УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД
DEVICE FOR ELECTROLYTIC PROCESSING OF OIL-CONTAINING WATERS

Устройство относится к области электролитической обработки сточных вод, содержащих эмульгированные, коллоидно-диспергированные и растворимые органические загрязнения, и может быть использовано для очистки сточных вод на предприятиях нефтяной, химической и газовой промышленности.
Известно устройство (патент РФ №2132821, МПК C02F 1/46. Устройство для электролитической обработки воды. / Попов А.Ю. // Опуб. 10.07.1999 г.), которое предназначено для электролитической обработки воды, например, анодной для получения дезинфицирующих растворов или катодной для умягчения воды. В вертикальном диафрагменном проточном электролизере, содержащем рабочую и вспомогательную камеры, последняя из которых снабжена циркуляционным контуром, внутренний электрод выполнен полым. При этом полость внутреннего электрода соединена входными и выходными отверстиями со вспомогательной камерой, образуя таким образом циркуляционный контур, заполненный вспомогательным раствором и размещенный внутри полого электрода.
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность очистки сточных вод.
2
Наиболее близким техническим решением (прототип) является изобретение (патент РФ №2157344, МПК C02F 1/465. Способ и устройство для электрохимической очистки сточных вод. / Бейгельдруд Г.М., Габленко В.Г., Макаренко С.Н. // Опуб. 10.10.2000 г.), относящееся к электрохимической обработке сточных вод, содержащих эмульгированные и коллоидно-диспергированные загрязнения. Процесс ведут на режимах, дающих предельно возможное насыщение жидкости электролизными газовыми пузырьками диаметром 0,3-0,9 мкм. Плотность тока на гидрофобных нерастворимых электродах, расположенных в нижней части центрального цилиндра, поддерживают в пределах 200-400 А/м. Число Рейнольдса в потоке очищаемой жидкости, идущем снизу вверх, поддерживают в пределах 2000-2700, после чего поток жидкости подвергают сжатию по площади проходного сечения, обеспечивая протекание потока в пределах числа Re 3500-4500, с последующим резким расширением. В результате такого сочетания условий и режимов происходит укрупнение частиц загрязнителей, унос их пеной и отделение на сравнительно грубых фильтрах. После расширения поток пропускают через второй электродный блок, горизонтально расположенные электроды которого выполнены из пористого нетканого фильтрующего материала, при этом на пористых горизонтальных электродах плотность тока поддерживают в пределах 100-200 А/м, а скорость протока жидкости поддерживают из условия величины числа Re в пределах 120-200. Предлагаемый способ реализуется в электрофлотаторе, содержащем цилиндрический корпус с крышкой и коаксиально расположенный нижний корпус. В нижней части нижнего корпуса расположены вертикальные аноды и катоды, выполненные нерастворимыми из расширенного углеродного материала. В верхней части нижнего корпуса выполнено сужение с уменьшением проходного сечения в 20-40 раз, после которого имеется расширительная камера. Вход очищаемой воды расположен ниже указанного электродного блока, а выход очищенной воды расположен в нижней части верхнего корпуса. Внизу кольцевой полости, образованной верхним и нижним корпусами, расположены перфорированные горизонтальные анод и катод, выполненные из фильтрующего электропроводного материала типа карбонеткалон.
Недостатком данного изобретения является невысокая степень очистки сточных вод. Сужение в верхней части нижнего корпуса приводит к увеличению поверхности аппарата, а следовательно, к увеличению металлоемкости. Процесс сужения поперечного сечения аппарата с последующим расширением, приводящим к укрупнению извлекаемых частиц, производится лишь однократно. Не используются электрические поля, которые приводят к торможению частиц загрязнений. В прототипе не происходит извлечение растворенных органических веществ.
