Līdz ar paātrināto industrializāciju, augstas{0}}koncentrācijas, nepaklausīgi notekūdeņi, kas tiek novadīti no tādām nozarēm kā krāsošana, farmācija un ķīmiskās rūpniecības nozares, ir kļuvuši par galveno vides piesārņojuma problēmu. Tradicionālās bioloģiskās attīrīšanas metodes ir neefektīvas ļoti toksiskiem un hromatiskiem notekūdeņiem, savukārt progresīvās oksidācijas tehnoloģijas saskaras ar augsto izmaksu sašaurinājumu. Dzelzs-oglekļa mikro-elektrolīze (Fe/C Micro-elektrolīze) kā videi draudzīgs un zema-patēriņa fizikāli ķīmiskais pirmapstrādes process ievērojami uzlabo notekūdeņu bioloģisko noārdīšanos un efektīvi noārda piesārņotājus, pateicoties rūpnieciskās notekūdeņu sinerģiskajam tehnoloģiskajam efektam, kļūstot par elektroķīmisko rupju oksidēšanos{7} ārstēšanas sistēmas.
Tehniskie principi
70. gados notekūdeņu attīrīšanā pirmo reizi tika izmantota dzelzs-oglekļa mikro-elektrolīzes tehnoloģija. Tā kā mikro-elektrolīzes tehnoloģija atbilst vides aizsardzības koncepcijai "atkritumu apstrāde ar atkritumiem", tai ir augsta izmaksu-efektivitātes attiecība un labi attīrīšanas rezultāti, tagad to plaši izmanto dažādu veidu rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanai. Reakcijas mehānisms piesārņojuma noņemšanai ar dzelzs-oglekļa mikro-elektrolīzes tehnoloģiju ir parādīts 4. attēlā, galvenokārt ietverot oksidācijas{10}reducēšanas reakcijas, flokulāciju un adsorbciju, elektroķīmisko bagātināšanu un fizisko adsorbciju.
1) Oksidācijas{1}}reducēšanās reakcijas
Dzelzs-oglekļa mikro-elektrolīzes tehnoloģija ievieto dzelzi (anodu) un oglekli (katodu) rūpnieciskajos notekūdeņos, veidojot galvanisku elementu, radot virkni oksidējošu un reducējošu vielu, kas noārda notekūdeņos esošos piesārņotājus. Dzelzs anoda elektrodu potenciāls E(Fe/Fe2+) ir -0,44 V, radot potenciālu atšķirību 1,2 V apmērā ar oglekļa katodu, ļaujot elektrodu reakcijām notikt pie abiem elektrodiem.
2) Flokulācija un adsorbcija.
Mikro-elektrolīzes reakcijas laikā anoda metāls korozējas, veidojot metāla jonus. Sārmainos apstākļos šie metālu joni veido hidroksīda flokus ar lielu īpatnējo virsmu, kas var ātri adsorbēt izšķīdušās organiskās vielas un suspendētās organiskās daļiņas rūpnieciskajos notekūdeņos. Ja floku blīvums ir lielāks par notekūdeņu blīvumu, cieto-šķidrumu var atdalīt, izmantojot aerāciju, flotāciju vai sedimentāciju.
3) Elektroķīmiskā bagātināšana.
Mikro{0}}elektrolīzes procesa laikā pie anoda un katoda notiek elektrodu reakcijas, starp tiem radot stabilu elektrisko lauku. Uzlādētās daļiņas un koloīdi notekūdeņos pārvietojas saskaņā ar pretēju lādiņu pievilkšanas principu zem elektrostatiskās pievilkšanas, kā rezultātā notiek elektroforēze. Galu galā uzlādētās daļiņas un koloīdi uzkrājas uz elektrodiem, panākot lādētu vielu izvadīšanu no ūdens, izmantojot elektroķīmisko agregāciju.
4) Fiziskā adsorbcija.
Pašlaik aktīvā ogle (AC) galvenokārt tiek izmantota kā katoda materiāls mikro-elektrolīzes iepakojumā. Tā daudzās iekšējās poras nodrošina tai spēcīgu adsorbcijas spēju, efektīvi adsorbējot gan organiskos piesārņotājus, gan smago metālu jonus notekūdeņos.
Dzelzs-oglekļa mikro-elektrolīzes tehnoloģija tiek plaši izmantota dažādu rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanā.
Optimālie procesa apstākļi diazonija sāls notekūdeņu attīrīšanai, izmantojot dzelzs -oglekļa mikro-elektrolīzes tehnoloģiju, ir: istabas temperatūra, sākotnējais notekūdeņu pH=2, šķidruma -un -cietās vielas attiecība 12:5 un reakcijas laiks 2,0 h. Šādos apstākļos ĶSP noņemšanas rādītājs sasniedz 60,28%.
