Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ применяемых физико-химических способов очистки стоков от тяжелых металлов. воздействие ультразвука на физико-химические процессы (обзор литературы) 8
1.1 Анализ применяемых физико-химических способов очистки стоков от тяжелых металлов 8
1.2 Воздействие ультразвука на физико-химические процессы 15
1.2.1 Анализ общих характеристик ультразвуковых колебаний и источников их генерации 15
1.2.2 Воздействие ультразвука на химические реакции и электрохимические процессы 17
1.2.3 Применение ультразвука в химической технологии 20
2 Экспериментальные исследования 26
2.1 Методические аспекты выполнения работы 26
2.1.1 Химический анализ отработанных электролитов 34
2.1.2 Разработка лабораторной установки для проведения исследований очистки сточных вод от тяжелых металлов с использованием ультразвука 35
2.2 Изучение зависимости коэффициента диффузии ионов тяжелых металлов в процессе очистки с ультразвуковой интенсификацией. Поиск наиболее эффективных сочетаний ультразвука и традиционных методов очистки (лабораторные исследования) 36
2.2.1 Электрокоагуляционный метод очистки 36
2.2.2 Дополнительная флотационная реагентная очистка вод от кадмия. Изучение воздействия ультразвука на процесс очистки в сочетании с озонированием 42
2.2.3 Обобщенный анализ результатов экспериментов на лабораторной установке и обоснование выбора технологических параметров и количества ступеней очистки сточных вод от тяжелых металлов 46
2.2.4 Расчет коэффициента диффузии ионов тяжелых металлов 50
3 Планирование эксперимента и исследование процесса очистки на пилотной установке 60
3.1.1 Описание методик экспериментов на пилотной установке 60
3.2 Планирование эксперимента и получение регрессионных зависимостей 61
3.3 Изучение характеристик процесса очистки на пилотной установке... 68
3.3.1 Исследование расходных характеристик электродов 76
3.3.2 Определение рН очищаемого раствора 76
3.3.3 Температура очищаемого раствора 78
3.3.4 Удельная электрическая проводимость очищаемого раствора '.. 80
3.3.5 Определение чисел переноса ионов тяжелых металлов 80
3.3.6 Газосодержание раствора 81
3.3.7 Электрическое напряжение процесса очистки 83
3.3.8 Диаметр частиц 84
3.4 Расчет коэффициента диффузии ионов тяжелых металлов и критериальное обобщение результатов экспериментов на пилотной установке 86
3.4.1 Критериальное обобщение результатов экспериментов на пилотной установке 87
4 Разработка принципиальной технологической схемы очистки стоков от тяжелых металлов, содержащей ультразвуковое оборудование и инженерной методики расчета процесса очистки стоков от тяжелых металлов с ультразвуковой интенсификацией 97
4.1 Разработка технологической схемы очистки стоков от тяжелых металлов, содержащей ультразвуковое оборудование 97
4.2 Разработка методики расчета параметров процесса очистки стоков от тяжелых металлов с использованием ультразвуковой интенсификации 102
Основные выводы и результаты 121
Список литературы
- Анализ общих характеристик ультразвуковых колебаний и источников их генерации
- Разработка лабораторной установки для проведения исследований очистки сточных вод от тяжелых металлов с использованием ультразвука
- Планирование эксперимента и получение регрессионных зависимостей
- Разработка методики расчета параметров процесса очистки стоков от тяжелых металлов с использованием ультразвуковой интенсификации
Введение к работе
Актуальность работы. Улучшение экологической обстановки за счет повышения эффективности очистки стоков и снижения удельных энергозатрат на эти процессы является одной из важнейших проблем.
Установлено, что тяжелые металлы даже при малых концентрациях могут оказывать канцерогенное воздействие на здоровье человека, вызывать тяжелые паталогии жизненно важных органов, вызывать хрупкость костной ткани. Большую опасность представляют тератогенные свойства тяжелых металлов[5].
Источниками загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами служат различные отрасли народного хозяйства: в первую очередь гальваническое производство, а также кожевенное, предприятия машиностроения, черной и цветной металлургии [5,2].
