Электрохимическая обработка воды

Конструкции электролизеров воды

Современные электролизеры представляют собой камеры различных конфигураций, в которых размещены электроды. Камеры выложены листовым винипластом или текстолитом для защиты от воздействия хлора, его кислородных соединений и других окислителей.

Электролиз воды сопровождается интенсивным пеновыделением, поэтому электролизер оборудуется специальными устройствами и пеногасителями для ее удаления. В целях защиты электродов и межэлектродного пространства от засорения пеной и нерастворимыми продуктами электролиза предусматриваются устройства для очистки межэлектродного пространства путем продувки сжатым воздухом или при помощи специальных диэлектрических щеток, которые предназначаются и для механической депассивации электродов. Электроды имеют форму пластин с центральным отверстием, через которое проходит вал с жестко закрепленными на нем скребками (щетками), заведенными в межэлектродные зазоры. При повороте вала происходит контакт щеток с электродами, что позволяет очищать их от твердых отложений.

Если вода содержит грубодисперсные примеси с большим гидравлическим сопротивлением, предусматривается специальная иловая камера для накопления выпадающих осадков.

В зависимости от направления движения воды электролизеры бывают горизонтального или вертикального типов (рис. 1). Вертикальная установка занимает меньшую площадь, но имеет большую высоту, что усложняет высотную схему сооружения. Электроды выполняются в виде стрежней, дисков, сеток и т.д., но чаще всего представляют собой металлические стальные пластины толщиной от 3 до 10 мм. Во избежание химической коррозии их размеры составляют 1,5–1,8 м. Пластины собираются в пакеты при помощи диэлектрических стягивающих зажимов либо устанавливаются обязательно в пазы специальных рам из диэлектриков (рис. 2).

По условиям монтажа и ремонтопригодности вес пластин или пакетов пластин должен составлять не более 50— 100 кг. Поэтому при необходимости в корпусе электролизера может размещаться несколько пакетов пластин.

Электроды присоединяются к источнику электропитания по монополярной или по биполярной схеме. В последнем случае каждый электрод работает одной поверхностью как анод, а другой — как катод. Биполярная схема требует меньшего количества присоединений электродов к источнику питания, но при этом увеличивается напряжение на электродах. Если при монополярном присоединении оно равно напряжению в пределах одной электродной ячейки, то есть V_э = V_я, то при биполярной напряжение на электродах зависит от количества ячеек n:

где n — количество ячеек, шт.

Материал электродов должен обладать рядом обязательных свойств: химической устойчивостью и инертностью к среде, в которой производится электролиз; оптимальными электрохимическими характеристиками по отношению к окислительно-восстановительным реакциям; механической прочностью и химической устойчивостью.

Аноды (за исключением установок для электрокоагуляции) не должны растворяться при электролизе. Нерастворимые аноды изготавливаются титановыми с защитными покрытиями из платины, оксидов кобальта (ОКТА), диоксида марганца (ТДМА), оксидов рутения и титана (ОРТА) [12]. Возможно применение анодов из графита или графитизированного угля, но эти материалы недостаточно прочны и долговечны. В электрокоагуляторах аноды выполняются растворимыми из алюминия и его сплавов, а также из железа.

В процессе электролиза всегда генерируются газообразные водород и кислород. Смесь этих газов взрывоопасна, а смесь водорода с воздухом обладает взрывоопасностью при концентрации водорода более 4 об. %. Согласно условиям безопасности электролизеры оборудуются системами вытяжной вентиляции, обеспечивающими разбавление выделяющегося водорода воздухом до концентрации менее 0,4 об. %, то есть в 10 раз ниже порога взрывоопасности.

Производительность вентиляционных установок для электролизеров непрерывного действия [м³/ч] рассчитывается по формуле:

где t — температура обрабатываемой воды, °C. Если электролизер периодического действия, то формула принимает следующий вид:

где W_el — полезная вместимость электродной камеры, м³; τ — продолжительность обработки, ч.

