Metode de eliminare a ionului fosfat din apele reziduale prin electroflotocoagulare

Metode de eliminare a ionului fosfat din apele reziduale prin electroflotocoagulare

Intensificarea si diversificarea cercetarilor din domeniul tratarii si purificarii apelor reziduale vizeaza perfectionarea tehnologiilor eficiente si competitive. Una din multiple cai de solutionare a problemelor privind apa se refera la separarea partiala sau avansata a poluantilor, care implica de regula alternative mai putin costisitoare si se justifica cu atat mai mult cand este asociata cu recuperarea, valorificarea si reciclarea unor substante utile in forma reutilizabila, direct sau dupa o prelucrare suplimentara.

In cadrul acestei cai de solutionare a noilor necesitati privind gospodarirea cantitativa si calitativa a apei, prezinta interes si categoria relativ mare a metodelor neconventionale, electro-fizico-chimice de separare, in care impunerea campurilor electrice asupra sistemelor apoase (efluenti industriali, ape de suprafata, ape de adancime) ofera alternative adesea superioare. Concomitent, rentabilitatea unor asemenea procedee este asociata fie cu gradul mai ridicat de eliminare prin separare a poluantilor, fie cu facilitati de exploatare, fie cu avantaje legate de recuperarea sau reciclarea unor compusi utili. Sub denumirea de metode electro-fizico-chimice de separare se surprind procedee de tip fizic, de tip chimic si cu precadere de tip electro-(fizico)- chimic si din acest motiv intr-o prezentare mai directa pot fi regasite sub denumirea de metode electrochimice de epurare a apelor.

Procedeele electrochimice de epurare - purificare a apelor reziduale si naturale se bazeaza pe utilizarea energiei electrice la conducerea proceselor de electroliza a solutiilor apoase de electroliti.

Electroliza se realizeaza in sisteme, conventionale numite celule electrochimice (celule de electroliza). Componentele sistemului in care se realizeaza electroliza sunt:

- solutia de electrolit - conducator de ordinul II - in care substantele sunt disociate in ioni. Apele impurificate sunt solutii de electroliti.

- Electrozii - conducatori8 de ordinul I - , imersati in solutia de electrolit.

- Sursa de curent si conductorii de curent sunt conductori metalici si unesc electrozii cu sursa de curent.

La trecerea curentului electric prin sistem au loc urmatoarele categorii de procese:

- transferul de electroni prin circuitul extern (conductori de oridunl I), fluxul de electroni avand sensul dictat de sursa de curent, respectiv polaritatea sursei;

- migrarea si difuziunea ionilor prin circuitul intern (conductori de oridul II, solutia de electrolit);

- procese de electrod la interfata conductor de ordinul I/conductor de ordiunl II, adica la electrod (dizolvarea anodica, depunere-descarcare catodica, descarcare anodica si catodica de gaze, reduceri catodice, oxidari anodice, precedate sau succedate de alte procese chimice sau fizice).

In esenta, la fiecare electroliza decurg procese de descompunere a substantei sau de formare a noi produsi la electrod cu ajutorul curentului electric. In functie de starea de dispersie de faza a componentilor existenti in solutie, la electroliza pot de asemenea sa se observe fenomene legate de insusirile electrocinetice ale coloizilor.

Procesele electrochimice se disting de reactiile chimice in mediul omogen prin caracterul vectorial al transferului de electroni si prin desfasurarea lor pe suprafetele electrodice.

Procesul de electrocoagulare se foloseste frecvent in tehnologia tratarii apei. Prin electrocoagularea lichidelor impurificate, pe langa dizolvarea electrolitica a anozilor si formarea hidroxizilor de metal, mai au loc si alte procese electrochimice sau fizico-chimice cum ar fi:

concentrarea electroforetica, adica miscarea directionata a dispersiei ca particule incarcate libere si concentrarea lor la suprafata electrozilor.

aglomerarea agregatelor primare si coagularea lor

flotatia agregatelor formate prin bule de gaze electrolitice [19]

Dintre procesele de baza care pot decurge la electrozi in urma electrolizei solutiei apoase se pot mentiona:

la catod - degajarea hidrogenului, descarcarea ionilor metalici si recuperarea lor

la anod - degajarea O₂, a halogenilor oxidarea substantelor fara separarea fazelor autonome su dizolvarea electrochimica a metalului electrodului.

