Spartėjant industrializacijai, didelės-koncentracijos, nerūpestingos nuotekos, išleidžiamos iš tokių pramonės šakų kaip dažymas, farmacija ir chemikalai, tapo pagrindine aplinkos taršos problema. Tradiciniai biologinio valymo metodai yra neveiksmingi labai toksiškoms ir chromatinėms nuotekoms, o pažangios oksidacijos technologijos susiduria su didelių sąnaudų kliūtimi. Geležies-anglies mikro-elektrolizė (Fe/C Micro-Elektrolizė), kaip ekologiškas ir mažai -sunaudojantis fizikinis ir cheminis pirminio apdorojimo procesas, žymiai pagerina nuotekų biologinį skaidumą ir efektyviai skaido teršalus dėl sinerginio pramoninių nuotekų technologinio poveikio, kuris tampa elektrocheminiu nuotekų oksidacijos{7} gydymo sistemos.
Techniniai principai
Aštuntajame dešimtmetyje nuotekų valymui pirmą kartą buvo pritaikyta geležies-anglies mikro-elektrolizės technologija. Kadangi mikro-elektrolizės technologija atitinka aplinkos apsaugos koncepciją „atliekų apdorojimas atliekomis“, turi aukštą sąnaudų-efektyvumo santykį ir gerus valymo rezultatus, dabar ji plačiai naudojama įvairių tipų pramoninėms nuotekoms valyti. Reakcijos mechanizmas teršalų pašalinimui naudojant geležies -anglies mikro-elektrolizės technologiją parodytas 4 paveiksle, daugiausia apimantis oksidacijos-redukcijos reakcijas, flokuliaciją ir adsorbciją, elektrocheminį sodrinimą ir fizinę adsorbciją.
1) Oksidacijos{1}}redukcijos reakcijos
Geležies-anglies mikro-elektrolizės technologija į pramonines nuotekas įdeda geležį (anodą) ir anglį (katodą), kad susidarytų galvaninis elementas, sukuriantis daugybę oksiduojančių ir redukuojančių medžiagų, kurios suskaido nuotekose esančius teršalus. Geležies anodo elektrodo potencialas E(Fe/Fe2+) yra –0,44 V, todėl susidaro 1,2 V potencialų skirtumas su anglies katodu, todėl abiejuose elektroduose gali vykti elektrodų reakcijos.
2) Flokuliacija ir adsorbcija.
Vykstant mikro-elektrolizės reakcijai, anodo metalas korozuojasi ir susidaro metalo jonai. Šarminėmis sąlygomis šie metalų jonai sudaro didelio specifinio paviršiaus hidroksido flokus, kurie gali greitai adsorbuoti ištirpusias organines medžiagas ir suspenduotas organines daleles pramoninėse nuotekose. Kai floko tankis yra didesnis nei nuotekų tankis, kietasis{3}}skysčius galima atskirti aeruojant, flotuojant arba nusodinant.
3) Elektrocheminis sodrinimas.
Mikro{0}}elektrolizės proceso metu anode ir katode vyksta elektrodų reakcijos, tarp kurių susidaro stabilus elektrinis laukas. Įkrautos dalelės ir koloidai nuotekose juda pagal priešingų krūvių pritraukimo principą veikiant elektrostatinei traukai, todėl vyksta elektroforezė. Galiausiai įkrautos dalelės ir koloidai kaupiasi ant elektrodų, todėl įkrautos medžiagos pašalinamos iš vandens per elektrocheminę agregaciją.
4) Fizinė adsorbcija.
Šiuo metu aktyvuota anglis (AC) dažniausiai naudojama kaip katodo medžiaga mikro{0}}elektrolizės pakuotėse. Daugybė vidinių porų suteikia jai stiprią adsorbcijos gebą, efektyviai adsorbuojant organinius teršalus ir sunkiųjų metalų jonus nuotekose.
Geležies{0}}anglies mikro-elektrolizės technologija plačiai naudojama įvairioms pramoninėms nuotekoms valyti.
Optimalios proceso sąlygos valant diazonio druskos nuotekas naudojant geležies-anglies mikro-elektrolizės technologiją yra: kambario temperatūra, pradinis nuotekų pH=2, skysčio- ir -kietosios medžiagos santykis 12:5 ir reakcijos laikas 2,0 val. Esant tokioms sąlygoms, COD pašalinimo rodiklis siekia 60,28%.
Mikro-elektrolizės procesas, naudojant geležies-anglį, buvo naudojamas dažymo ir spausdinimo nuotekoms valyti. Esant optimalioms reakcijos sąlygoms, ChDS, drumstumo, spalvos, amoniakinio azoto ir TOC pašalinimas iš nuotekų buvo atitinkamai 75,48%, 87,88%, 75,34%, 92,01% ir 81,09%. Procesas buvo patvirtintas spektroskopine ir dujų chromatografija-masių spektrometrija, siekiant efektyviai skaidyti teršalus, pvz., esterius ir alkoholius, paverčiant juos mažomis{10}}molekulėmis organiniais teršalais, kurie lengvai apdorojami biochemiškai.