Задача устройства заключается в повышении эффективности очистки сточных вод и уменьшении металлоемкости устройства. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для электролитической обработки нефтесодержащих вод, включающем корпус, патрубки подвода и отвода воды, патрубок отвода флотошлама, катод и анод, источник питания постоянного тока согласно изобретению, корпус устройства расположен вертикально, в корпусе размещена система электродов, разделяющих объем корпуса на анодную, межэлектродную и катодную камеру, причем количество катодов и анодов равно двум и более, катоды и аноды имеют вид конуса, вершина которого направлена вниз, анодная камера образована двумя пористыми или перфорированными анодами, нерастворимыми при анодной поляризации, катодная камера образована двумя пористыми или перфорированными катодами, причем между электродами и корпусом образован зазор для прохождения потока пузырьков кислорода и водорода, в межэлектродной камере горизонтально закреплены сетки, между которыми находится гранулированный катализатор, водоотводящая система в виде кольца расположена в верхней части корпуса и защищена от потока воды конусообразной отражательной перегородкой. Кроме того, катоды и аноды выполнены из высокопористого графита и имеют угол конусности 5-45°. Число анодов и катодов равно двум и более, их толщина составляет 0,04 м. В качестве катализатора используется промышленный алюмомарганцевый катализатор АОК-75-41.
На чертеже представлено устройство для электролитической обработки нефтесодержащих вод.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, расположенного вертикально, и эллиптических крышек 2. В корпусе устройства расположены конусообразные пористые или перфорированные катоды 3, количество которых равно двум или более, и аноды 4, количество которых равно двум или более, имеющие угол конусности 5-45°. Катоды 3 и аноды 4 подключены к источнику постоянного тока и имеют разное значение потенциала. Аноды изготовлены из материала, нерастворимого при анодной поляризации (графит, оксиднокобальтовый титановый анод, оксиднорутениевый титановый анод и др.), катоды - из скелетного никеля, меди, пористого графита. Катоды и аноды выполнены в виде конусов, расположенных вершиной вниз. Между электродами и корпусом образован зазор для прохождения потока пузырьков водорода.
Электроды образуют катодные камеры 5, межэлектродную камеру 6, анодные камеры 7. В верхней части аппарата имеется патрубок отвода флотошлама 11. Между катодами и анодами горизонтально закреплены сетки 8, между которыми находится гранулированный катализатор 9. Водоотводящая система в виде кольца расположена в верхней части корпуса и защищена от потока воды конусообразной отражательной перегородкой 10.
Устройство работает следующим образом. Сточную воду, предварительно очищенную от грубодисперсных взвешенных веществ и нефтепродуктов, подают на вход аппарата. Вода равномерно распределяется по сечению аппарата, последовательно фильтруется в пористых анодах 4. Отрицательно заряженные частицы разряжаются при фильтровании в анодах, после чего объединяются в агрегаты (гомокоагуляция). Капли нефтепродуктов, в отличие от твердых частиц, коалесцируют. На отрицательно заряженные частицы в анодных камерах и в межэлектродной камере действуют электрофоретические силы, тормозящие их перенос вместе с водой. За счет этого увеличивается вероятность их извлечения пузырьками кислорода, образовавшимися на анодах. Затем вода, насыщенная пузырьками кислорода, фильтруется в гранулированном катализаторе 9. Катализатор усиливает окислительное действие кислорода, за счет чего окисляются органические вещества, находящиеся в воде в растворенном состоянии. В качестве катализатора использован промышленный алюмомарганцевый катализатор АОК-75-41. Убыль органических веществ определяли показателем химического потребления кислорода (ХПК).
Далее вода поступает в катодные камеры, в которых происходит аналогичным образом извлечение положительно заряженных частиц.
При прохождении воды в устройстве происходят следующие процессы.
A
0
K
Воду пропускают в однородных электрических полях, имеющих разное направление вектора напряженности электрического поля Е. С этой целью вода последовательно проходит в одной или более анодных камерах 7 в направлении вектора Е, затем в межэлектродной камере 6 в направлении вектора Е, после чего проходит в одной или более катодных камерах 5 против вектора Е.
Извлекаемые частицы имеют определенное значение электрокинетического заряда и потенциала, поэтому в электрическом поле на них действуют электростатические силы. При прохождении положительно заряженных частиц в пористой среде катода происходит нейтрализация заряда частиц, что приводит к гомокоагуляции этих частиц с образованием агрегатов за счет молекулярных сил. Укрупнение частиц и уменьшение свободной поверхностной энергии агрегата частиц определяется вторым началом термодинамики.
