СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРОСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И КАТИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Изобретение относится к способам обработки водных растворов электрохимическим путем, а именно к способу электрохимически управляемой сорбции органических загрязнений, нефтепродуктов, пестицидов, ядохимикатов, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и т.п.

Известен способ очистки воды от катионов тяжелых металлов с помощью электросорбции (1). Очистка воды осуществляется с помощью электрохимического восстановления катионов тяжелых металлов на катоде из волокнистых углеродных материалов с высокоразвитой поверхностью. Недостатками известного способа являются большой расход электроэнергии, низкая эффективность очистки и невозможность удаления органических веществ.

Известен способ очистки воды от органических веществ и ионов тяжелых металлов путем модификации поверхности пористых углеродных сорбентов специальными добавками (2). Недостатком этого способа является низкий ресурс работы по катионам тяжелых металлов и невозможность регенерации сорбента.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ электрохимически управляемой сорбции растворенных органических веществ и катионов тяжелых металлов (3). Очистка воды по этому способу осуществляется на гранулированном активированном угле, который засыпают в электролизер-массообменник, разделенный не электропроводной диафрагмой на катодную и анодную камеры, и подвергают периодической электрохимической (катодной и анодной) обработке. Поляризация сорбента осуществляется от внешнего источника при объемной плотности тока 1-10 А/г, а величина потенциала фиксируется при помощи встроенного электрода сравнения. Недостатками известного способа являются: необходимость предварительной электрохимической обработки сорбента; необходимость постоянного контроля величины электрического потенциала сорбента; высокая энергоемкость процесса предварительной электрохимической обработки сорбента (анода и катода) и необходимость использования для этого специального электролита; прерывистый режим работы устройства, связанный с периодической поляризацией сорбента и отмывкой его от электролита.

В предлагаемом изобретении катод и анод выполнены в виде блоков из пористых углеродных сорбентов, термоскрепленных полимерным связующим. Такой блок имеет электрическое сопротивление в 1000-2000 раз меньше, чем у обычных сорбентов, засыпаемых в катодную и анодную камеры прототипа, поэтому ток между катодом и анодом может быть снижен до 1-10 мА/г.

Задача изобретения - значительное снижение энергопотребления при обеспечении непрерывного режима очистки водных растворов.

Технический результат - снижение энергопотребления за счет низких вольтамперных характеристик найденных режимов адсорбции и регенерации, непрерывный режим работы, отсутствие электролита и стадии отмывки от него электродов, отсутствие электрода сравнения.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе электрохимически управляемой сорбции органических веществ и катионов тяжелых металлов из водных растворов, включающем пропускание водных растворов, подлежащих очистке, через катод и анод из пористых углеродных сорбентов с последующей их регенерацией, согласно изобретению в качестве катода и анода используют блоки из пористого углеродного сорбента, термоскрепленного полимерным связующим, которые в процессе очистки водных растворов поляризуют постоянным напряжением 0,5-5,0 В в расчете на 1 кг массы блока, скорость потока водного раствора поддерживают 50-500 л/час, а регенерацию проводят путем смены знака поляризации на противоположный постоянным напряжением 10-20 В в расчете на 1 кг массы блока.

Отличия предложенного способа от прототипа заключаются в том, что:
- в качестве катода и анода используют блоки из пористого углеродного сорбента, термоскрепленного полимерным связующим, в результате чего стала возможной поляризация катода и анода низким напряжением и током без использования электролита;
- катод и анод поляризуют постоянным напряжением 0,5-5,0 В в расчете на 1 кг массы блока при скорости потока водного раствора 50-500 л/час, что дает возможность обеспечить непрерывную очистку водных растворов в течение длительного времени, причем потенциал поляризации, в отличие от прототипа, во время очистки не снижается;
- регенерацию проводят путем смены знака поляризации на противоположный постоянным напряжением 10-20 В в расчете на 1 кг массы блока, в результате чего увеличивается срок эксплуатации катода и анода.