Mikro-elektrolizės sistema, naudojanti nulinės-valentės geležį ir granuliuotą aktyvintąją anglį, buvo naudojama pirminiam rafinavimo nuotekų valymui. Esant pH=3, nulinės -valentinės geležies dozės 30 g/l, granuliuotos aktyvintos anglies dozės 5,75 g/l ir 15 min reakcijos trukmės sąlygomis, sistema pasiekė 38,3 % ChDS pašalinimo greitį naftos perdirbimo gamyklų nuotekose.
Pagrindiniai proceso parametrai
1. pH kontrolė:
Rūgšti aplinka (pH=2~3): sustiprina katodo vandenilio išsiskyrimo reakciją ir skatina [H] susidarymą, tačiau reikia įvertinti įrangos korozijos riziką.
Neutralus perėjimas: pH turi būti sureguliuotas iki 8–9, kad būtų galima pakankamai flokuliuoti ir nusodinti geležies jonus.
2. Novatoriška pakavimo struktūra:
Anti-sulipimo konstrukcija: naudokite geležies-anglies sudėtines daleles (pvz., Fe/C@Al₂O₃) arba verdančiojo sluoksnio reaktorius, kad sumažintumėte sandariklio pasyvumą.
Katalizinis modifikavimas: pakrovimas metalais, tokiais kaip Cu ir Mn, pagerina elektronų perdavimo efektyvumą (CHD pašalinimo greitį galima padidinti 15–20 %).
3. Dinaminis aeracijos valdymas:
Oro -ir-vandens santykis nuo 3:1 iki 5:1 apsaugo nuo pakuotės sulipimo ir suteikia oksidatoriaus.
Pertraukiamas vėdinimo režimas (10 min vėdinimas, 20 min išjungimas) gali sutaupyti 30% energijos.
4. Pakavimo inžinerijos projektavimo parametrai:
Particle Size Distribution: The packing particle size should not be too small. It is recommended to use 2-5cm shuttle-shaped packing with a porosity >60% and a strength >600 kg/m².
Pakuotės krovimo aukštis: rekomenduojamas 2,0–3,0 m, kad būtų išvengta per didelio pakavimo tankio.
Grynasis aukštis: Efektyvus reaktoriaus aukštis 1,2–1,5 m, su 20% išsiplėtimo erdve.
Geležies-anglies masės santykis: nuo 3:1 iki 5:1, padidinkite anglies santykį esant didelei organinei apkrovai.
Technologijų sujungimas
1. Mikro-elektrolizės-Fenton (ME-Fenton) ko-procesas
Mikro-elektrolizės metu susidarančio Fe²⁺ panaudojimas H₂O₂ katalizavimui vietoje: Privalumai: nereikia išorinių geležies druskų, dumblo susidarymas sumažėja 40%, tinka didelės-koncentracijos nuotekoms, kurių COD > 5000 mg/L.
2. Mikro-elektrolizės-biologinio metodo (ME-BAF) derinys
Proceso srautas: mikro-elektrolizės ląstelė → Neutralizavimo sedimentacija → Aeruotas biologinis filtras (BAF)
Sinergetinis poveikis:
Mikro{0}}elektrolizė pašalina biotoksines medžiagas (pvz., formaldehidą ir fenolį)
Pagerina nuotekų biologinį skaidumą (BDS₅/CDS padidėja nuo 0,15 iki 0,35-0,45)
Gilus tirpių organinių medžiagų pašalinimas biologiniais metodais
3. Mikro-elektrolizės-membranų atskyrimo technologija
ME-UF/MF: mikro-elektrolizės flokai naudojami kaip išankstinis apdorojimas prieš membranos apdorojimą, sumažinant membranos užsiteršimą ir padidinant srauto atkūrimo greitį 25 %.
Ateities plėtros tendencijos
1. Proceso integravimas:
„Mikro-elektrolizės-membraninis bioreaktorius“ (ME-MBR): išankstinis mikro-elektrolizės apdorojimas + biocheminis pagerinimas + membranos atskyrimas leidžia pasiekti beveik -nulinį emisiją.
2. Medžiagos funkcionalizavimas:
Nano-nulinės-valentinės geležies-anglies kompozicinė medžiaga: savitasis paviršiaus plotas padidintas iki 200 m²/g, reakcijos greitis padidėjo 3 kartus.
3. Išmanusis valdymas:
Dirbtinio intelekto dinaminio optimizavimo sistema: sureguliuoja pH ir aeracijos greitį realiu laiku pagal vandens kokybės jutiklio duomenis, sumažindama energijos sąnaudas 15–25%.
