способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод от нефтепродуктов, включающий обработку воды электролитически полученными газовыми пузырьками и удаление нефтешлама, отличающийся тем, что очищаемую сточную воду подают в катодную камеру электрофлотатора и обрабатывают пузырьками водорода, флотошлам удаляют и из него извлекают газообразный водород, очищенную от диспергированных загрязнений воду за счет рециркуляции подают в анодную камеру электрофлотатора и насыщают пузырьками кислорода, затем оба потока смешивают, проводят очистку путем фильтрования воды в гранулированном каталитическом материале, из доочищенной воды извлекают газообразный кислород, причем извлеченные газообразный водород и кислород подают раздельно в водородную и кислородную камеры топливного электрохимического источника тока, электрическую энергию которого используют для проведения электрофлотации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в анодную камеру подают 5-10% от общего расхода воды.

3. Устройство для электрохимической очистки сточных вод, включающее электрофлотатор с катодом, анодом, источником электропитания, системой сбора флотошлама, отличающееся тем, что электрофлотатор содержит катодную и анодную камеры, разделенные мембраной, две системы электродов, состоящие из анода и катода, причем первая система электродов подключена к источнику питания постоянного тока, а вторая - к топливному электрохимическому источнику тока, катодная камера разделена на секции вертикальными перегородками, примыкающими верхней частью к пеносборному устройству, выход анодной и катодной камер объединен одной полостью, электрофлотатор имеет также камеру доочистки, заполненную гранулированным каталитическим материалом, отделенную от катодной камеры вертикальной перегородкой, кроме того, электрофлотатор снабжен системой рециркуляции очищенной воды, дегазатором флотошлама и накопителем флотошлама, дегазатором доочищенной воды, причем дегазаторы раздельно соединены с водородной и кислородной камерами топливного электрохимического источника тока, в которых расположены пористые металлические электроды, частично гидрофобизированные.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что катоды электрофлотатора выполнены из нержавеющей металлической сетки, аноды - из графита.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что мембрана изготовлена из капроновой ткани.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что количество вертикальных перегородок в катодной камере равно 4, а их высота равна 0,5 высоты камеры.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что анодная камера топливного электрохимического источника тока заполнена пористым скелетным никелем, легированным титаном, катодная камера - скелетным пористым серебром, причем поверхность пористых электродов, обращенная к газу, гидрофобизирована с помощью графитовых смазок.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что топливный электрохимический источник тока заполнен однонормальным раствором гидроксида натрия.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каталитическая камера электрофлотатора заполнена гранулированным каталитическим материалом фракции 5-10 мм, содержащим оксиды марганца и алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к процессам очистки сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов, растворенных органических веществ и может быть использовано на промышленных предприятиях для очистки промышленных и ливневых сточных вод.

Известен способ очистки сточных вод [Патент РФ №2122525, МПК C02F 1/62. Способ очистки сточных вод от цветных и тяжелых металлов /Ильин В.И., Колесников В.А./, 1998], при котором сточную воду, содержащую тяжелые металлы, доводят до значения рН 9-10, а затем вводят раствор ортофосфата натрия, что приводит к образованию нерастворимого соединения. Для извлечения образующихся соединений применяют электрофлотационный метод с нерастворимыми анодами. Способ не дает высокого эффекта очистки воды.

Известен электрофлотатор [Патент РФ №2102330, МПК C02F 1/24. Электрофлотатор для очистки сточных вод /Брейво А.Э. и др./, 1998], содержащий корпус, разделенный на камеры флотации с размещенными в них электродными блоками, состоящими из графитового анода и катода в виде стальной сетки, камеру сбора флотационного шлама, поддоны решетчатого типа, на которые опираются электродные блоки. Устройство не дает высокого эффекта очистки воды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ [Патент РФ №2096338, МПК C02F 1/465. Способ очистки подмыльного щелока /Сухорев Ю.И. и др./, 1996], в котором электрофлотацию осуществляют в две ступени, обработку воды проводят электролитически полученными газовыми пузырьками, причем перед каждой ступенью корректируют значение рН с помощью реагентов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электрофлотатор [а.с. СССР №1096231, МПК C02F 1/46. Электрофлотационный аппарат /Назаров В.Д. и др./, 1984], содержащий камеру ввода потока, флотационную камеру с дискретно расположенными электродными блоками, пеносборное устройство в виде усеченных конусов, камеру вывода потока.

Недостатком указанных способов и электрофлотационных устройств является недостаточно высокий эффект очистки сточных вод от растворенных органических веществ, в том числе углеводородов нефтяного происхождения, а также относительно высокие энергозатраты.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффекта очистки воды от растворенных органических веществ, в том числе углеводородов нефтяного происхождения, в снижении энергозатрат на проведение процесса, в уменьшении вероятности образования взрывоопасных газовых смесей.

