Ηλεκτροκροκίδωση

Η ηλεκτροχημική κροκίδωση ή ηλεκτροκροκίδωση (electrocoagulation) είναι μια προηγμένη και αποτελεσματική ηλεκτροχημική τεχνολογία απομάκρυνσης οργανικών και ανόργανων ρύπων από το νερό ή διάφορα υγρά απόβλητα που χρησιμοποιεί ως άνοδο θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια από αργίλιο (Al), σίδηρο (Fe) ή μαγνήσιο (Mg) για τη δημιουργία των κροκιδωτικών Al(OH)₃, Fe(OH)₃ και Mg(OH)₂ αντίστοιχα.

Η ηλεκτροκροκίδωση αποτελεί νεότερη εναλλακτική μορφή κροκίδωσης και διαφέρει από την συμβατική χημική κροκίδωση (chemical coagulation) στο ότι τα προαναφερθέντα κροκιδωτικά δεν προστίθενται στο επεξεργαζόμενο διάλυμα αλλά δημιουργούνται επί τόπου κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης λόγω ηλεκτροδιάλυσης της θυσιαζόμενης ανόδου από Al, Fe ή Mg.

Αρχή λειτουργίας

Οι κύριες αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά την ηλεκτροκροκίδωση με ηλεκτρόδια π.χ. αλουμινίου παράγουν ιόντα Al³⁺ στην θυσιαζόμενη άνοδο και ιόντα υδροξυλίου OH^- καθώς και αέριο υδρογόνο H₂ στην κάθοδο:

Al $\rightarrow \;$ Al³⁺ + 3e                 (άνοδος)   (1)

2H₂O + 2e $\rightarrow \;$ 2OH^- + H₂   (κάθοδος)   (2)

Τα παραγόμενα ιόντα Al³⁺ προκαλούν μείωση του καθαρού επιφανειακού φορτίου και της ηλεκτρικής διπλοστοιβάδας των κολλοειδών με αποτέλεσμα την αποσταθεροποίηση, συσσωμάτωση και κατακρήμνιση αυτών υπό μορφή ιζήματος. Στη συνέχεια ενώνονται με τα ιόντα OH^- και σχηματίζουν το ζελατινώδες αδιάλυτο κροκιδωτικό Al(OH)₃ στο οποίο προσροφούνται τα συσσωματωμένα κολλοειδή και διάφοροι άλλοι ρύποι που καθιζάνουν όλα μαζί ως ίζημα ή εν μέρει προσκολλούνται στις φυσσαλίδες υδρογόνου και ανέρχονται στην επιφάνεια λόγω ηλεκτροεπίπλευσης (electroflotation). Ετσι το βιομηχανικό απόβλητο νερό απαλλάσσεται από τους διάφορους οργανικούς και ανόργανους ρύπους, καθαρίζεται, αποχρωματίζεται και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί.

Στο ηλεκτροχημικά επεξεργαζόμενο διάλυμα προστίθεται NaCl ή KCl για δύο λόγους:

1. αύξηση της αγωγιμότητας του διαλύματος που συνεπάγεται μείωση της ωμικής αντίστασης και επομένως μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας.
2. αποφυγή μονωτικού στρώματος παθητικοποίησης στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων (κυρίως της ανόδου).

Εφαρμογές

Η ηλεκτροκροκίδωση εφαρμόζεται αποτελεσματικά στην διαχείριση υδατικών αποβλήτων βαφείων, ελαιουργείων, διυλιστηρίων, βιοκαυσίμων, βυρσοδεψείων, χαρτοποιίας, κατεργασίας μετάλλων και επιμεταλλωτηρίων, επιτυγχάνοντας μείωση των ρύπων σε επίπεδο μg/L.

Σύγκριση με την συμβατική χημική κροκίδωση

Οι παράμετροι που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτροκροκίδωσης είναι το pH του διαλύματος , η πυκνότητα ρεύματος και ο χρόνος ηλεκτρόλυσης, ενώ της χημικής κροκίδωσης είναι το pH του διαλύματος και η δόση του προστιθέμενου κροκιδωτικού.

