УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД
INSTALLATION FOR ELECTROLYTIC PURIFICATION OF OIL CONTAINING WATER

Устройство относится к области электролитической обработки сточных вод, содержащих эмульгированные и коллоидно-диспергированные 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. // Опубл. 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
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. // Опубл. 10.10.2000 г.), относящееся к электрохимиической обработки 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.
Задачей изобретения является повышение эффективности очистки сточных вод и уменьшение металлоемкости устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве электролитической очистки сточных вод от взвешенных веществ и нефтепродуктов, включающем корпус, патрубки подвода и отвода воды, источник постоянного тока и электроды, согласно изобретению электроды расположены таким образом, что последовательно расположенные по ходу воды два или более пористых катода образуют между собой катодные камеры, два или более пористых анода образуют между собой анодные камеры, причем последний катод и первый анод образуют межэлектродную камеру, все камеры снабжены патрубками отвода флотошлама, причем первый катод имеет потенциал более отрицательный, чем второй катод, а второй - более отрицательный, чем третий, и т.д., первый анод имеет потенциал более положительный, чем второй анод, а второй анод - более положительный, чем третий, и т.д., аноды выполнены из материала, не растворимого при анодной поляризации. Кроме того, согласно изобретению толщина электродов составляет d=0,04 м, ширина катодных и анодных камер с=d, ширина межэлектродной камеры L=(2…3)d. Электроды выполнены из высокопористого графита и имеют угол наклона относительно вертикали, равный 0…45°.
Сточная вода, содержащая диспергированные взвешенные вещества и нефтепродукты, как правило, содержит природные или синтетические ПАВ, которые стабилизируют дисперсную систему. Твердые и жидкие диспергированные частицы, имеющие размер 10 мкм и более, извлекаются из воды известными методами без особых проблем, например, седиментацией. Для извлечения мелких частиц на практике применяют реагентную обработку воды коагулянтами и флокулянтами. Реагентная обработка воды приводит к дополнительным материальным затратам на приобретение реагентов, на изготовление реагентного хозяйства. Осадок, образующийся при реагентной обработке, содержит гидроксиды металлов, которые лимитируют возможность утилизации осадка и определяют класс их опасности.
На чертеже представлено устройство для электролитической очистки сточных вод.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 и конических крышек 2. В корпусе устройства под углом 0-45° относительно вертикали расположены пористые или перфорированные катоды 3, количество которых равно двум или более, и аноды 4, количество которых равно двум или более. Катоды и аноды подключены к источнику постоянного тока и имеют разное значение потенциала. Аноды изготовлены из материала, не растворимого при анодной поляризации (графит, оксидно-кобальтовый титановый анод, оксидно-рутениевый титановый анод и др.), катоды - из скелетного никеля или меди, пористого графита. Электроды образуют катодные камеры 5, межэлектродную камеру 6, анодные камеры 7. Все камеры имеют патрубки 8 отвода загрязняющих веществ.
к
0
А
Устройство работает следующим образом. Воду пропускают в однородных электрических полях, имеющих разное направление вектора напряженности электрического поля Е. С этой целью вода последовательно проходит в одной или более катодной камере 5 против вектора Е, затем в межэлектродной камере 6 против вектора Е, после чего проходит в одной или более анодной камере 7 в направлении 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 положительно заряженных частиц как в катодных камерах, так и в межэлектродной камере.
На катодах при их катодной поляризации выделяется газообразный водород, который образует мелкие пузырьки, поднимающиеся в верхнюю часть аппарата. Пузырьки флотируют на поверхность диспергированные твердые и жидкие частицы и образовавшиеся агрегаты частиц. Флотошлам отводится через соответствующие патрубки 8. При наклонном положении электродов набегающий поток воды со скоростью V смывает газовые пузырьки с поверхности катода, направляя их вверх.
А
Далее вода поступает в анодные камеры 7, где проходит в направлении вектора Е. При прохождении пористых анодов 4 частично происходит нейтрализация отрицательно заряженных частиц, в основном капель нефти. Происходит их коалесценция с образованием более крупных капель. В анодных камерах наблюдается электрофоретическое торможение отрицательно заряженных частиц. На анодах выделяются газообразные пузырьки кислорода, которые флотируют мелкие и крупные капли нефти на поверхность аппарата и отводятся из устройства через соответствующие патрубки 8.
к
А
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 расположены под углом 0-45° относительно вертикали. Толщина электродов d=0,04 м, ширина катодных и анодных камер c=d, межэлектродной камеры L=(2…3)d, энергозатраты составляют 0,01 кВт·ч/м.
Пример: Очистке подвергали промливневые воды нефтедобывающего предприятия.
Результаты испытаний устройства приведены в таблице.
Напряжение, В
Концентрация взвешенных веществ, мг/л
Концентрация нефтепродуктов, мг/л
Катоды
Аноды
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
-5
-5
отсут.
+5
+5
отсут.
34
8
76
21
7
67
-10
-10
отсут.
+10
+10
отсут.
34
6
82
21
4
81
-20
-20
отсут.
+20
+20
отсут.
34
5
85
21
3
86
-10
-5
отсут.
+10
+5
отсут.
34
3
91
21
2
90
-10
-10
-10
+10
+10
+10
34
5
85
21
3
86
-10
-6
-2
+10
+6
+2
34
1
97
21
1
95
Из приведенных результатов следует, что при двух катодах и двух анодах лучший эффект получен при неодинаковых потенциалах катодов и анодов. Применение третьего катода и третьего анода улучшило эффект очистки. Лучший эффект достигнут в случае неравенства потенциалов катодов и неравенства потенциалов анодов. Оптимальное значение потенциалов катодов -10, -6, -2 В, анодов +10, +6, +2 В.
Таким образом, повышение эффекта очистки воды достигнуто за счет многократного сужения и расширения потока воды, а также за счет движения воды в электрическом поле вдоль и против вектора напряженности электрического поля, многократного проведения очистки воды флотацией раздельного пузырьками водорода и кислорода.