На частицы, которые имеют нескомпенсированный заряд, действуют электрофоретические силы со стороны электрического поля.
Наблюдается эффект электрофоретического торможения отрицательно заряженных частиц как в анодных камерах, так и в межэлектродной камере.
А
Сначала вода поступает в анодные камеры 7, где проходит в направлении вектора Е.
При прохождении пористых анодов 4 частично происходит нейтрализация заряда отрицательно заряженных частиц, в основном, капель нефти. Это приводит к коалесценции с образованием более крупных капель. В анодных камерах наблюдается электрофоретическое торможение отрицательно заряженных частиц. На анодах выделяются газообразные пузырьки кислорода. Таким образом, воду вначале обогащают окислительными частицами за счет электролиза, насыщают пузырьками кислорода, фильтруют в пористых или перфорированных анодах, а затем фильтруют в каталитической зернистой загрузке, после чего флотируют взвешенные вещества и эмульгированные нефтепродукты в поверхностный слой воды и отводятся из устройства через соответствующий патрубок 11. Катализатор усиливает окислительное действие кислорода.
Затем поток воды фильтруют в пористых или перфорированных катодах, насыщают пузырьками электролитического водорода, флотируют взвешенные вещества и эмульгированные нефтепродукты в поверхностный слой воды. Флотошлам отводится через соответствующий патрубок 11. При наклонном положении электродов набегающий поток воды со скоростью V смывает газовые пузырьки с поверхности катода, направляя их вверх.
к
A
0
Рекомендуемая напряженность электрического поля Е=Е=100-150 В/м, напряженность электрического поля в межэлектродной камере должна быть несколько больше и составляет Е=120-200 В/м соответственно. Оптимальная скорость прохождения сточных вод 10 м/ч.
3
Устройство для электролитической очистки сточных вод присоединяется к напорному выходу сооружений механической очистки с помощью фланцевого соединения. Рабочее давление аппарата 0,2-0,5 МПа. Электроды имеют угол конусности 5-45°. Толщина электродов d=0,04 м, ширина катодных и анодных камер с=d, межэлектродной камеры L=(2…3)d, энергозатраты составляют 0,01 кВт·ч/м.
Пример. Очистке подвергали промливневую воду нефтедобывающего предприятия. Результаты приведены в таблице.
Напряжение, В
Концентрация взвешенных веществ, мг/л
Концентрация нефтепродуктов, мг/л
ХПК, мг/л
Катоды
Аноды
Исх.
Ост.
Эффект, %
Исх.
Ост.
Эффект, %
Исх.
Ост.
Эффект, %
1-й
2-й
3-й
1-й
2-й
3-й
-1
-1
отсут.
+1
+1
отсут.
34
22
35
21
12
43
59
44
25
-5
-5
отсут.
+5
+5
отсут.
34
8
76
21
7
67
59
1,4
97,6
-10
-10
отсут.
+10
+10
отсут.
34
6
82
21
4
81
59
0,4
99,3
-20
-20
отсут.
+20
+20
отсут.
34
5
85
21
3
86
59
0,1
99,8
-10
-5
отсут.
+10
+5
отсут.
34
3
91
21
2
90
59
0,5
99,1
-10
-10
-10
+10
+10
+10
34
5
85
21
3
86
59
0,2
99,7
-10
-6
-2
+10
+6
+2
34
1
97
21
1
95
59
0,4
99,3
Из приведенных результатов следует, что при двух катодах и двух анодах лучший эффект получен при неодинаковых потенциалах катодов и анодов. Лучший эффект очистки воды от взвешенных веществ и нефтепродуктов достигнут в случае неравенства потенциалов катодов и неравенства потенциалов анодов. Оптимальное значение потенциалов катодов -10, -6, -2В, анодов +10, +6, +2В.
Лучший эффект очистки воды от растворенных органических веществ достигнут при потенциале анодов +20, +20В (два электрода) и +10, +10, +10В (три электрода).