СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1998 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к обработке воды, промышленных и бытовых сточных вод, в частности к электрохимическим методам очистки, и может быть использовано для окисления различных органических (пестицидов, хлорорганических, ароматических и токсичных веществ), а также неорганических соединений и ее обеззараживания.

Известны реагентные способы озоно-пероксидной обработки промышленных и бытовых сточных вод [1-3]. По способу [1] предварительно биологически очищенные сточные воды подвергались доочистке комбинированным окислением озоном и пероксидом водорода. Озонирование биологически очищенных сточных вод проводили в противоточном режиме с диспергированием через мелкопузырчатый аэратор из пористого титана озон-воздушной смеси. Озон получали на газоразрядной установке Озон-2 м. При времени озонирования 20 мин ХПК уменьшилось с 43,2 до 26,4 мг О₂/л, а при 30 мин ХПК с 42,5 до 25,5 мг О₂/л, степень очистки составила 40%. Введение пероксида водорода в количестве 4 мг/л катализирует процесс окисления органических соединений за счет образования высокореакционноспособных гидроксил радикалов. При этом при времени озонирования 20 мин ХПК с 41,8 мг О₂/л уменьшилось до 20 мг О₂/л, а при 30 мин ХЛК с 41,3 до 19,7 мг О₂/л и степень очистки составляет 49,1 - 52,6%. Максимально достигнутый эффект очистки по ХПК на 10-13% выше, чем при простом озонировании. Более глубокая очистка достигается фильтрованием через активированный уголь или в присутствии растворимого катализатора из солей железа или марганца [2] или облучении Уф лучами [3].

Основными недостатками реагентных способов являются: необходимость предварительной очистки и разбавления концентрированных растворов органических и неорганических загрязнений, сложная полная схема очистки, состоящая из нескольких технологических узлов (обработка озоном или пероксидом водорода, корректировка pH, коагуляция, фильтрация и др.). Значительные расходы на сырье и транспортировку реагентов, трудности в эксплуатации газоразрядных установок получения озона.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ [4] очистки сточных вод с использованием электросинтеза экологически чистого окислителя - пероксида водорода на месте применения.

Минерализованные сточные воды, содержащие H₂S, подают в катодную камеру лабораторного диафрагменного электролизера с катодом из гидрофобизированного углерода при непрерывном пропускании через воду технического кислорода из баллона. В анодную камеру заливают раствор минеральной кислоты - H₂SO₄. В качестве анода используют титан-платину.

В катодной камере происходит частичное восстановлении кислорода до перекиси водорода и других активных частиц (O-2

Применение катода из гидрофобизированного углерода позволяет вести процесс с выходом по току пероксида водорода не менее 70% , что объясняется низкой каталитической активностью данного углеродного материала по отношению к реакции разложения пероксида водорода. Очистка сточных вод в течение 5 мин позволяет снизить концентрацию H₂S в воде с 20 до 1 мг/л, солесодержание с 10 до 2 мг/л.

Недостатками известного способа являются низкие катодные выходы по току пероксида водорода, ограниченный срок службы гидрофобизированного катода, связанный с намоканием его, что приводит к резкому падению скорости процесса образования пероксида водорода и снижению выхода по току пероксида водорода, применение в качестве кислородсодержащего газа технического баллонного кислорода, что удорожает процесс, нерациональное использование выделяющегося кислорода на титан-платиновом аноде, использование в качестве анода (не выпускаемого серийно промышленностью) титан-платины, высокая стоимость и сложность изготовления титан-платины, а также возникновение в ходе электролиза значительных омических потерь на аноде.

Все вышеперечисленное усложняет и удорожает технологию очистки сточных вод.

В предлагаемом способе очистки поток загрязненных сточных вод, содержащих различные органические и неорганические загрязнения, подвергается электролизу в катодном пространстве диафрагменного электролизера с катодом из углеродного материала: стеклоуглерода или углеграфитовой ткани с непрерывной подачей в катодное пространство озон-кислородной смеси, генерируемой в анодной камере диафрагменного электролизера. Применение стеклоуглеродного катода вместо гидрофобизированного углерода позволяет нам интенсифицировать процесс электросинтеза пероксида водорода, так как выходы по току пероксида водорода высокие 90-95%, за счет большей растворимости озона, чем кислорода, в 10 раз, но и создать замкнутый цикл обработки, снизить материальные затраты на технический кислород. Кроме того, срок службы катода из стеклоуглерода выше, чем у катода из гидрофобизированного углерода. В ходе эксплуатации стеклоуглеродного катода не возникает проблем с его намоканием, так как открытая пористость у компактного стеклоуглерода 0,35%, а у обычного графита до 30% и более.

В катодной камере органические и неорганические загрязнения подвергаются глубокой окислительной деструкции при одновременном воздействии пероксида водорода и озона, генерируемых электролизом, а также воздействию части молекулярного озона, невосстановившегося на катоде, а также воздействию продуктов распада молекулярного озона в щелочной среде - гидроксил радикалов.

