Електрохімічна очистка води в апаратах з розділювальною керамічною мембраною - Автореферат

Одним із шляхів удосконалення процесів водоочистки, особливо на локальних обєктах малої продуктивності, є використання компактних електрохімічних установок, які дозволяють в одному апараті проводити електроокислювальну очистку води від органічних домішок, її знезараження та помякшення. На сьогоднішній день на практиці використовуються, в основному, мембрани на основі полімерів. · розробити технологічні схеми очистки води з використанням запропонованих конструкцій апаратів. Вперше встановлено кількісну залежність ефективності електрохімічної очистки, знезараження та помякшення води (зміни солевмісту, ступеня окислення, виходу хлору за струмом) від технологічних параметрів електролізу в апаратах з розділювальною керамічною мембраною і визначено енерговитрати на проведення цих процесів. В результаті вивчення транспортних та електрофізичних властивостей керамічних мембран вітчизняного виробництва показано, що керамічні мембрани на основі оксидів алюмінію і цирконію мають прийнятну електропровідність, дифузійну і осмотичну проникність на рівні полімерних мембран і значно вищу корозійну стійкість в кислому, лужному і окислювальному середовищах.В другому розділі описано обєкти та методи досліджень: методики вивчення корозійної стійкості керамічних мембран, вимірювання їх електропровідності, дифузійної, осмотичної та електроосмотичної проникності в водних розчинах, а також оригінальні методики отримання анодів та мембранно-електродних блоків. Найбільший електроопір мають мембрани на основі глинозему (зразки 6 і 7) та мембрана, модифікована фосфатом цирконію (зразок 2). Але оскільки вуглецеве покриття, на відміну від діоксидномарганцевого, наскрізь пронизує мембрану, то використання такої мембрани, суміщеної з електродом, в електрохімічному апараті недоцільно, оскільки в цьому випадку реалізується по суті безмембранний процес. Так, при нанесенні на керамічну мембрану, суміщену з титановим струмопідводом, шару MNO2 отримано мембранний анод (М-анод), який має стабільні корозійні характеристики на рівні ТДМА і строк служби 2000 годин, протягом яких не відбувається забруднення отриманого гіпохлориту натрію продуктами руйнування аноду. Використання для отримання розчинів гіпохлориту натрію апарату з суміщенням керамічної мембрани з катодом і анодом всередині мембрани має свої переваги.На основі дослідження особливостей протікання процесів електрохімічної обробки води в апаратах з розділювальними керамічними мембранами визначені технологічні параметри і розроблені раціональні режими процесів очистки, знезараження і помякшення води, визначені енерговитрати на проведення цих процесів і запропоновані принципи створення нових конструкцій електрохімічних апаратів обробки води з використанням металооксидних анодів та керамічних мембран вітчизняного виробництва. Встановлено, що КМ на основі оксидів алюмінію і цирконію мають високу корозійну стійкість у кислих (0,13-0,2 %), лужних (0,2 %) і окислювальних середовищах (0,02 %), достатньо високу електропровідність (17,3 Ом?см) та проникність (дифузійну та осмотичну) на рівні полімерних мембран. Встановлено, що ТДМА і ОКТА мають задовільну корозійну стійкість, відповідно 0,033 і 0,038 мг/А?год. На прикладі фенолу та ГК вивчено процес електрокаталітичної очистки води від токсичних органічних сполук. Показано, що процес окислення лімітується дифузією і краще протікає в кислому середовищі, яке перешкоджає утворенню високомолекулярних сполук, що отруюють поверхню аноду.

Основний зміст

1. На основі дослідження особливостей протікання процесів електрохімічної обробки води в апаратах з розділювальними керамічними мембранами визначені технологічні параметри і розроблені раціональні режими процесів очистки, знезараження і помякшення води, визначені енерговитрати на проведення цих процесів і запропоновані принципи створення нових конструкцій електрохімічних апаратів обробки води з використанням металооксидних анодів та керамічних мембран вітчизняного виробництва.

2. Досліджені транспортні характеристики керамічних мембран вітчизняного виробництва, їх електропровідність і корозійна стійкість. Встановлено, що КМ на основі оксидів алюмінію і цирконію мають високу корозійну стійкість у кислих (0,13-0,2 %), лужних (0,2 %) і окислювальних середовищах (0,02 %), достатньо високу електропровідність (17,3 Ом?см) та проникність (дифузійну та осмотичну) на рівні полімерних мембран.

3. Вдосконалено методики одержання малозношуваних металооксидних анодів ОКТА і ТДМА. Визначені їх електрокаталітична активність та корозійна стійкість у хлоридних розчинах. Встановлено, що ТДМА і ОКТА мають задовільну корозійну стійкість, відповідно 0,033 і 0,038 мг/А?год. ОКТА відрізняється більш високою каталітичною активністю. Вихід за струмом гіпохлориту на ОКТА складає 85%, на ТДМА - не більше 40 %.