В условиях жестких требований к качеству очистки воды, роста стоимости аренды производственных площадей и политики государства, направленной на поддержку и развитие промышленных предприятий, включая малые и средние [152-154], возникает необходимость в совершенствовании существующих технологий очистки, решающих задачи:
снижения эксплуатационных затрат,
экономии ресурсов,
компактности и простоты конструкций очистных сооружений.
Чаще всего, в производственной практике для удаления тяжёлых металлов используют реагентный и электрокоагуляционный методы очистки. Недостатками этих способов являются высокий расход реагента и электроэнергии, большая величина площадей, занимаемая очистными сооружениями и их высокая стоимость [2-9].
Решение этой проблемы лежит в применении технологии очистки, позволяющей во-первых использовать недорогое, компактное, но эффективное оборудование и во-вторых - снижать эксплуатационные затраты. Поэтому перспективным представляется проведение комплекса исследований, решающих задачу интенсификации традиционных способов очистки сточных вод.
Одним из перспективных, но малоизученных методов воздействия на вещества для интенсификации технологических процессов является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона. Известно, что наиболее успешно ультразвуковые колебания (УЗ) используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные
энергетические воздействия на различные вещества [31-36].
В зависимости от параметров ультразвуковой обработки, количественного и качественного состава обрабатываемой среды, конструкции применяемого аппарата воздействие УЗ колебаний на различные технологические процессы в жидких средах позволяет изменить скорость процессов, протекающих между двумя или несколькими неоднородными средами, сюда относятся: растворение, очистка, обезжиривание, дегазация, крашение, измельчение, пропитка, эмульгирование, коагулирование, диспергирование, экстрагирование, кристаллизациы, полимеризацию, гомогенизациы, химические и электрохимические реакции и др [32,34,35].
Учитывая столь широкий диапазон воздействия акустических колебаний, высокую токсичность стоков, содержащих тяжелые металлы, а также недостатки традиционных методов очистки, создающих препятствия развитию малых и средних промышленных производств, представляется актуальной проблема изучения воздействия ультразвука на традиционные физико-химические методы обезвреживания стоков и решение задачи внедрения в производство ультразвуковой интенсификации.
Цель работы:
Разработка инженерной методики расчета процесса очистки стоков от тяжелых металлов с ультразвуковой интенсификацией;
Изучение влияния ультразвуковой обработки в сочетании с традиционными физико-химическими методами очистки;
Определение транспортных свойств ионов тяжелых металлов в процессе очистки стоков традиционными физико-химическими методами в сочетании с ультразвуком.
Научная новизна.
Разработана инженерная методика расчета процесса очистки стоков от тяжелых металлов с ультразвуковой интенсификацией;
Установлено наиболее эффективное сочетание ультразвука и традиционных физико-химических методов очистки. Получены эмпирические соотношения для концентрации тяжелых металлов (Cd, Си, Сг) в зависимости от химического количественного и качественного состава и учитывающие технологические параметры очистки.
Определена зависимость коэффициента диффузии ионов тяжелых металлов в многокомпонентном растворе от параметров ультразвукового и электрического поля;
Практическая значимость. Разработаны принципиальная технологическая схема и аппарат процесса очистки стоков от тяжелых металлов с ультразвуковой интенсификацией. Полученные результаты могут быть использованы при модернизации действующих и проектировании новых систем очистки сточных вод от тяжелых металлов.
На защиту выносятся:
Методика расчета процесса очистки стоков от тяжелых металлов с ультразвуковой интенсификацией.
Результаты экспериментального исследования воздействия ультразвука на физико-химические процессы очистки стоков от тяжелых металлов;
Эмпирические уравнения изменения концентрации загрязнений от параметров ультразвуковой и электрокоагуляциошюй обработки учитывающие начальные концентрацию загрязнений и уровень удельной электропроводности стока;
Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору
технических наук, профессору, члену-корреспонденту РАН Систеру В.Г., доктору
технических наук, профессору Гонопольскому A.M., а также кандидату технических
наук, профессору Николайкиной Н.Е. за методическую помощь, полезные советы и
участие в обсуждении научных результатов.