Η σύγκριση της αποτελεσματικότητας των δύο μεθόδων κροκίδωσης γίνεται με βάση την κατανάλωση κροκιδωτικού, την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και μάζας ηλεκτροδίου, τη ποσότητα της παραγόμενης λάσπης και του απαιτούμενου χρόνου επεξεργασίας.

Η κατανάλωση μάζας του ηλεκτροδίου αργιλίου κατά την ηλεκτροκροκίδωση υπολογίζεται από τη σχέση (1) του νόμου του Faraday:

$C={\frac {I\cdot t\cdot M}{z\cdot F\cdot V}}$   (1)

όπου

C = η συγκέντρωση του σιδήρου στο επεξεργαζόμενο απόβλητο (g/L)

I = η ένταση του ρεύματος (A)

t = ο χρόνος ηλεκτρόλυσης (s)

M = η μοριακή μάζα του αργιλίου (g/mol)

z = το χημικό ισοδύναμο

F = η σταθερά Faraday (96500 Cb/mol)

V = ο όγκος του επεξεργαζόμενου αποβλήτου (L)

Η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας υπολογίζεται από τη σχέση (2):

$E={\frac {U\cdot I\cdot t}{V}}$   (2)

όπου

E = η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας (kWh/m3)

U = η εφαρμοζόμενη τάση (V)

I = η ένταση του ρεύματος (A)

t = ο χρόνος ηλεκτρόλυσης (h)

V = ο όγκος του επεξεργαζόμενου αποβλήτου (L)

Η ηλεκτροχημική διεργασία έχει το πλεονέκτημα του συνδυαστικού φαινομένου οξείδωσης, αναγωγής, επίπλευσης, προσρόφησης και κροκίδωσης και συγκρινόμενη με τη συμβατική χημική καθίζηση-κροκίδωση δημιουργεί λιγότερη λάσπη.

Και οι δύο μέθοδοι είναι αποτελεσματικές για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων και άλλων ανόργανων και οργανικών ρύπων από βιομηχανικά απόβλητα με την ηλεκτροχημική διεργασία να πλεονεκτεί της χημικής όσον αφορά το συνολικό κόστος.

Βιβλιογραφία

1. Κ. Δερμεντζής, Δ. Μαρμάνης, Κ. Φραγκίδης, Κ. Ουζούνης, Απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου από υδατικά βιομηχανικά απόβλητα επιμεταλλωτηρίων με χημική και ηλεκτροχημική κροκίδωση, 21ο Πανελλήνιο Συνέδριο Χημείας, 9-12 Δεκ. 2011, Θεσσαλονίκη.
2. K. Dermentzis, A. Christoforidis, E. Valsamidou, A. Lazaridou, N. Kokkinos 2011, Removal of hexavalent chromium from electroplating wastewater by electro-coagulation with iron electrodes, Global NEST Journal, 13, 412-418.
3. K. Dermentzis, D. Marmanis, A. Christoforidis, K.Ouzounis, 2011, Electrochemical decolorization treatment of nickel phthalocyanine reactive dye wastewater, Environmental Engineering and Management Journal, 10, 1703-1709.
4. Dermentzis K., Valsamidou E., Lazaridou A., 2011, Nickel removal from wastewater by electrocoagulation with aluminum electrodes, Journal of Engineering Science and Technology Review, 4, 188-192, Technological Education Institute (TEI) of Kavala.
5. Mollah M.Y., Schennach R., Parga J.R., Coke D.L., 2001, Electrocoagulation (EC)-Science and applications, Journal of Hazardous Materials, 84, 29-41.
6. Kongsricharoern N and Polprasert C, 1996, Chromium removal by bipolar electro-chemical precipitation process, Water Science and Technology, 34, 109-116.
7. Adhoum N, Monser L, Bellakhal N, Belgaied J-E, 2004, Treatment of electroplating wastewater containing Cu2+, Zn2+ and Cr(VI) by electrocoagulation, Journal of Hazardous Materials, B112, 207-213
8. Kobya M, Can Ο T, Bayramoglu M, 2003, Treatment of textile wastewaters by electrocoagulation using iron and aluminium electrodes, Journal of Hazardous Materials, B100, 163-178.