologi

Behandling av avløpsvann og vaskevann fra EC har vært praktisert i det meste av 1900-tallet med økende popularitet. I løpet av det siste tiåret har denne teknologien i økende grad blitt brukt i USA, Sør-Amerika og Europa for behandling av industrielt avløpsvann som inneholder metaller. Det er også blitt bemerket at i Nord-Amerika har EC primært blitt brukt til å rense avløpsvann fra masse- og papirindustri , gruvedrift og metallindustri . En stor applikasjon for kjøletårn på tusen liter per minutt i El Paso, Texas, illustrerer elektrokoagulasjoner som øker anerkjennelsen og aksepten til industrisamfunnet. I tillegg er EF blitt anvendt for å behandle vann som inneholder matvaren avfall, oljeavfallsstoffer, fargestoffer, utdata fra offentlig transport og marinaer, vaskevann, blekk, suspenderte partikler , kjemisk og mekanisk polering avfall, organisk materiale fra fyll utvaskinger , defluorering av vann, avløp av syntetisk vaskemiddel og løsninger som inneholder tungmetaller.

Koagulasjonsprosess

Koagulering er en av de viktigste fysio-kjemiske reaksjonene som brukes i vannbehandling. Ioner (tungmetaller) og kolloider (organiske og uorganiske) holdes for det meste i oppløsning av elektriske ladninger. Tilsetningen av ioner med motsatte ladninger destabiliserer kolloidene, slik at de koagulerer. Koagulering kan oppnås ved hjelp av et kjemisk koaguleringsmiddel eller ved elektriske metoder. Alum [Al 2 (SO 4 ) 3 . 18 H 2 O ] er et slikt kjemisk stoff som har vært mye brukt i mange år for avløpsrensing.

Koagulasjonsmekanismen har vært gjenstand for kontinuerlig gjennomgang. Det er generelt akseptert at koagulering primært oppstår ved reduksjon av nettoverflateladningen til et punkt der kolloidale partikler, som tidligere var stabilisert ved elektrostatisk frastøting, kan nærme seg tett nok til at van der Waals-krefter holder dem sammen og tillater aggregering. Reduksjonen av overflateladningen er en konsekvens av reduksjonen av det elektriske dobbeltlagets frastøtende potensial ved nærvær av en elektrolytt med motsatt ladning. I EC-prosessen genereres koaguleringsmidlet in situ ved elektrolytisk oksidasjon av et passende anodemateriale . I denne prosessen fjernes ladede ioniske arter - metaller eller på annen måte - fra avløpsvannet ved å la det reagere med et ion med motsatt ladning, eller med flokk av metalliske hydroksider generert i avløpet.

Elektrokoagulering gir et alternativ til bruk av metallsalter eller polymerer og polyelektrolyttilsetning for å bryte stabile emulsjoner og suspensjoner . Teknologien fjerner metaller, kolloidale faste stoffer og partikler og oppløselige uorganiske forurensninger fra vandige medier ved å innføre høyt ladede polymere metallhydroksydarter. Disse artene nøytraliserer de elektrostatiske ladningene på suspenderte faste stoffer og oljedråper for å lette agglomerering eller koagulering og resulterende separasjon fra den vandige fasen. Behandlingen ber om utfelling av visse metaller og salter.

"Kjemisk koagulering har blitt brukt i flere tiår for å destabilisere suspensjoner og for å bevirke utfelling av løselige metaller, så vel som andre uorganiske arter fra vandige strømmer, og derved muliggjøre fjerning gjennom sedimentering eller filtrering. Alun, kalk og / eller polymerer har vært kjemikalien. koagulanter brukt. Disse prosessene har imidlertid en tendens til å generere store mengder slam med høyt bundet vanninnhold som kan være langsom å filtrere og vanskelig å avvanne. Disse behandlingsprosessene har også en tendens til å øke innholdet av totalt oppløst faststoff (TDS) i avløpet, noe som gjør det uakseptabelt for gjenbruk innen industrielle applikasjoner. "

"Selv om elektrokoaguleringsmekanismen ligner kjemisk koagulering ved at de kationiske artene er ansvarlige for nøytralisering av overflateladninger, skiller karakteristikkene til den elektrokoagulerte flokk seg dramatisk fra de som genereres av kjemisk koagulering. En elektrokoagulert flokk har en tendens til å inneholde mindre bundet vann, er mer skjærende motstandsdyktig og er lettere å filtrere "

Beskrivelse

I sin enkleste form består en elektrokoagulasjonsreaktor av en elektrolytisk celle med en anode og en katode . Når det er koblet til en ekstern strømkilde, korroderer anodematerialet elektrokjemisk på grunn av oksidasjon, mens katoden vil bli utsatt for passivering .