Krāsošanas un drukas notekūdeņu attīrīšanai tika izmantots mikro-elektrolīzes process, kurā izmantoja dzelzs-oglekli. Optimālos reakcijas apstākļos ĶSP, duļķainības, krāsas, amonjaka slāpekļa un TOC noņemšanas ātrums notekūdeņos bija attiecīgi 75,48%, 87,88%, 75,34%, 92,01% un 81,09%. Process tika apstiprināts ar spektroskopisko un gāzu hromatogrāfijas-masu spektrometriju, lai efektīvi sadalītu piesārņotājus, piemēram, esterus un spirtus, pārvēršot tos mazas{10}}molekulāras organiskos piesārņojumos, kas ir viegli bioķīmiski apstrādājami.
Rafinēšanas notekūdeņu pirmapstrādei tika izmantota mikro-elektrolīzes sistēma, kurā tika izmantota nulles-valentā dzelzs un granulēta aktivētā ogle. Apstākļos, kad pH=3, nulles -valentā dzelzs deva ir 30 g/l, granulētā aktīvās ogles deva 5,75 g/L un reakcijas laiks 15 min, sistēma sasniedza ĶSP noņemšanas ātrumu 38,3% naftas pārstrādes rūpnīcu notekūdeņiem.
Galvenie procesa parametri
1. pH kontrole:
Skāba vide (pH=2~3): uzlabo katoda ūdeņraža izdalīšanās reakciju un veicina [H] veidošanos, taču ir jāizvērtē iekārtas korozijas risks.
Neitrāla pāreja: pH ir jānoregulē uz 8-9, lai nodrošinātu pietiekamu dzelzs jonu flokulāciju un izgulsnēšanos.
2. Novatoriska iepakojuma struktūra:
Pret-salipes dizains: izmantojiet dzelzs-oglekļa kompozītmateriālu daļiņas (piemēram, Fe/C@Al₂O₃) vai verdošā slāņa reaktorus, lai samazinātu blīvējuma pasivāciju.
Katalītiskā modifikācija: iekraušana ar metāliem, piemēram, Cu un Mn, uzlabo elektronu pārneses efektivitāti (ĶSP noņemšanas ātrumu var palielināt par 15%-20%).
3. Dinamiskā aerācijas vadība:
Gaisa -un-ūdens attiecība no 3:1 līdz 5:1 novērš iepakojuma salipšanu un nodrošina oksidētāju.
Intermitējošais aerācijas režīms (10 min aerācija, 20 min izslēgšana) var ietaupīt 30% enerģijas patēriņa.
4. Iepakojuma inženierijas dizaina parametri:
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.
Iepakojuma sakraušanas augstums: ieteicams 2,0–3,0 m, lai izvairītos no pārmērīga iepakojuma blīvuma.
Neto augstums: efektīvais reaktora augstums 1,2-1,5 m, ar 20% izplešanās telpu.
Dzelzs-oglekļa masas attiecība: no 3:1 līdz 5:1, palieliniet oglekļa attiecību lielas organiskās slodzes gadījumā.
Tehnoloģiju savienošana
1. Mikro-elektrolīzes-Fenton (ME-Fenton) kop-process
Mikro-elektrolīzes radītā Fe²⁺ izmantošana, lai katalizētu H₂O₂ in situ: Priekšrocības: nav nepieciešami ārēji dzelzs sāļi, dūņu veidošanās samazināta par 40%, piemērots augstas-koncentrācijas notekūdeņiem ar ĶSP > 5000 mg/L.
2. Mikro-elektrolīzes-Bioloģiskās metodes (ME-BAF) kombinācija
Procesa plūsma: mikro-elektrolīzes šūna → neitralizācijas sedimentācija → gāzēts bioloģiskais filtrs (BAF)
Sinerģiski efekti:
Mikro-elektrolīze noņem biotoksiskās vielas (piemēram, formaldehīdu un fenolu)
Uzlabo notekūdeņu bioloģisko noārdīšanos (BOD₅/ĶSP palielinās no 0,15 līdz 0,35-0,45)
Šķīstošo organisko vielu dziļa noņemšana ar bioloģiskām metodēm
3. Mikro-elektrolīzes-membrānas atdalīšanas tehnoloģija
ME-UF/MF: mikro-elektrolīzes floki kalpo kā pirmapstrāde pirms membrānas apstrādes, samazinot membrānas piesārņojumu un palielinot plūsmas atgūšanas ātrumu par 25%.
Nākotnes attīstības tendences
1. Procesa integrācija:
"Mikro-elektrolīzes-membrānas bioreaktors" (ME-MBR): mikro-elektrolīzes pirmapstrāde + bioķīmiskā uzlabošana + membrānas atdalīšana nodrošina gandrīz -nulles emisijas.
2. Materiāla funkcionalizācija:
Nano-nulles-valentā dzelzs-oglekļa kompozītmateriāls: īpatnējais virsmas laukums palielināts līdz 200 m²/g, reakcijas ātrums palielināts 3 reizes.
3. Inteliģentā vadība:
AI dinamiskās optimizācijas sistēma: pielāgo pH un aerācijas ātrumu reāllaikā, pamatojoties uz ūdens kvalitātes sensora datiem, samazinot enerģijas patēriņu par 15% ~ 25%.
