Механизм и теоретические основы обратного осмоса.

Электрокоагуляция - теоретические основы процесса.

Электрокоагуляция – это выделение из воды Cr⁶⁺ и ионов тяжёлых металлов.

При проходе сточных вод через межэлектродное пространство происходит электролиз, поляризация частиц, окислительно-восстановительные реакции и взаимодействие продуктов электролиза.

Основное условие успешного протекания процесса электрокоагуляции – применение растворимых электродов из металлов с большИм отрицательным потенциалом: сталь или аллюминий.

Под действием тока происходит растворение металла, следовательно, в воду переходят катионы Fe или Al, которые встречаясь с гидроксо-группами OH^- образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев в следствии интенсивной коагуляции.

Соединение Cr⁶⁺ присутствует в сточной воде, Cr₂O₇ – восстановливается электрокоагуляторами с катионами Fe²⁺ - происходит растворение стальных анодов по реакциям:

Fe⁰ - 2ē → Fe²⁺ ;

Cr₂O₇^2- + 6Fe²⁺ + 14H⁺ → 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O;

Cr³⁺ + OH^- → Cr(OH)₃ ↓;

Fe³⁺ + OH^- → Fe(OH)₃ ↓.

Важно контролировать конечные значения pH обрабатываемой воды – значение должно быть меньше 5,5 pH, иначе не достигается достаточно полное осаждение Cr(OH)₃ и в воде остаются ионы Cr.

Теоретически определено, что растворение 1г Al эквивалентно введению в воду 12,3г Al₂(SO₄)₃ на 18 молекул H₂О;

На 1г Fe – 4,9г FeSO₄ на 7 молекул H₂O.

Количество металла на аноде в результате электролиза определяется по уравнению Фарадея:

C = η · A · Y · t / n · F

А – молярная масса металла, г · моль;

Y – сила тока, А;

t – время прохождения тока, сек;

η (эта) – выход металла по току – КПД;

F – число Фарадея, A · сек / г · кмоль.

 

Необходимый расход Fe определяется по формуле:

G = d · C · Q

d – удельный расход Fe на удаление определённого загрязняющего вещества;

C – исходная концентрация ионов металла;

Q – расход сточных вод.

 

Полезный объём ванны электрокоагулятора определяется по формуле:

V_полезн = Q · t

 

Электродиализ - теоретические основы процесса.

Электродиализ – это процесс удаления из растворов ионизированных веществ (веществ в ионном виде) путём переноса их через мембрану в поле постоянного электрического тока.

При этом процессе возникает направленное движение ионов, в основном растворимых солей, H⁺, OH^-.

Катионы движутся к катоду, анионы – к аноду.

При достижении катода катионы восстанавливают ионизированные вещества в соответствии с реакцией:

2H⁺ + 2 ē → H₂ ↑;

4OH^- + 4 ē → O₂ ↑ + 2H₂O;

2Cl - 2 ē → Cl₂ ↑.

Аппарат электродиализа – это камера с отсеками, разделёнными мембранами, которые проницаемы для катионов только с одной стороны, а для анионов только с другой (рис. 1).

Количество отсеков всегда нечётное.

Рис. 1 - схема аппарата электродиализа.

 

А⁺ - анод;

К^- - катод;

А – мембрана, пропускающая только анионы;

К – мембрана, пропускающая только катионы;

(Стрелка пересекает мембрану – ион проходит через неё);

(Стрелка не пересекает мембрану – ион не проходит через неё);

2, 4 – камеры с очищенной водой;

3 – камера с концентратом (рассолом) – всеми загрязняющими веществами.

 

Формула определения количества электричества, затраченного на обессоливание:

Y · t = F · (С_п – С_к) · V/ η

C_п – исходная концентрация загрязняющих веществ, г · экв/л;

C_к – конечная концентрация загрязняющих веществ, г · экв/л;

V – объём воды в камерах обессоливания;

η (эта) – КПД – определяется тем, что часть электричества расходуется на электродные процессы выделения Cl на аноде и H⁺ на катоде, а также нагревание воды.

При отрицательных значениях Y · t образуется высокая концентрация рассола.

 

Механизм и теоретические основы обратного осмоса.

Обратный осмос – это метод опреснения, основанный на фильтровании солёной воды через полупроницаемую мембрану, пропускающую воду, но задерживающую гидратированные ионы (ионы, связанные с молекулами воды) растворённых солей в воде.

Осмос – это стремление системы к химическому равновесию (рис. 1).

Рис. 1 – схема процесса осмоса

1 – чистая вода;

2 – солёная вода;

3 – мембрана (с порами размеров молекул H₂O).

Чистая вода переходит из камеры 1 в камеру 2 до тех пора, пока уровень воды в камере 2 не уравновисится давлением, созданным столбом жикости – h (рис. 2). В результате чего достигается осмотическое равновесие.

Рис. 2 – Схема достижения осмотического равновесия

1 – чистая вода;

2 – солёная вода;

3 – мембрана.

 

Величина осмотического давления π, которая зависит от разности концентраций ионов в растворах, находящегося по обе стороны мембраны, по закону Вант-Гоффа:

π = ΔC·R·T

C – разность концентраций ионов по обе стороны мембраны, моль/м³;

R – универсальная газовая постоянная = 8,34 Дж/моль·К;

T – температура, К – разница температура на выходе и на входе;

Осмотическое давление численно равно давлению, которое оказывало бы растворённое вещество, если бы при данной температуре было бы идеальным газом с объёмом, равным объёму раствора.

При разности концентраций раствора соответствующих океанической (солесодержание = 35 г/л) и дистиллированной воде (солесодержание = 0 г/л):

π = 2,5 Мпа.

Чтобы опреснить воду в процессе обратного осмоса, нужно, создавая избыточное давление, заставить воду фильтроваться через мембрану в направлении, противоположному осмотическому переносу, то есть со стороны солёной воды в сторону очищенной воды.

Чтобы получить удовлетворительную скорость фильтрования, нужно приложить давление, намного превосходящее осмотическое давление π концентрата. Тогда из солёной воды через мембрану начнут выходить молекулы пресной воды (рис. 3).

P >> π, процесс обратного осмоса эффективен, если приложенное давление превышает осмотическое в 1,5 – 2 раза.

Рис. 3 – Схема процесса обратного осмоса

1 – чистая вода;

2 – солёная вода (вода с примесями);

3 – мембрана.