Et EC-system består i hovedsak av par ledende metallplater parallelt, som fungerer som monopolære elektroder . Det krever dessuten en likestrømseffektkilde, en motstand boksen for å regulere den aktuelle tetthet og et multimeter for å lese de aktuelle verdiene. De ledende metallplatene er ofte kjent som "offerelektroder." Offeranoden senker oppløsningspotensialet til anoden og minimerer passivering av katoden. Offeranodene og katodene kan være av samme eller av forskjellige materialer.

Arrangementet av monopolære elektroder med celler i serie er elektrisk lik en enkelt celle med mange elektroder og sammenkoblinger. I seriecellearrangement kreves det en høyere potensialforskjell for at en gitt strøm skal strømme fordi cellene som er koblet i serie har høyere motstand. Den samme strømmen ville imidlertid strømme gjennom alle elektrodene. I motsetning til dette, i parallell eller bipolar ordning er den elektriske strømmen delt mellom alle elektrodene i forhold til motstanden til de enkelte cellene, og hvert ansikt på elektroden har forskjellig polaritet.

Under elektrolyse gjennomgår den positive siden anodiske reaksjoner, mens det på den negative siden oppstår katodiske reaksjoner. Forbrukbare metallplater, som jern eller aluminium , brukes vanligvis som offerelektroder for kontinuerlig å produsere ioner i vannet. De frigjorte ionene nøytraliserer ladningene av partiklene og initierer dermed koagulering. De frigjorte ionene fjerner uønskede forurensninger enten ved kjemisk reaksjon og utfelling, eller ved å få de kolloidale materialene til å smelte sammen, som deretter kan fjernes ved flotasjon. I tillegg, når vann som inneholder kolloidale partikler, oljer eller andre forurensninger beveger seg gjennom det påførte elektriske feltet, kan det være ionisering , elektrolyse, hydrolyse og dannelse av frie radikaler som kan endre de fysiske og kjemiske egenskapene til vann og forurensninger. Som et resultat fører den reaktive og eksiterte tilstanden til at forurensninger frigjøres fra vannet og ødelegges eller gjøres mindre oppløselige.

Det er viktig å merke seg at elektrokoaguleringsteknologi ikke kan fjerne uendelig løselig materie. Derfor kan ioner med molekylvekt mindre enn Ca + 2 eller Mg +2 ikke dissosieres fra det vandige mediet.

Reaksjoner i elektrokoagulasjonsreaktoren

Innenfor elektrokoagulasjonsreaktoren produseres flere forskjellige elektrokjemiske reaksjoner uavhengig. Disse er:

  • Såing , som skyldes reduksjon av anoder av metallioner som blir nye sentre for større, stabile, uoppløselige komplekser som utfelles som komplekse metallioner.
  • Emulsjonsbryting , som skyldes oksygen- og hydrogenioner som binder seg til vannreseptorstedene til emulgerte oljemolekyler, og skaper et vannuoppløselig kompleks som skiller vann fra olje, boreslam, fargestoffer, blekk, fettsyrer osv.
  • Halogen Kompleksdannelse , som metallioner binder seg til kloratomene i et klorert hydrokarbon-molekyl resulterer i en stor uløselig kompleks skille vann fra plantevernmidler , ugressmidler , klorerte PCB , etc.
  • Bleking av oksygenionene som produseres i reaksjonskammeret oksyderer fargestoffer, cyanider , bakterier , virus , biofarer osv. Elektronoversvømmelse av elektroder tvunget ioner til å bli dannet for å føre ladning i vannet, og eliminerer dermed den polare effekten av vannkomplekset, slik at kolloidale materialer å utfelle og den nåværende kontrollerte ionetransporten mellom elektrodene skaper et osmotisk trykk som vanligvis sprekker bakterier, cyster og virus.
  • Oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner blir tvunget til sitt naturlige endepunkt i reaksjonstanken som fremskynder den naturlige naturprosessen som forekommer i våtkjemi, der konsentrasjonsgradienter og løselighetsprodukter (KsP) er de viktigste determinantene for å muliggjøre at reaksjonene når støkiometrisk fullføring.
  • Elektrokoagulasjonsindusert pH svinger mot nøytral.