Анализ общих характеристик ультразвуковых колебаний и источников их генерации
Химическое действие акустических колебаний отличается большим разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые химические реакции за счет: эмульгирования некоторых жидких компонентов; диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов; дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции; интенсивного перемешивания и т.д.
Известно два типа химического действия акустических колебаний. К первому относятся реакции, которые ускоряются в ультразвуковом поле, но могут протекать и в его отсутствие с меньшей скоростью. Ко второй группе эффектов относятся реакции, которые без воздействия ультразвуковых колебаний не протекают совсем. Реакции этого типа в зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов, можно разделить на следующие шесть классов [56]:
1) Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;
2) Реакции между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не могут осуществляться в растворе при воздействии радикальных продуктов расщепления воды);
3) Цепные реакции в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;
4) Реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимера и инициированная его полимеризации, которые могут идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения, возникающие под действием ультразвука, микропотоки;
5) Инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высокиих температур при схлопывании кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;
6) Звукохимические реакции в неводных средах.
Под действием ультразвуковых колебаний при схлопывании кавитационного пузырька возможно образование радикалов по реакции [72]: Н20-»Н + ОН . (а)
Образованные радикалы в зависимости от условий дают другие химические соединения и свободные радикалы [37, 75, 72, 79]: О, Н02, Н20 , Н20+, ОН , Н202, ОН, Н.
Эти активные частицы после, переходя в раствор, сольватируются и реагируют с растворенными веществами. Здесь осуществляется так называемое косвенное действие акустических колебаний. Кроме того, возможны и реакции [37, 75, 79]: Н20-»Н20++е-, (б) Н20 - Н++ОН\ (в) Н20 - Н +ОН , (г) НЧ-Ог+НОД (д) ОН +Н2- Н + Н20. (е)
Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул Н20, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости.
Любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвуя в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других процессах. Действие ультразвука на вещества, проникающие в полость, является непосредственным, прямым.
Под действием ультразвуковых колебаний растворенный в водной среде азот превращается в N2+, N , N [37, 75], преобразующиеся в дальнейшем в NO+, NO, N02, и другие продукты [82]. Выявленные эксперементально первичные и вторичные эффекты химического воздействия ультразвукового поля позволяют объяснить интенсификацию многих реакций [73, 78-85, 112].
Обработка сред акустическими колебаниями сопровождается отклонениями плотности и давления от их равновесных значений. Эти отклонения, несмотря на незначительную величину, достаточны для изменения свойств среды, влияющих на скорость электрохимических процессов.
Распространение ультразвуковых колебаний в среде, с помещенными в нее электродами вызывает периодическое изменение их потенциала и способствует поляризации электродов [37-39, 52, 58-62].
Воздействие ультразвуковых колебаний способствует[46, 89-96]: увеличению скорости осаждения на электроде металла (за счет увеличения предельно допустимых плотностей тока); снижению перенапряжения на катоде; более эффективной очистке поверхности электрода; улучшению качества полученного при электролизе металла; изменению поляризации электродов и кинетики окислительно-восстановительных электродных реакций; нарушению пассивирующей пленки; изменению коэффициента диффузии; выравниванию концентраций у поверхности электродов; дегазацией электролита изменению проводимости [77, 89, 92-96, 98-101,143-146].
Ультразвук резко увеличивает значение предельного тока полярографического восстановления ионов металлов [94]. Этот эффект может быть обусловлен уменьшением вязкости полярографируемого раствора (увеличение коэффициента диффузии) и возможным уменьшением толщины диффузионного слоя на 1- 2 порядка.
Вместе с тем, по данным работы [61] ультразвук интенсивностью 0,15 -0,3 Вт/см2 и частотой колебаний 30 кГц ухудшил равномерность распределения металлов (меди) на катоде. Замечено, что при более высокой интенсивности акустических колебаний равномерность распределения меди снижалось.