4. На прикладі фенолу та ГК вивчено процес електрокаталітичної очистки води від токсичних органічних сполук. В ідентифікованих продуктах анодного окислення шкідливих для здоровя речовин не виявлено. Показано, що процес окислення лімітується дифузією і краще протікає в кислому середовищі, яке перешкоджає утворенню високомолекулярних сполук, що отруюють поверхню аноду. Енерговитрати для зменшення концентрації фенолу від 10 мг/дм3 до норм ГДК (0,001 мг/дм3) складають 27,6 Вт?год/дм3. Для зниження концентрації ГК до норм ГДК рекомендовано проводити сорбційну доочистку води, оскільки зі зменшенням вмісту ГК в розчині різко зростають витрати енергії на її окислення.

5. Розроблені та захищені патентами на винаходи оригінальні конструкції паралельно-проточних електрохімічних апаратів з розділювальними КМ для електрохімічної обробки води. З метою зменшення енерговитрат та інтенсифікації процесу вперше запропоновано використовувати в апаратах мембранно-електродні блоки на основі керамічних мембран і металооксидних анодів або катодів.

6. Кількісно вивчено процес електрохімічного помякшення імітатів кальцієво-карбонатних вод півдня України, шахтної та морської води. Визначені загальна жорсткість і вміст іонів Ca2 і Mg2 в електрообробленій воді в залежності від концентрації і співвідношення цих іонів у вихідній воді, її гідрокарбонатної лужності та кількості пропущеної електрики. Показано, що для зниження жорсткості кальцієво-карбонатної води від 12 мг-екв/дм3 до норм ГОСТ 2874-82 на питну воду (7 мг-екв/дм3) потрібно витратити в середньому 0,3 Вт?год/дм3 електроенергії, а води магнієво-карбонатного класу такої ж концентрації - до 1,0 Вт?год/дм3.

7. На основі встановлених закономірностей електромембранних процесів і запропонованих конструкцій апаратів розроблені технологічні схеми електрохімічної очистки, знезараження і помякшення води, які включають вузли регенерації та промивки мембран і додатковий вузол сорбційної доочистки при наявності у воді залишкових органічних забруднень.

1. Production of sodium hipochlorite in an electrolyser equipped with a ceramic membrane / S.Yu. Bashtan, V.V. Goncharuk, R.D. Chebotaryova, V.N. Belyakov, V.M. Linkov // Desalination. - 1999. - Vol. 126. - Р. 77-82.

Особистий внесок здобувача: проведення пошуку літератури, постановка досліджень та експериментальне вивчення кінетики процесу отримання гіпохлориту натрію, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

2. Гончарук В.В. Влияние природы разделительной мембраны на электрохимический синтез гипохлорита натрия / В.В. Гончарук, С.Ю. Баштан, Р.Д. Чеботарева // Химия и технология воды. - 1999. - Т. 21, № 6. - С. 579-585. Особистий внесок здобувача: експериментальне дослідження параметрів процесу одержання гіпохлориту натрію в мембранному електролізері, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

3. Баштан С.Ю. Электрохимическая деструкция органических веществ в водных растворах / Баштан С.Ю., Гончарук В.В., Чеботарева Р.Д. // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 2000. - № 3. - С.28-30.

Особистий внесок здобувача: експериментальне дослідження процесу електрохімічної деструкції органічних речовин в водних розчинах в присутності оксидів перехідних металів, участь в інтерпретації результатів досліджень та написанні статті.

4. Получение гипохлорита натрия в электролизере с керамической мембраной / С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева, В.М. Линков // Электрохимия. - 2001. - Т. 37, № 8. - С. 912-915.

Особистий внесок здобувача: розробка конструкції електрохімічного апарату, постановка експериментальних досліджень, вивчення кінетики процесу отримання гіпохлориту, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

5. Баштан С.Ю. Химическая стойкость и электропроводность керамических мембран в водных растворах / С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева // Химия и технология воды. - 2001, - Т. 23, № 1. - С. 54-63.

Особистий внесок здобувача: постановка досліджень, експериментальне вивчення хімічної стійкості та електропровідності керамічних мембран, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

6. Баштан С.Ю. Влияние качества хлорида натрия на параметры процесса электрохимического синтеза гипохлорита натрия / С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева // Химия и технология воды. - 2001. - Т. 23, № 4. - С. 364-370.

Особистий внесок здобувача: постановка експериментальних досліджень та вивчення впливу якості хлориду натрію на параметри процесу отримання гіпохлориту натрію, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

7. Чеботарева Р.Д. Электрокаталитическая деструкция гуминовых кислот в процессах водоподготовки / Р.Д. Чеботарева, С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2001. - Т. 23, №5. - С. 501-509.

Особистий внесок здобувача: експериментальне вивчення закономірностей протікання процесу електрохімічної деструкції ГК, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

8. Гончарук В.В. Электрохимическое обеззараживание морской воды в плавательном бассейне / В.В. Гончарук, С.Ю. Баштан, Р.Д. Чеботарева // Химия и технология воды. - 2003. - Т. 25, №4. - С. 334-341.