В процессе экспериментальных исследований было установлено, что напряжение поляризации сорбента должно составлять 0,5-5,0 В в расчете на 1 кг массы блока. Эффективность очистки воды зависит от скорости фильтрации: чем больше скорость фильтрации, тем больше должно быть напряжение поляризации. Экспериментально установлено, что при указанном выше напряжении поляризации скорость фильтрации должна составлять 50-500 л/час. Увеличение напряжения поляризации выше 5 В приводит к повышенному расходу электроэнергии и электрохимическому разрушению анода. Снижение напряжения до величин менее 0,5 В приводит к значительному снижению эффективности очистки воды. Увеличение скорости фильтрации более 500 л/час также ведет к снижению качества очистки воды, а уменьшение скорости фильтрации ниже 50 л/час снижает эксплуатационные свойства фильтра.

Предлагаемый способ позволяет легко очистить катод и анод от накопившихся на их поверхности вредных примесей. Экспериментально установлено, что после пропускания через фильтр, работающий по предлагаемому способу, 10 м³ воды в расчете на 1 кг массы блока достаточно изменить полярность токоподводов на противоположную и увеличить напряжение на них до 10-20 В в расчете на 1 кг массы блока. При этом достигается удаление вредных примесей с поверхности катода и анода в течение 5-10 мин. После этого полярность блоков восстанавливается, напряжение поляризации снижается и устройство готово к дальнейшей работе.

Предлагаемый способ осуществляется по схеме, приведенной на чертеже. В корпусе 1 из изолирующего материала герметично закреплены катод 2 и анод 3, имеющие токоподводы 4, подключенные к источнику питания 7. Водный раствор, подлежащий очистке, проходит через штуцер 5, катод 2, анод 3 и выходит через штуцер 6. Напряжение поляризации измеряется вольтметром 8.

Пример 1
При пропускании водного раствора через катод и анод с массой по 0,25 кг при скорости фильтрации 50 л/час и напряжении поляризации 0,5 В установлено, что эффективность очистки составила: по свинцу 98%, по меди 96%, по гексахлорциклогексану 99%, по нитратам 92%.

Регенерация блоков проводилась после пропускания через них 2,5 м³ воды путем смены знака поляризации, увеличения напряжения до 10 В в течение 5 мин при скорости фильтрации 50 л/час. Установлено, что за это время с катода и анода устройства удаляется до 98% вредных примесей.

Пример 2
При пропускании водных растворов через катод и анод с массой по 2,5 кг при скорости фильтрации 500 л/час и напряжении поляризации 5 В установлено, что эффективность очистки в этом случае составляла по свинцу 98%, по меди 97,1%, по гексахлорциклогексану 98,8%, по нитратам 93%.

Регенерация блоков проводилась напряжением 10 и 20 В в течение 10 мин после пропускания через устройство 25 м³ воды. Установлено, что эффективность регенерации напряжением 10 В составляет 45-50%, а напряжением 20 В - 90-95%.

Пример 3
То же, что и в примере 2, но при скорости фильтрации 1000 л/час. Эффективность очистки водных растворов в этом случае составляла по свинцу 52%, по меди 47%, по гексахлорциклогексану 58%, по нитратам 42%.

Таким образом, предложенный способ электрохимически управляемой сорбции позволяет обеспечить непрерывную и эффективную очистку воды от органических загрязнений, тяжелых металлов, нитратов и других вредных примесей с минимальным расходом электроэнергии, что дает реальную возможность решать широкий спектр экологических и технологических проблем.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Литература
1. United States Patent 5690806 "Cell and Method for the Recovery of Metals from Dilute Solution", November 25, 1997.

2. Патент РФ 2104927, кл. С 01 В 31/16, В 01 J 20/20, 1998 г.

3. Патент РФ 2110482, кл. 6 C 02 F 1/46, 1/28, 1998 г.