Ультразвук способствует увеличению плотности тока (в 2-5 раз). Этот параметр тем выше, чем более отрицателен потенциал. Отмечено, что ультразвук более существенно влияет на увеличение плотности тока, чем воздействие температуры [99].
Исследования, проводимые в рамках работ [102-105] обнаружили как увеличение, так и уменьшение проводимости жидкостей. Причина такого эффекта кроется в образовании при протекании кавитации различных продуктов звукового разложения воды, кислорода, азота. Диспергирующим действием звуковых волн на «оторванные» с поверхности электродов загрязнения, по данным работы [106] объяснялся эффект повышения электропроводимости жидкостей диэлектриков. Дальнейшие исследования [106, 107] установили, что причиной такого поведения жидкостей-диэлектриков является образование комплексов, расщепляемых до ионов в акустическом поле.
Разработка лабораторной установки для проведения исследований очистки сточных вод от тяжелых металлов с использованием ультразвука
Электрокоагуляционная очистка от меди (лабораторная ячейка V=500 мл) Результаты экспериментов, выявляющих степень влияния ультразвуковой обработки на процесс электрокоагуляционной очистки от меди (исходная концентрация по меди составляла 200 мг/л) при различных значениях плотности тока показана на рис. 5. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие заключения:
1) в ультразвуковом поле наибольшее относительное (относительно контрольной серии) увеличение скорости электрокоагуляционной очистки от меди наблюдается при низкой плотности тока (рис. 5);
2) при более низкой плотности тока даже в ультразвуковом поле процесс электрокоагуляционной очистки не достигает необходимой глубины (рис.5). При плотности тока 1 мА/см в ультразвуковом поле удается достигнуть концентрации меди 22 мг/л, что выше значения ПДК меди - 5 мг/л;
3) при увеличении плотности тока хотя и уменьшается эффективность влияния ультразвукового воздействия на электрокоагуляционную очистку от меди, но в ультразвуковом поле спустя 30 мин обработки удается снизить концентрацию меди до уровня ПДК по меди (5 мг/л) (рис. 5). Электрокоагуляционная очистка вод от цинка носит точно такой же характер, как и для меди. На рис. 6 в качестве примера представлены графики зависимости концентрации цинка от времени электрокоагуляционной обработки в ультразвуковом Рис. 6 Электрокоагуляционная очистка от цинка (лабораторная ячейка V-500 мл) При электрокоагуляционной очистке вод от хрома (VI) обнаружено, что при низкой плотности тока (1 мА/см2) различие в скорости очистки между ультразвуковым и контрольным экспериментами не превышает 30% (рис. 7 а, б, в).
При увеличении плотности тока (2,5 мА/см2) скорость очистки в ультразвуковом поле становится более высокой, чем без него в контрольном эксперименте. При еще более высокой плотности тока (4 мА/см ) эффект от воздействия ультразвука на процесс электрокоагуляционной очистки еще более заметен. Это подтверждают Электрокоагуляционпая очистка от хрома (лабораторная ячейка У=500мл) а) і=1 мА/см2; б) і=2,5 мА/см2; в) і=4 мА/см2 зависимости средней скорости очистки вод от хрома от плотности тока, которые показывают, что при увеличении плотности тока скорость очистки в ультразвуковом поле увеличивается быстрее, чем в контрольной серии, (рис. 8, 9). В контрольных экспериментах (без ультразвука) удаление хрома протекает так, что концентрация хрома (VI) не снижается ниже величины 10,7 мг/л даже спустя 40 минут обработки (рис. 7 в).
В то же время при ультразвуковой обработке уже через 20 мин электрокоагуляционнои очистки с высокой плотностью тока концентрация хрома (VI) снижается ниже величины ПДК хрома - 5 мг/л. Стоит заметить, что в случае электрокоагуляционнои очистки вод от хрома при увеличении плотности тока эффект влияния ультразвука на скорость очистки увеличивается (рис. 7 в). могут удаляться и в результате процесса адсорбции на поверхности гидроксида алюминия, образующегося при растворении алюминиевого анода.
Из предварительного анализа литературных данных было известно, что кадмий является одним из наиболее трудноудаляемых с помощью электрокоагуляции тяжелых металлов [2-9].