В случаях, когда применяется открытый электролизер и генерируемый водород поступает непосредственно в помещение, кратность воздухообмена [ч^-1] рассчитывается из формулы:

где W — объем помещения, м³.

Электролиз воды всегда сопровождается выделением тепла и нагревом обрабатываемой воды, что может повлиять на условия ее последующего использования или выпуска в систему водоотведения. Расход выделяющегося при электролизе воды тепла [кДж/ч] равен:

где ΔV — напряжение разложения поваренной соли. При значении i^an = 200 А/м², ΔV = 2,1 В. Температура обрабатываемой воды [°C] в электролизе определяется из следующей формулы:

где C — объемная теплоемкость воды, кДж/(л⋅°C); q_w — величина расчетного расхода воды, м³/ч.

Бытовые электрохимические реакторы

В бытовых условиях для электролиза воды чаще всего применяется диафрагменный проточный электрохимический реактор (СТЭЛ) [13], включающий электролизную ячейку, состоящую из катода и анода, разделенных специальной полупроницаемой мембраной (диафрагмой), разделяющую воду на щелочную фракцию — католит и кислую фракцию — анолит (рис. 3).

В результате катодной (католит) обработки вода приобретает щелочную реакцию: ее ОВП снижается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается количество растворенного в воде кислорода, возрастает концентрация водорода, гидроксильных ионов (ОН^-), уменьшается электропроводность воды, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и самой воды [14]. По внешним характеристикам этот католит — мягкая, светлая, с щелочным привкусом вода, иногда с белым осадком, ее рН = 10–11, ОВП = —200...—800 мВ.

По физико-химическим параметрам католит является раствором с заметно усиленными электроно-донорными свойствами, и, попадая в физиологические жидкости организма, он способен усиливать электроно-донорный фон на несколько десятков милливольт [15]. Антибактериальное действие католита дифференцированное: бактерицидный эффект проявляется относительно энтеробактерий, устойчивыми к нему являются энтерококки и стрептококки группы В, а в отношении грамотрицательных микроорганизмов — только бактериостатическое [16]. Электрохимически активированные растворы католита, в зависимости от силы пропускаемого тока, могут быть нескольких видов:

— К — католит щелочной (величина рН > 9, ОВП = 700–820 мВ), активные компоненты NaOH, О₂, НО₂^-, НО₂*, ОН^-, ОН*, НО₂^-, О₂;

— КН — католит нейтральный (рН = 9, ОВП = 300–500 мВ), активные компоненты О₂, НО₂^-, НО₂*, H₂О₂, Н⁺, ОН^-.

При анодной (анолит) электрохимической обработке кислотность воды увеличивается, ОВП возрастает, несколько уменьшается поверхностное натяжение воды, увеличивается электропроводность, возрастает количество растворенного в воде кислорода, хлора, уменьшается концентрация водорода, изменяется структура воды [17].

По внешним признакам данный анолит — коричневатая, кисловатая, с характерным запахом и вкусом жидкость с рН = 4–5 и ОВП = +500...+1100 мВ. По параметрам токсичности анолит при введении в желудок и нанесении на кожу относится к четвертому классу малоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007–76 и обладает в данном классе минимальной токсичностью.

При ингаляционном введении анолит с содержанием оксидантов 0,02 % и общей минерализацией 0,25–0,35 % не оказывает раздражающего действия на органы дыхания и слизистые оболочки глаз. При введении внутрь анолит не оказывает иммунотоксического действия и повышения уровня хромосомных аберраций в клетках костного мозга и других тканях и не обладает цитогенетической активностью. При нагревании до 50 °C бактерицидная активность анолита увеличивается на 30–100 % [18].

