Электрохимический способ очистки белковосодержащих жидких сред и устройство для его осуществления

 

Использование: электрохимическая очистка промышленных и городских стоков, а также поверхностных вод, загрязненных белком, в частности, стоков молокозаводов, предприятий по переработке мяса, кожзаводов, а также поверхностных вод, содержащих водоросли, осадки и пены, образующихся при переработке стоков. Сущность изобретения: способ очистки включает последовательно выполняемые операции разложения воды электролизом (процесс газонасыщения), растворения металла анода, повторного разложения воды с одновременным разворачиванием молекул белков во вторичные и третичные цепи под воздействием ионов растворенного металла и протонов водорода при pH среды, близком к изоэлектрической точке белков, и турбулентном режиме движения потока, коагуляции и сорбции загрязнений полученными развернутыми молекулами белков, сконцентрированными по границам раздела фаз, хлопьеобразования, флотации и удаления пены. Устройство для электрохимической очистки сточных вод, загрязненных белком, содержит последовательно установленные емкости, выполненные в виде отрезков труб с размещенными внутри электрогенераторами, в которых осуществляются: разложение воды электролизом (газонасыщение) - емкость 1, растворение металла анода - емкость 2, повторное разложение воды электролизом с одновременным разложением молекул белков во вторичные и третичные цепи под воздействием ионов растворенного металла анода и протонов водорода, коагуляцией и сорбцией загрязнений этими развернутыми белками, - емкость 3, а также емкость 4 хлопьеобразование, выполненная в виде раструба, установленного открытой развернутой частью вверх, емкость 6 флотации и устройство 7 для удаления пены. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электрохимической очистки промышленных и городских стоков, а также поверхностных вод, загрязненных белком, в частности стоков молокозаводов, предприятий по переработке мяса, кожзаводов, а также поверхностных вод, содержащих водоросли, осадков и пены образующихся в процессе переработки.

Известны способы электрохимической очистки сточных вод от белка, заключающиеся в газонасыщении обрабатываемых сред за счет разложения молекул воды под воздействием электролиза с одновременным насыщением среды гидроксидами металлов, образующихся при растворении анодов электролизеров, электрокоагуляции загрязнений в т.ч. белков, флотации и удаления пены (Дерягин Б.В. и др. Микрофлотация. М. Химия, 1986, с. 84).

Весь процесс осуществляется в однокамерной установке, включающей камеру (емкость), с расположенным в ее нижней части электродами, а также систему удаления пены в виде скребков (см. там же).

Поскольку весь цикл очистки происходит в общей емкости, то газонасыщение и насыщение среды ионами металла в процессе электролиза, электрокоагуляция загрязнений идут одновременно в ламинарном режиме, то невозможно осуществлять регулирование отдельных параметров, процесс длителен и требуются большие объемы для размещения электродов, сложен ремонт, происходит активная пассивация электродов и обрастание их жирами и белками, что требует применения специальных мер по очистке электродов и обязательного применения жироловок. Кроме того, недостаточно высоко качество очистки (-90%), невозможно удаление солей, сульфатов, хлоридов и др. неполностью удаляются белки.

Известен выбранный в качестве прототипа способ электрохимической очистки белковосодержащих жидких сред путем электрокоагуляции, коагуляции с денатурацией белков, флотации и удаления пены, осуществляемый в установке электрокоагуляции органических примесей сточных вод (авт. св. СССР N 789407, кл. C 02 F 1/46, B 01 D 17/06, заявл. 20.11.78, опубл. 23.12.80).

В указанном способе предусматривается возврат непрореагированных функций на начальный этеп обработки.

Устройство прототип содержит электрокоагулятор, электролизер денатурации белков, флотатор, флотоотстойник и систему удаления пены, причем электрокоагулятор снабжен устройством свободного перелива и успокоительной решеткой (авт. св. СССР N 789407, кл. C 02 F 1/46, B 01 D 17/06, заявл. 20.11.78, опубл. 23.12.80).

Прототипам (способу и устройству) присущи следующие недостатки: невозможность обеспечения оптимальных режимов протекания каждого отдельного химического процесса (газонасыщения, насыщения ионами металла анода, электрокоагуляции), в т.ч. время, скорость, плотность тока и pH среды и др.

необходимо использование электродов, большой расход электродов, электроэнергии; активная пассивация электродов и обрастание их жирами и белками, что предопределяет необходимость дополнительных мер по очистке электродов и требует использования жироловок; недостаточное качество очистки воды невозможность удаления солей, сульфатов, хлоридов и др. неполное удаление белков; низкая ремонтопригодность.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение качества очистки, повышение ремонтопригодности, снижение энерго- и ресурсо-затрат.