Учитывая этот факт, а также то, что концентрации кадмия в стоках гальванического цеха не столь высоки по сравнению с таковыми для меди (см. табл. 4), кинетические закономерности электрокоагуляционнои очистки вод от кадмия изучались на растворах с относительно невысокой исходной концентрацией по кадмию 20 мг/л (рис. 10 а,б).В случае с кадмием при повышении плотности тока степень влияния ультразвуковой обработки (относительно контрольной серии) на скорость электрокоагуляционной очистки практически не изменяется, а скорость очистки при любой плотности тока в ультразвуковом поле приблизительно на 86% выше таковой в контрольной серии (рис. П)
При электрокоагуляционной очистке растворов, содержащих одновременно медь и кадмий (Сси=Ю0 мг/л, Сса=5 мг/л) (рис. 12), было замечено, что скорость удаления меди заметно больше скорости удаления кадмия, а в ультразвуковом поле скорость очистки как меди, так и кадмия значительно выше, чем без использования ультразвука в контрольной серии.
Планирование эксперимента и получение регрессионных зависимостей
Наиболее «трудным» для удаления металлом оказался кадмий. Но для нужд производства требуется знание динамики процесса очистки и для других металлов (Си, Сг).
По результатам экспериментов в качестве воздействующих на эффективность очистки факторов бьши выбраны параметры, которые с одной стороны доказали свою «причастность» к изменению скорости процесса очистки в результате экспериментов, а с другой - будут легко управляемы при внедрении УЗ методов интенсификации в реальных условиях: 1. Начальная удельная электропроводность раствора гео, Си/и; 2. Начальная концентрация загрязнений Сиач, мг/л; 3. Время обработки t, мин; 4. Токовая нагрузка і, мА/см ; 5. Амплитуда колебаний L, мкм.
Удельная электропроводность раствора учитывает его химический количественный и качественный состав. Если, составляя план эксперимент для пяти вышеозначенных факторов одновременно задавать и начальные удельную электропроводность и концентрацию загрязняющего компонента, то может возникнуть ситуация, когда удельную электропроводность придется корректировать (например добавлением раствора едкого кали или хлорида натрия). В свою очередь изменит размеры гидратной оболочки ионов, создаст промежуточные химические соединения, которые не образуются в реальном стоке. Следствием этого станет изменение скорости химических реакций, в том числе и скорости очистки. Полученные при таком планировании эксперимента эмпирические зависимости будут содержать в себе ошибку и давать неверные результаты.
Вместе с тем, в ходе экспериментов замечено изменение температуры раствора, причем ее абсолютное значение зависит от количества энергии вводимой в раствор (см. рис. 20, 21) и способности среды поглощать ее:
1) Ультразвуковая энергия, вводимая в раствор, затухая, поглощается средой, часть этой поглощенной энергии переходит в тепловую [150].
2) Электрическая энергия, подводимая к электродам, в основном расходуется на осуществление электрохимических превращений и на создание в жидкости направленного движения заряженных частиц. При этом мерой поглощения подводимой к раствору электрической энергии служит удельная электропроводность среды, обратно пропорциональная сопротивлению. Очевидно, что чем ниже способность среды проводить электрический ток, тем больше ее способность к поглощению подводимой электрической энергии [148, 149]. Поглощение этой энергии может выражаться в увеличении температуры среды.
Ввиду совместного, одновременного воздействия ультразвука и электрического тока на очищаемый раствор, следует ожидать, что повышение температуры среды (Т) в результате обработки электрическим током и ультразвуком будет зависеть от параметров ультразвука, плотности тока и физико-химических свойств среды. Принимая во внимание приведенные выше рассуждения, температура обрабатываемой среды зависит: от времени озвучивания (t), плотности тока (і), амплитуды УЗ колебаний (L) и от удельной электропроводности среды(гео). Эти выводы подтверждают экспериментальные данные, полученные в работе (см. рисунки по изменению удельной электропроводности и отношению энергий).