Bulele de H₂ care se degaja pe catod sunt capabile sa transporte impuritati insolubile din volumul lichidului la suprafata in vederea separarii. Fenomenul poarta denumirea de electoflotatie si isi regaseste aplicatie la epurarea apelor reziduale de impuritati in suspensie, coloidale sau emulsionate, cat si la separarea in spuma a substantelor superficial active .

Procesele anodice se pot diferentia in doua tipuri de procese:

a) procese ce decurg pe anozi insolubili

b) procese ce decurg in cazul folosirii anozilor solubili.

La folosirea anozilor solubili de Al, Fe, Zn, Cu sau aliaje ale acestuia are loc dizolvarea lor electrochimica cu trecerea in solutie a ionilor acestor metale, care apoi prin hidroliza formeaza hidroxizi insolubili. Hidroxizii proaspat formati poseda o activitate de adsorbtie ridicata fata de particulele coloidale si in suspensie [18].

Dizolvarea electrochimica a metalelor cuprinde in serie doua grupe de baza de procese:

dizolvarea pe seama curentului exterior sau dizolvarea anodica a metalelor;

dizolvarea chimica ca rezultat al interactiunii cu mediul inconjurator. Astfel, la anodul de Al pot decurge reactii chimice, dependente mijlocit de trecerea curentului:

- dizolvarea anodica:

Al - 3e^- Al³⁺;   E^o = 1,66V

Fe - 2e^- Fe²⁺ E^o = 0,44V

- formarea hidroxidului:

Al³⁺ + 3OH^- Al(OH)₃

La catodul de aluminiu sau fier in apa naturala pot decurge urmatoarele procese electrochimice:

depolarizarea cu ionii care migreaza;

H⁺ + e^- H; H + H H₂ E^o = 0 V

Fe³⁺+ e^- Fe²⁺ E^o = 0,77V

depolarizarea cu molecule neutre:

O₂ + 4e^- + 2H₂O 4OH^- in mediu alcalin E^o = 0,40 V

O₂ + 4H⁺ + 4e^- 2H₂O in mediu neutru si acid E^o = 1,23 V

reducerea ionilor de metale si a peliculelor insolubile de exemplu oxizi:

Fe²⁺ + 2e^- Fe⁰ E^o = - o,44 V

Fe₃O₄ + H₂O + 2e^- 3FeO + 2OH^-

in afara de aceasta, pe catodul de aluminiu este posibila decurgerea reactiei chimice de interactiune a aluminiului cu apa:

2Al + 6H₂O 2Al(OH)₃ + 3H₂

Aceasta reactie devine posibila prin cresterea pH-ului (10,5-12). Cresterea pH-ului este legata de descarcarea pe catod a ionilor de H₂ si micsorarea concentratiei lor in solutie.

Procesele oxidarii active a aluminiu sau fier poate sa se complice prin atingerea starii de pasivare. Aceasta este legata de formarea pe suprafata Al sau Fe a peliculei de oxid in concordanta cu reactia:

4Fe²⁺ + O₂ + (12+x)H₂O 2Fe₂O₃ (H₂O)_x + 8H₃O⁺

Pentru a incetini procesul de formare a peliculei de oxid se activeaza anodul de Al sau Fe cu ioni de Cl^-.

Studiu comparativ al metodelor de purificare

La compararea procesului de defosfatare cu saruri de aluminiu fata de procedeul cu saruri de fier trebuie luate in considerare diverse criterii:

capacitatea molara de defosfatare definita ca raportul intre P_eliminat/mol de reactiv de defosfatare utilizat ar fi:

arata ca daca ne situam in conditii optime sarurile de Al si Fe conduc la rezultate apropiate (cu un usor avantaj pentru Fe³⁺)

mecanismele de defosfatare sunt considerate ca fiind identice in ambele cazutri de catre majoritatea cercetatorilor

Fe³⁺ si Al³⁺ par eficace in special pentru eliminarea orotfosfatilor. Precipitarea pirofosfatilor nu se realizeaza decat cu exces mare de reactiv in raport cu stoichiometria, iar cea a trimetafosfatilor pare foarte dificila indiferent de conditiile de operare.

electrocoagularea este un proces potential in tratarea apelor industriale din urmatoarele motive:

- cantitatea de substante chimice transportata este de 10 ori mai mica decat in cazul coagularii

- unitatea electrochimica va fi realizata cu electrozi suficient de mari pentru un anumit tratament

- se formeaza cantitati mici de namol.