Указанная задача решается за счет того, что в способе электрохимической очистки белковосодержащих жидких сред, включающем электрокоагуляцию, коагуляцию с денатурацией белков, флотацию и удаление пены, согласно изобретению, перед электрокоагуляцией воды газонасыщают путем электролиза, а после электрокоагуляции повторно проводят электролизер до pH среды равной изоэлектрической точке белков при одновременной коагуляции с денатурацией белков и подвергают хлопьеобразованию, при этом электролиз, электрокоагуляцию и коагуляцию проводят в турбулентном режиме.

Предварительно может быть произведен подогрев очищаемой среды до 60-65^oC.

Хлопьеобразование может осуществляться при охлаждении очищаемой среды до 60-65^oC.

Перед подогревом среды может производиться обработка очищаемой среды серной кислотой при соотношении 0,008 моль серной кислоты на 1 моль белка.

Указанная задача решается также за счет того, что устройство для электрохимической очистки белковосодежащих сред, содержащее электрокоагулятор, электролизер денатурации белков, флотатор и систему удаления пены, согласно изобретению, дополнительно содержит электролизер газонасыщения, размещенный перед электрокоагулятором, и камеру хлопьеобразования, размещенную после электролизера денатурации белков, при этом электролизер газонасыщения, электрокоагулятор, электролизер денатурации белков, камера хлопьеобразования, флотатор выполнены в виде отдельных заменяемых блоков, установленных вертикально последовательно.

Электролизер газонасыщения, электрокоагулятор и электролизер денатурации белков выполнены в виде отрезков трубы с установленными внутри электродами.

Камера хлопьеобразования может выть выполнена в виде конического раструба, выходящего расширенной частью во флотатор и снабженного системой охлаждения.

Система удаления пены может быть выполнена в виде вакуумного насоса.

На чертеже представлена схема устройства для электрохимической очистки белковосодержащих жидких сред.

Устройство содержит электролизер 1 газонасыщения (разложения воды), представляющий собой отрезок трубы с установленными внутри графитовыми электродами. Труба имеет квадратное сечение; электрокоагулятор 2, электрогенератор которого выполнен в виде отрезка трубы квадратного сечения с графитовым катодом и анодом либо из сплава алюминия, либо составного из сплавов алюминия и сплавов железа; электролизер 3 денатурации белков в виде отрезка трубы квадратного сечения с графитовым катодом и анодом из титанового сплава; Камера 4 хлопьеобразования, выполненная в виде конического раструба, установленного открытой расширенной частью вверх; змеевик 5 системы охлаждения очищаемой среды, расположенный внутри камеры 4 хлопьеобразования; флотатор 6, представляющий собой герметично закрытую емкость, соединенную с раструбом камеры 4 хлопьеобразования.

При небольших объемах очищаемой среды флотатор 6 может быть совмещен с камерой 4 хлопьеобразования, при этом весь раструб или его основная часть установлен внутри емкости флотатора 6, как показано на чертеже.

Вакуумный отсос 7 системы удаления пены выполнен в виде горизонтально расположенной перфорированной в нижней части трубы, связанной с пеносборником и вакуумным насосом (на чертежах не показаны).

Секции 1, 2, 3, 4, и 6 установлены вертикально последовательно друг за другом.

Секции 1, 2 и 3 выполнены подобными в виде отрезков трубы квадратного сечения и связаны друг с другом посредством фланцевых соединений.

Способ электрохимической очистки белковосодержащих сточных вод, хозбытовые стоки, вода из водохранилищ, содержащая водоросли, промывная вода фильтров, иловая смесь аэротенков после биологической очистки и др. под давлением, что обеспечивает турбулентность движения, подается в электролизер 1 газонасыщения. При этом жидкие среды с большим содержанием белка, например, стоки молокозаводов и мясокомбинатов, предварительно подогревают до температуры 60-65^oC, что ускоряет процесс очистки.

Сточные воды боен мясокомбинатов и осадков городских очистных сооружений, содержащие кровь, предварительно до подогрева обрабатывают серной кислотой при соотношении не менее 0,008 моль кислоты на 1 моль белка для обеспечения полной коагуляции белков.

В электролизере 1 под воздействием напряжения, подаваемого на графитовые электроды, происходит электролиз-разложение молекул воды с выделением большого количества газовых пузырьков, то есть обеспечивается газонасыщение турбулентно движущейся очищаемой среды. Создание необходимой величины pH среды, оптимальной для процесса растворения анода на последующей операции в электрокоагуляторе 2, обеспечивается регулировкой величин напряжения и плотности тока.