Указанная задача решается тем, что в способе очистки сточных вод от нефтепродуктов, включающем обработку воды электролитически полученными газовыми пузырьками и удаление нефтешлама, согласно изобретению очищаемую сточную воду подают в катодную камеру электрофлотатора и обрабатывают пузырьками водорода, флотошлам удаляют и из него извлекают газообразный водород, очищенную от диспергированных загрязнений воду за счет рециркуляции подают в анодную камеру электрофлотатора и насыщают пузырьками кислорода. Затем оба потока смешивают, проводят очистку путем фильтрования воды в гранулированном каталитическом материале, из доочищенной воды извлекают газообразный кислород, причем извлеченные газообразные водород и кислород подают раздельно в водородную и кислородную камеры топливного электрохимического элемента, электрическую энергию которого используют для проведения электрофлотации. В анодную камеру подают 5-10 об.% очищенной воды.

Указанная задача решается также тем, что в устройстве для электрохимической очистки сточных вод, включающем электрофлотатор с катодом, анодом, источником электропитания, систему сбора флотошлама, согласно изобретению электрофлотатор содержит катодную и анодную камеры, разделенные мембраной, две системы электродов, состоящие из анода и катода, причем первая система электродов подключена к источнику питания постоянного тока, а вторая - к топливному электрохимическому источнику тока, катодная камера разделена на секции вертикальными перегородками, примыкающими верхней частью к пеносборному устройству, выход анодной и катодной камер объединен одной полостью, электрофлотатор имеет также камеру доочистки, заполненную гранулированным каталитическим материалом, отделенную от катодной камеры вертикальной перегородкой, кроме того, электрофлотатор снабжен системой рециркуляции очищенной воды, дегазатором флотошлама и накопителем флотошлама, дегазатором доочищенной воды, причем дегазаторы раздельно соединены с водородной и кислородной камерами топливного электрохимического источника тока, в которых расположены пористые металлические электроды, частично гидрофобизированные, причем катоды электрофлотатора выполнены из нержавеющей металлической сетки, аноды - из графита, мембрана изготовлена из капроновой ткани, количество вертикальных перегородок в катодной камере равно 4, а их высота равна 0,5 высоты камеры, анодная камера топливного электрохимического источника тока заполнена пористым скелетным никелем, легированным титаном, катодная камера - скелетным пористым серебром, поверхность пористых электродов, обращенная к газу, гидрофобизирована с помощью графитовых смазок, кроме того, топливный электрохимический источник тока заполнен однонормальным раствором гидроксида натрия, а каталитическая камера заполнена гранулированным каталитическим материалом фракции 5-10 мм, содержащим оксиды марганца и алюминия.

Преимуществом предложенного изобретения по сравнению с прототипом является повышение эффективности очистки, уменьшение энергозатрат, повышение безопасности проведения процесса.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», подтверждаемому совокупностью следующих условий: изобретение предназначено для очистки промышленных и ливневых нефтесодержащих сточных вод.

На чертеже представлена схема электрофлотатора, содержащего корпус 1 с вертикальными перегородками 2, изготовленными из капроновой ткани, причем высота равна 0,5 высоты камеры, устройством сбора флотошлама 3, мембраной 4, разделяющей аппарат на катодную камеру 5 и анодную камеру 6. В катодной камере 5 размещены катоды 7 и 8, выполненные из нержавеющей сетки, в анодной камере 6 - аноды 9 и 10, выполненные из графита. Каталитическая камера 11 отделена от катодной камеры вертикальной перегородкой 12. Каталитическая камера 11 заполнена гранулированным каталитическим материалом. Катодная камера 5 имеет патрубок подвода сточной воды 14, анодная камера 6 - патрубок подвода очищенной воды 15, подаваемой системой рециркуляции 16, забираемой из патрубка предварительно очищенной воды 17. Электроды 7 и 9 присоединены к источнику питания постоянного тока 18, электроды 8 и 10 - к топливному электрохимическому источнику тока 19. В каталитической камере 11 имеется патрубок отвода воды после доочистки 20. Электрофлотатор снабжен дегазаторами 21 и 22 и накопителем флотошлама 23.

Топливный электрохимический источник тока 19 заполнен однонормальным раствором гидроксида натрия, имеет два электрода. Анод 24 выполнен из пористого скелетного никеля, легированного титаном. Катод 25 выполнен из пористого скелетного серебра. Поверхность пористых электродов 24 и 25, обращенная к газу, гидрофобизирована с помощью графитовых смазок.