Электрохимически активированные растворы анолита подразделяются на четыре основных типа:

— А — анолит кислотный (величина рН < 5, ОВП = +800...+1200 мВ), активные компоненты НСlО, Сl2, НСl, НО₂*;

— АН — анолит нейтральный (рН = 6, ОВП = +600...+900 мВ), активные компоненты НСlО, О₃, НО^-, НО₂*;

— АНК — анолит нейтральный (величина рН = 7,7, ОВП = +250...+800 мВ), активные компоненты НСlО, СlО^-, НО₂^-, H₂О₂, О₂, Сl^-, НО*;

— АНД — анолит нейтральный (величина рН = 7,3, ОВП = +700...+1100 мВ), активные компоненты НСlО, НСlО₂, СlО^-, СlО₂*, НО₂*, H₂О₂, О₂, О₃, Сl^-, НО^-, О*.

На основании материалов из сборников II-го и III-го Международных симпозиумов «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности», а также монографии В.И. Прилуцкого и В.М. Бахира [19] приводятся следующие данные о некоторых свойствах и лечебном действии анолита и католита. Анолит обладает антибактериальным, противовирусным, антимикозным, антиаллергическим, противовоспалительным, противоотечным, противозудным и подсушивающим действием, может оказывать цитотоксическое и антиметаболическое действие, не причиняя вреда клеткам тканей человека. Биоцидные вещества в электрохимически активированном анолите, не являются токсичными для соматических клеток, поскольку представлены оксидантами, подобными тем, которые продуцируют клетки высших организмов. Католит обладает антиоксидантными, иммуностимулирующими, детоксицирующими свойствами, нормализует ОВП, метаболические процессы (повышение синтеза АТФ, изменение активности ферментов), стимулирует регенерацию тканей, повышает синтез ДНК и стимулирует рост и деление клеток за счет увеличения массопереноса ионов и молекул через мембраны, улучшает трофические процессы и кровообращение в тканях.

Растворы анолитов и католитов находят применение в медицине в качестве антисептиков с целью дезинфекции и стерилизации инструментов, помещений, аппаратуры, предметов ухода, кожи и слизистых и т.д., а также для лечения гнойных ран [20]. Использование смоченных в анолите салфеток позволяет за три-пять дней очистить поверхность ран, флегмонов, абсцессов, трофических язв, гнойно-некротических поражениях подкожной клетчатки, а последующее наружное применение католита в течение пять-семь дней существенно ускоряет репаративные процессы в тканях. Имеются данные о высокой лечебной эффективности электроактивированных растворов воды при гастритах, язвенной болезни желудка, уретритах, эрозии шейки матки, язвах роговицы, инфекционных заболеваниях кожи, при лечении стоматитов, парадонтитов, а также при сахарном диабете. Одним из положительных свойств электроактивированных растворов воды является их дешевизна (20 руб. за литр) и экологичность.

Электролиз воды находит все более широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту, в том числе в водоподготовке и водоочистке. Отечественной промышленностью выпускаются бытовые установки для проведения электролиза воды «СТЭЛ», «Эсперо-1», «Гейзер», «Биомед» и др. Электроактивированные растворы католитов и анолитов производятся в бутилированном виде и продаются в аптеках и магазинах. Однако фармакологические исследования электроактивированных растворов воды как лекарственных средств проведены не полностью и их фармакологическое действие и токсичность изучены не достаточно. В России такие исследования проводятся, в основном, на кафедре фармакологии Воронежской медицинской академии.

Заключение

Электрохимическая обработка воды обладает рядом преимуществ по сравнению с альтернативными механическими, химическими и биологическими методами водообработки и водоочистки. Эти преимущества заключаются в эффективности, устойчивости, контролируемости и удобном автоматическом регулировании процессов, а также простоте конструкции аппаратуры. Установки для электрохимической очистки воды компактны, имеют высокий уровень безотказности, требуют простой эксплуатации и могут быть полностью автоматизированы. С другой стороны, при электрохимической обработке воды возрастает энергопотребление, а в случае применения растворимых анодов расходуется тонколистовая сталь. Поэтому электрохимическая обработка обычно оказывается более выгодной для установок малой производительности (до 10–20 м³/ч). В многоступенчатых схемах улучшения качества воды электрохимическая обработка может удобно сочетаться с другими методами водоподготовки.