Optimalisere reaksjoner

Nøyaktig valg av reaksjonstankmaterialet er viktig sammen med kontroll av strøm, strømningshastighet og pH . Elektroder kan være laget av jern, aluminium, titan , grafitt eller andre materialer, avhengig av avløpsvannet som skal behandles og forurensningene som skal fjernes. Temperatur og trykk ser ut til å ha bare en liten effekt på prosessen.

I EC-prosessen skiller vannforurensningsblandingen seg i et flytende lag, et mineralrikt flokkulert sediment og klart vann. Det flytende laget fjernes vanligvis ved hjelp av en overløpsvegg eller lignende fjerningsmetode. Den aggregerte flokkulerende massen legger seg enten i reaksjonskaret eller i etterfølgende sedimenteringstanker på grunn av tyngdekraften.

Etter fjerning til en slamoppsamlingstank blir den vanligvis avvanet til en halvtørr kake ved hjelp av en mekanisk skruepresse. Det klare, behandlede (supernatanten) vannet pumpes vanligvis til en buffertank for senere avhending og / eller gjenbruk i anleggets angitte prosess.

Fordeler

  • EC krever enkelt utstyr og er lett å betjene med tilstrekkelig operasjonell breddegrad til å håndtere de fleste problemer som oppstår ved løping.
  • Avløpsvann behandlet av EC gir velsmakende, klart, fargeløst og luktfritt vann.
  • Slam dannet av EC har en tendens til å være lett herdbart og lett å avvanne, sammenlignet med konvensjonelle alun- eller jernhydroksydslam, fordi de hovedsakelig metalliske oksyder / hydroksider ikke har noen restladning.
  • Flokker dannet av EC ligner på kjemisk flokk, bortsett fra at EC-flokk har en tendens til å være mye større, inneholder mindre bundet vann, er syrebestandig og mer stabil, og kan derfor skilles raskere ved filtrering.
  • EC kan produsere avløp med mindre TDS-innhold sammenlignet med kjemiske behandlinger, spesielt hvis metallionene kan utfelles som hydroksider eller karbonater (som magnesium og kalsium. EC har generelt liten eller ingen innvirkning på natrium- og kaliumioner i oppløsningen.
  • EC-prosessen har fordelen av å fjerne de minste kolloidale partiklene, fordi det påførte elektriske feltet nøytraliserer eventuell restladning og derved letter koagulasjonen.
  • EF-prosessen unngår generelt overdreven bruk av kjemikalier, og det er derfor redusert krav om å nøytralisere overflødig kjemikalier og mindre mulighet for sekundær forurensning forårsaket av kjemiske stoffer tilsatt i høy konsentrasjon som når kjemisk koagulering av avløpsvann brukes.
  • Gassboblene som produseres under elektrolyse kan lett føre forurensningskomponentene til toppen av løsningen der den lettere kan konsentreres, samles opp og fjernes av en motorisert skimmer.
  • De elektrolytiske prosessene i EC-cellen styres elektrisk og uten bevegelige deler, og krever mindre vedlikehold.
  • Dosering av innkommende avløpsvann med natriumhypokloritt hjelper til med å redusere biokjemisk oksygenbehov (BOD) og påfølgende kjemisk oksygenbehov (COD), selv om dette bør unngås for avløpsvann som inneholder høye nivåer av organiske forbindelser eller oppløst ammoniakk (NH4 +) på grunn av dannelse av trihalogenerte metaner ( THM) eller andre klorerte organiske stoffer . Natriumhypokloritt kan genereres elektrolytisk i en E-celle ved bruk av platina og lignende inerte elektroder eller ved bruk av eksterne elektroklorinatorer.
  • På grunn av den utmerkede EF-fjerningen av suspenderte faste stoffer og enkelheten i EC-operasjonen, ble tester utført for US Office of Naval Research konkludert med at den mest lovende anvendelsen av EC i et membransystem ble funnet å være som forbehandling til et multimembran-system av UF / RO eller mikrofiltrering / omvendt osmose (MF / RO). I denne funksjonen gir EC beskyttelse av lavtrykksmembranen som er mer generell enn den som kjemisk koagulering gir og er mer effektiv. EC er veldig effektiv til å fjerne en rekke forurensningsarter av membran (slik som silisiumdioksyd, jordalkalimetallhydroksider og overgangsmetallgruppemetaller), samt å fjerne mange arter som kjemisk koagulering alene ikke kan fjerne. (se ildfaste organiske stoffer )

Se også

Referanser