Очистка сточных вод производится следующим образом. Вода через патрубок 14 подается в катодную камеру 5 электрофлотатора, в которой по мере перемещения к выходу из камеры обрабатывается пузырьками водорода, образованными катодами 7 и 8. Газовые пузырьки, поднимаясь вверх, захватывают высокодисперсные твердые и жидкие (нефтепродукты) частицы, транспортируют их в поверхностный слой. В верхней части катодной камеры 5 с помощью вертикальных перегородок 2 созданы 4 секции устройства сбора флотошлама 3, в которых образованы застойные зоны. Агрегаты «газ-частица», попадая в застойную зону, беспрепятственно достигают поверхностного слоя. Оптимальное количество секций равно 3-6 шт. Предварительно очищенная в катодной камере вода поступает на доочистку в каталитическую камеру 11, загруженную гранулированным каталитическим материалом 13, содержащим оксиды марганца и алюминия, например катализатор АОК75-41 фракции 5-10 мм.

В эту же камеру 11 поступает вода из анодной камеры 6, насыщенная пузырьками кислорода. Часть полученной смеси, порядка 5-10 об.%, системой рециркуляции 16 подается на вход анодной камеры, остальная часть воды проходит доочистку в каталитической камере. Доочистка воды заключается в окислении растворенных органических веществ, в том числе нефтепродуктов, под действием кислорода в присутствии катализатора, который интенсифицирует этот процесс.

Доочищенная вода отводится из аппарата через патрубок 20, проходит дегазатор 22, в котором отделяется непрореагировавший кислород. Флотошлам удаляется из аппарата с помощью устройства сбора флотошлама 3, проходит дегазатор 21, в котором удаляется водород, накапливается в накопителе 23.

Водород и кислород подается в топливный электрохимический источник тока 19.

Водород обладает высокой теплотворной способностью и используется в качестве сырья в топливных электрохимических источниках тока. Топливные элементы обладают высоким коэффициентом полезного действия, близким к 100%, поэтому их целесообразно использовать для электрохимического сжигания водорода.

Топливные источники тока являются электрохимическими генераторами. Их особенность состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее при изготовлении электродов, как в гальванических элементах, а подводятся в процессе работы генератора. Это обеспечивает непрерывность работы источника тока теоретически в течение сколь угодно длительного времени.

Наибольшее распространение получил водородно-кислородный элемент с щелочным электролитом. На аноде элемента происходит электрохимическое окисление водорода

2H₂+4ОН ^-=4Н₂О+4е^-.

Получаемые в результате реакции электроны по внешней цепи поступают на катод, совершая работу.

На катоде происходит восстановление кислорода по реакции:

O₂ +2Н₂O+4е^-=4OН ^-.

В электролите ионы гидроксила двигаются от катода к аноду. Электролит служит ионным проводником тока.

Суммарная реакция в элементе имеет вид:

2H₂ +O₂=2Н₂О.

Электрохимическое горючее (водород) и окислитель (кислород) подводят к пористым электродам, где они вступают в электрохимические реакции. Электроды источника тока в то же время являются катализаторами реакций.

Активными катализаторами анодного окисления водорода является пористый никель, полученный выщелачиванием алюминия из никель-алюминиевого сплава. Скелетный никель легируют титаном.

Катализатором восстановления кислорода является скелетное, пористое серебро, получаемое выщелачиванием алюминия из серебро-алюминиевого сплава.

Важной стороной эффективных элементов является создание трехфазной зоны. Газовый электрод должен контактировать с электролитом, но не полностью им затопляться. Электрод должен иметь хороший контакт с газовым реагентом, который не должен поступать в межэлектродное пространство. Для создания границы между газом и электролитом используют электроды с различными углами смачивания. Различный угол смачивания электрода электролитом обеспечивается применением гидрофобизации слоя электрода, обращенного к газу, например, с помощью графитовых смазок.

Водород, образованный в катодной камере 5 электрофлотатора, электрохимически сжигается в топливном элементе, в результате чего вырабатывается электрический ток, который подается на электроды 8 и 10 электрофлотатора.

Пример реализации изобретения.

Очистке подвергали натурные талые воды с территории промпредприятия, содержащие взвешенные вещества, нефтепродукты, органические вещества. Расчетное время обработки воды электрофлотацией - 10 минут. Результаты очистки воды приведены в таблице.

Таблица
Содержание загрязняющих веществ в воде до и после очистки.
Загрязняющие вещества	В прототипе			В изобретении
	исходное	конечное	эффект, %	исходное	конечное	эффект, %
Нефтепродукты, мг/л	165	3,5	97,8	165	1,5	99,0
Взвешенные вещества, мг/л	68	5,7	91,6	68	5,5	91,9
ХПК, мг/л	216	29	86,6	216	7,6	96,5
Энергозатраты, Вт/м3	400			210

Из приведенных результатов следует, что предложенное изобретение позволяет увеличить эффект очистки от нефтепродуктов и растворенных органических веществ при уменьшении энергозатрат в 1,9 раза.