Пример 1.

В катодную камеру диафрагменного электролизера заливают 150-200 мл сточной воды состава 1 с pH 7 без предварительного разбавления и очистки. В анодную камеру диафрагменного электролизера заливают 40- 30%-ный раствор бифторида аммония. Катодом и анодом является стеклоуглерод. Процесс очистки сточной воды ведут при катодной плотности тока 1,6 А/м². Через раствор католита непрерывно пропускают поток озон-кислородной смеси с содержанием озона 14 вес. %, получаемой в анодной камере диафрагменного электролизера. Скорость потока озон-кислородной смеси 0,7-0,8 л/ч. После электролиза в течение 20 мин ХПК изменилось с 96 до 56-58 мг О₂/л, а при 60 мин обработки - ХПК уменьшилось до 18 мг О₂/л, степень очистки 81%.

Пример 2.

В катодную камеру диафрагменного электролизера заливают 150-200 мл сточной воды состава 2 с pH 10 без предварительной очистки и разбавления. В анодную камеру диафрагменного электролизера заливают 40-30%-ный раствор бифторида аммония. Катодом и анодом является стеклоуглерод. Процесс очистки сточной воды ведут при катодной плотности тока 1,6 А/м². Через раствор католита непрерывно пропускают поток озон-кислородной смеси с содержанием озона 15,7 вес.%, получаемой в анодной камере диафрагменного электролизера. Скорость потока озон-кислородной смеси 0,7-0,8 л/ч. После электролиза в течение 20 мин ХПК изменилось с 184 до 4 мг 02/л, а при 60 мин - до 80 мг О₂/л, степень очистки составила - 56,6%.

Пример 3.

В катодную камеру диафрагменного электролизера заливают 150-200 мл сточной воды состава 2 с pH 10 без предварительной очистки и разбавления. В анодную камеру диафрагменного электролизера заливают 40-30%-ный раствор бифторида аммония. Катодом и анодом является стеклоуглерод. Процесс очистки сточной воды ведут при катодной плотности тока 2,4-3,0 А/м². Через раствор католита непрерывно пропускают поток озон-кислородной смеси с содержанием озона 15,7 вес.%, получаемой в анодной камере диафрагменного электролизера. Скорость потока озон-кислородной смеси 0,7-0,8 л/ч. После электролиза в течение 120 мин ХПК уменьшилось до 56 мг О₂/л; степень очистки составила 70%.

Таким образом, способ по предлагаемому изобретению позволяет усовершенствовать озон-пероксидную технологию очистки, снизить расход реагентов, так как озон и пероксид водорода получаются на месте применения в камере, где непосредственно протекает процесс обработки сточных вод без дополнительной очистки и разбавления концентрированных растворов сточных вод, создать экологически чистый замкнутый процесс очистки, возможность возврата очищенных сточных вод в технологическую цепь без дополнительного разбавления, обеспечивает повышение степени очистки за счет дополнительной окислительной деструкции органических соединений, интенсифицировать процесс электросинтеза пероксида водорода за счет большей скорости растворения в водных растворах озона по сравнению с кислородом, увеличить ресурс работы катода в результате применения компактного практически беспористого стеклоуглерода вместо гидрофобизированного углерода, сократить расходы за счет применения более дешевых, не дефицитных, экологически чистых электродных материалов - стеклоуглерода.

Источники информации
1. О. М. Ильина, X. Фидлер.- Межвузовский тематический сборник трудов. Повышение эффективности работы систем водоснабжения, водоотведений, очистки природных и сточных вод. - Л.: ЛИСИ, 1991.

2. Патент DE N 4137864, C 02 F 1/72
3. Патент EP N 0537451, C 02 F 1/46
4. Авт. свид. СССР N 1318536 (прототип)ю

Использование: предлагаемый способ может быть использован для обработки промышленных и бытовых сточных вод, окисления различных органических (пестицидов, хлорорганических, ароматических и токсичных веществ), а также неорганических соединений и ее обеззараживание. Сущность: способ заключается в том, что поток очищаемых вод подвергается электролизу в катодном пространстве диафрагменного электролизера с катодом из стеклоуглерода или углеграфитовой ткани с непрерывной подачей в катодное пространство озон-кислородной смеси с содержанием озона 10-17 вес.%, генерируемой в анодной камере электролизера при подаче фторидсодержащего раствора.

Способ очистки сточных вод, включающий их обработку в диафрагменном электролизере при подаче сточных вод в катодную камеру с катодом из углеродсодержащего материала с одновременным пропусканием через сточную воду кислородсодержащего газа, отличающийся тем, что обработку ведут в катодной камере при катодной плотности тока от 1,6 4,0 А/м² с использованием в качестве катода стеклоуглерода или углеграфитовой ткани, а в качестве кислородсодержащего газа озонкислородную смесь с содержанием озона от 10 17 мас. генерируемую в анодной камере на аноде из стеклоуглерода при подаче фторидсодержащего раствора.