Возвращаясь к задаче планирования эксперимента и проблеме совмещения начальных удельной электропроводности и концентрации загрязнения, представляется целесообразным сначала спланировать эксперимент для получения зависимости изменения температуры от: начальной удельной электропроводности, плотности тока, амплитуды колебаний, времени обработки (T=f(so, Ь L, t)).
Затем, уже зная вид функции T=f(a;o, і, L, t) составить план эксперимента позволяющего получить эмпирическую зависимость остаточной концентрации загрязнений всего для двух факторов: 1) начальной концентрации загрязнений; 2) температуры, причем последний фактор для целей планирования эксперимента легко будет рассчитать.
Стоит отметить, что эмпирическая зависимость T=f(a2o, і, L, t) с учетом физико-химических свойств среды, позволит оценивать 1) технологические режимы обработки стоков в процессе очистки (i, L); 2) его продолжительность (t).
Изложенный выше метод планирования эксперимента позволит учитывать изменение химического состава среды подвергаемого процессу очистки, что позволит применять полученные таким способом уравнения и для модельных стоков, и для реальных. К тому же применение приемов планирования экспериментов минимизируется количество опытов [69, 87, 97,147].
Максимальные и минимальные уровни варьирования факторов (a;o,i,L,t) выбирались на основе анализа проведенных исследований (см. результаты экспериментов) и литературных данных [1-11].
Для получения T=f(a2o,i,L,t) были взяты реальные растворы. Процесс очистки проводился на пилотной установке.
В промышленных условиях при проведении процесса электрокоагуляциониой очистки с целью получения условий благоприятных для образования гидроксидов (на которых сорбируются зягрязнения) корректируют рН стоков и поддерживают его в интервале: от начала гидратообразования, до начала их растворения [2,5]. Поэтому, в случае экспериментов начальный уровень рН корректировался до рекомендуемого, после чего измерялась его удельная электропроводность.
Для получения регрессионной зависимости T=f(aso,i,L,t) был составлен план эксперимента для четырех факторов (таблица 10) [69, 87, 97, 147]. Значения и расшифровка варьируемых факторов сведены в таблицу 11. При обработке экспериментальных данных в программном комплексе Statistica 6.0 получено регрессионное уравнение: Т=17,30+140,20-аз0 - 0,40i+0,3L+0,15t - 3,02-ге0і - 17,96-as0L (4) - 4,57 ге0 t+0,03iL+0,06it+0,01Lt Адекватность, погрешность данной модели и значимость найденных коэффициентов оценивалось программным комплексом Statistica 6.0 автоматически. Погрешность данного уравнения по отношению к экспериментальным данным составила 11,2%.
Температура среды влияет на подвижность ионов. Данная величина связана с коэффициентом диффузии, а значит и со скоростью массообменных процессов.
В полученном регрессионном уравнении самый большой коэффициент оказался при начальной удельной электропроводности, но размерная величина при этом коэффициенте имеет порядок 10"2, следовательно, величина данного члена уравнения имеет порядок единиц. Порядок амплитуды колебаний - десятки, плотности тока, единицы, времени - от единиц в начале обработки, до десятков в конце.
Разработка методики расчета параметров процесса очистки стоков от тяжелых металлов с использованием ультразвуковой интенсификации
В результате УЗ воздействия наблюдается процесс кавитации. Волны, возникающие при захлопывании кавитационных полостей способствуют измельчению веществ и диспергированию. Другая причина этого явления - уменьшение поверхностного натяжения вследствие повышения температуры и давления в множестве схлопывающихся кавитационных пузырьков. Диспергирование, в свою очередь увеличивает площадь межфазной поверхности, что может стать причиной ускорения протекающей на ней химической реакции. Вместе с тем наличию большого количества мелких диспергированных частиц в системе - отвечает энергетически не выгодное для нее состояние. Поэтому наблюдается и обратный процесс - коагуляция. Существует несколько гипотез механизмов коагуляции: 1. Дифракция УЗ энергии и образование стоячих волн. 2. Электрические силы. Под действием УЗ волн нарушается симметрия двойного электрического слоя вокруг отдельных частиц и появляется дипольный момент. Вследствие появления заряда частицы приклеиваются друг к другу.