В электрокоагуляторе 2 происходит растворение металла анода и насыщение двухфазной системы ионами металла анода алюминия или алюминия и железа. При очистке жидких сред, содержащих соли железа используют анод из сплавов алюминия, в других случаях используют составные аноды.

Ионы растворенного металла анода концентрируются по границам раздела фаз, т.е. на поверхностях пузырьков газа.

Подготовленная таким образом очищаемая жидкая среда поступает на следующую операцию в электролизер денатурации белков.

При электролизере поступающей в турбулентном режиме жидкой стеры, насыщенной газовыми пузырьками, по границам которых сконцентрированы ионы металла анода, полученные на предыдущей операции, при значительной плотности тока (на порядок выше, чем в прототипе), повышенной температуре (температура повышается обычным путем на каждой стадии электролизера, кроме того, как указывалось выше возможен специальный предварительный подогрев) происходит разрушение ККФК (казеинат кальциевофосфатного комплекса), в виде которых в сточных водах присутствуют белки. При этом освобождаются фосфатные ионы и ионы кальция. Эти освободившиеся ионы взаимодействуют с ионами металла (металлов) анода, образуя нерастворимые соединения фосфатов металла. Вторичные и третичные цепи разрушения ККФК сорбируют присутствующие в очищаемой среде хлориды, сульфиды, а также соли других металлов, кроме солей фосфорной кислоты.

Воздействием на молекулы белков (ККФК) наиболее интенсивно происходит в "пристенной" зоне, т.е. в относительно тонком слое, примыкающем к поверхности электродов. За счет турбулентности потока происходит постоянная замена в "пристенном" слое разрушенных комплексов на новые, неразрушенные.

При pH среды, близкой к изоэлектрической точке белков, концентрация свободных ионов близка к 0, то есть скорость процесса разделения максимальная.

Все перешедшие в нерастворимое состояние соединения, а также развернутые до вторичных и третичных цепей молекулы белков с присоединенными к ним отсорбированными отходами поднимаются в камеру 4-хлопьеобразования. Здесь в результате понижения температуры (естественного или принудительного под воздействием охлаждающего змеевика 5) ионы алюминия переходят в гидрооксиды алюминия, которые коагулируют нерастворимые соединения фосфатов и белков (вторичные белки). Белковые соединения с отсорбированными загрязнениями при пониженной температуре также обладают возможностью образовывать агрегаты. Переход характера движения из турбулентного в ламинарный, то есть постепенное "ускорение" потока благоприятствует процессу образования хлопьев.

Всплывающая во флотаторе пена по перфорированной трубе под воздействием вакуумного отсоса 7 подается в пеносборник. Очищенная вода по стоку в нижней части флотатора 6 подается на технические цели или сбрасывается в водоем.

Предложенные способ и устройство позволяют: сократить расход коагулянта; повысить качество очистки; обеспечить удаление солей; сократить объемы строительно-монтажных работ за счет уменьшения объема установки.

Формула изобретения

1. Способ электрохимической очистки белковосодержащих жидких сред, включающий электрокоагуляцию, коагуляцию с денатурацией белков, флотацию и удаление пены, отличающийся тем, что перед электрокоагуляцией воду газонасыщают путем электролиза, а после электрокоагуляции повторно проводят электролиз до pН среды, равной изоэлектрической точке белков при одновременной коагуляции и денатурации белков с последующим хлопьеобразованием, при этом электролиз, электрокоагуляцию и коагуляцию проводят в турбулентном режиме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят предварительный подогрев очищаемой среды до 60 65^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс хлопьеобразования осуществляют при охлаждении очищаемой среды на 10 15^oС.

4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что перед подогревом среды производят обработку очищаемой среды серной кислотой при соотношении 0,008 моля серной кислоты на 1 моль белка.

5. Устройство для электрохимической очистки белковосодержащих жидких сред, содержащее электрокоагулятор, электролизер денатурации белков, флотатор и систему удаления пены, отличающееся тем, что оно содержит электролизер газонасыщения, размещенный перед электрокоагулятором, и камеру хлопьеобразования, размещенную после электролизера денатурации белков, электролизер газонасыщения, электрокоагулятор, электролизер денатурации белков, камера хлопьеобразования, флотатор выполнены в виде отдельных заменяемых блоков, установленных вертикально последовательно.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что электролизер гаэонасыщения, электрокоагулятор и электролизер денатурации белков выполнены в виде отрезков трубы с установленными внутри электродами.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что камера хлопьеобразования выполнена в виде конического раструба, выходящего расширенной частью во флотатор и снабженного системой охлаждения.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что система удаления пены выполнена в виде системы вакуумирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.11.2003

Извещение опубликовано: 10.11.2004        БИ: 31/2004

---