Особистий внесок здобувача: розробка конструкції апарату, вибір та виготовлення малозношуваних анодів, експериментальне дослідження параметрів процесу знезараження морської води, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

9. Умягчение воды в электролизере с керамической мембраной / В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева, В.А. Багрий, С.Ю. Баштан, С.В. Ремез // Химия и технология воды. - 2005. - Т. 27, №5. - С. 460-470.

Особистий внесок здобувача: вибір та виготовлення малозношуваних анодних матеріалів, проведення експериментів з електрохімічного помякшення води, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

10. Пат. України №33390А; МПК6 С 25 В 1/02. Спосіб одержання мембранно-електродного блоку для електрохімічних процесів / Гончарук В.В., Баштан С.Ю., Чеботарева Р.Д.; заявник та власник Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України. - №99020915; заявл. 17.02.99; опубл. 15.02.2001, Бюл. №1.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, розробка методики одержання мембранно-електродного блоку, участь у написанні патенту на винахід.

11. Пат. України №49535А; МПК6 С 02 F 1/02. Пристрій для електрохімічної обробки води / Гончарук В.В., Баштан С.Ю. , Чеботарева Р.Д.; заявник та власник Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України. - №2001128911; заявл. 21.12.2001; опубл. 16.09.2002. Бюл, №9.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, розробка конструкції пристрою, участь у написанні патенту на винахід.

12. Bashtan S.Yu. Application of ceramic membrane for electrochemical water treatment / S.Yu. Bashtan, V.V. Goncharuk, R.D. Chebotareva // “CERECO’2000”: the 3rd International Conference on Carpathian Euroregion Ecology, 21-24 May. 2000: Proceedings. - Hungary, Miskolc-Lillafured, 2000. - P. 155-159.

Особистий внесок здобувача: постановка експериментальних досліджень, проведення експериментів з електрохімічної обробки водних розчинів, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні тез, участь у конференції.

13. Bashtan S.Yu. The electrooxidation of phenol derivatives and humic acid on the surface of alternating valence metal oxides / S.Yu. Bashtan, V.V. Goncharuk, R.D. Chebotareva, D. Morze // The 5th Ukrainian-Polish Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications: 4-9 September, 2000: Abstr. - Odessa, SCSEIO, 2000. - P. 8. Особистий внесок здобувача: постановка експериментальних досліджень, вивчення впливу природи оксиду металу на процес електрохімічного окислення органічних речовин, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні тез.

14. Баштан С.Ю. Исследование физико-химических свойств керамических мембран / С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий: междунар. конф., 18-22 сент. 2000 г.: тезисы докл. - пос. Кацивели, Автономная Республика Крым, 2000. - С. 325.

Особистий внесок здобувача: постановка експериментальних досліджень, вивчення хімічної стійкості та електропровідності керамічних мембран, участь в інтерпретації результатів та написанні тез, участь у конференції.

15. Баштан С.Ю. Изучение кинетики и механизма электрохимического окисления фенола в водных растворах / С.Ю. Баштан, В.В. Гончарук, Р.Д. Чеботарева // Электрохимия, гальванотехника и обработка поверхности: междунар. конф., и выставка, 4-8 июня 2001 г.: тезисы докл. - Москва, 2001. - С. 152.

Особистий внесок здобувача: експериментальне дослідження процесу електрохімічної деструкції органічних речовин в водних розчинах в присутності оксидів перехідних металів, участь у інтерпретації результатів досліджень та написанні тез, участь у конференції.

16. Баштан С.Ю. Використання малозношуваних анодних матеріалів в процесах електрохімічної обробки води / С.Ю. Баштан, В.І. Будько // Охорона водного басейну та контроль якості води: наук. конф. молодих учених, 22-23 квітня 2004 р.: тези доп. - К.: НАН України, ІКХХВ НАН України, 2004. - С. 3-4.

17. Будько В.І. Дослідження електрокаталітичної активності малозношуваних анодних матеріалів в процесах електрохімічної обробки води / В.І. Будько, В.А. Багрій, С.Ю. Баштан // Екологія. Людина. Суспільство: VII міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів та молодих вчених, 13-15 травня 2004 р.: тези доп.- К.: НТУУ КПІ, С. 92.

Особистий внесок здобувача в [16,17]: постановка експериментальних досліджень, розробка малозношуваних анодних матеріалів та проведення експериментів з дослідження їх електрокаталітичної активності, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні тез.

18. Bashtan S. Disinfection of the swimming pool with seawater by electrochemical method / S. Bashtan, V. Goncharuk, R. Chebotareva, V. Bagrii // The 3-d Intern. Conf. Ecological Chemistry 2005: May 20-21, 2005: abstr. - Republic of Moldova, Chisinau, 2005. - P. 486-487.

Особистий внесок здобувача: постановка експериментальних досліджень, проведення експериментів з електрохімічної обробки імітатів морської води, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні тез.