Вводимые ультразвуковые колебания: 1. турбулизируют поток обрабатываемой жидкости; 2. интенсифицируют подвод исходных реагентов к поверхности раздела фаз (электрод-жидкость, продукты гидролиза-ионы тяжелых металлов -ионы тяжелых металлов) облегчая тем самым сорбционную стадию химической реакции и влияя в конечном итоге на скорость химической реакции в целом;
3. очищают поверхность электродов от пассивирующей пленки (при определенных условиях, характеризующихся достаточным количеством активного кислорода, образующегося в процессе кавитации и способного вступить в химическую реакцию с оксидной пленкой);
4. способствуют процессу коагуляции (при определенных значениях частоты и амплитуды колебаний, так как при других значениях этих параметров возможен обратный процесс - диспергирование);
5. повышают температуру обрабатываемой среды
Первые четыре воздействия способствуют увеличению скорости очистки от загрязнений. Пятое воздействие интенсифицирует процесс очистки до определенного момента. Рассмотрим это явление подробней.
Повышение температуры наряду с увеличением подвижности ионов и связанного с этим увеличением коэффициента диффузии, способствует конкурентным процессам десорбции. Таким образом, для процесса очистки существуют пределы температур, при которых конкурентные процессы десорбции малы и эффективность высока. В свою очередь на значение температуры в обрабатываемой среде влияют два фактора: 1) Количество энергии вводимой в раствор за счет электрокоагуляции и 2) Количество энергии вводимой в раствор за счет ультразвука.
Первый фактор определяется значением плотности тока (і) и связанного с этой величиной напряжением проведения процесса (U). Очевидно, что чем выше плотность тока, тем большее количество энергии (Q„) будет вводится: Q„=i S„ U (20) где S3Jl - площадь поверхности электродов.
Второй фактор будет определяться амплитудой колебаний (L) (частоту колебаний (f) не берем в расчет, так как в работе этот фактор не варьировался), чем она выше, тем выше связанное с этой величиной значение интенсивности ультразвука (Мабщ) а значит - тем больше количество энергии вводимой в раствор: Я at =n (2 n2 p ay3 L2 f) S (21) где п - количество волноводов; S - площадь поперченного сечения каждого из них; ауз - скорость ультразвука в данной среде.
Вместе с тем количественные значения этих факторов (Q3.qNo6u)) зависят от
свойств среды: изменяющихся во времени: ее плотности, наличия газов, поляризационных и депассивационных явлений, вязкости, то есть можно говорить о некоем сопротивлении среды, а значит и о взаимном влиянии наблюдаемой температуры и номинальными (подаваемыми на протекание процесса) значениями силы тока и амплитуды колебаний.
В разные моменты времени энергия, вводимая в раствор расходуется по разному: в начальный момент времени двойной электрический слой не «успел» полностью построиться и образовать вблизи электродов препятствие для подвода к нему (и отвода от него) ионов из раствора (ионов алюминия). Со временем эти эффекты «набирают силу».
Количество ультразвуковой энергии вводимой в раствор также изменяется. Вследствие образования кавитационных пузырьков, пузырьков газа - продуктов электрохимических реакций, накапливания и роста в растворе хлопьев гидроксида алюминия изменяется коэффициент затухания ультразвуковых колебаний: в начальный момент времени он меньше, в конце - больше.
Резюмируя вышесказанное можно понять почему зависимость повышения температуры раствора от времени имеет слабый экспоненциальный, а не линейный характер (рис. 20,21, 45-47 ): со временем поглощение средой вводимой энергии увеличивается, то есть ее сопротивление становится выше, и если раньше эта энергия шла на образование потоков (ультразвук), протекание электрохимических реакций (электрический ток), то в дальнейшем состояние среды оказывается таким, что энергия «гаснет» в ней, в большей степени расходуясь не рационально, приводя к увеличению температуры.
Для более наглядного представления полученных экспериментальных данных построим поверхности, отражающие зависимость концентрации тяжелых металлов от температуры и скорости очистки (Рис. 70,71).
