SWorld – 18-29 June 2013

SWorld – 18-29 June
2013
http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/june-2013
MODERN PROBLEMS AND WAYS OF THEIR SOLUTION IN SCIENCE, TRANSPORT, PRODUCTION AND EDUCATION 2013
УДК 665.6.013:628.543
Пацурковский П.А, Лейбович Л.И.
ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ СЕРОВОДОРОДА
АБСОБЦИОННО –ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Национальный университет кораблестроения, Николаев, Украина
UDC 665.6.013:628.543
Patsurkovskiy P.А., Leybovych L.I.
AIR PURIFICATION FROM HYDROGEN SULFIDE BY ABSOBTIONELECTROCHEMICAL METHOD
National University of Shipbuilding, Nikolaev, Ukraine
В данной работе рассматриваются особенности очистки воздуха от
сероводорода
абсорбционно-электрохимическим
методом.
Приведена
технологическая схема установки очистки. Даны результаты работы
опытно-промышленной установки в течении 2-х лет на канализационной
насосной станции
Ключевые слова: абсорбция, электрохимия, очистка, сероводород.
The features of air purification from hydrogen sulfide by absorptionelectrochemical method are discussed. The technological scheme of the setup for
purifying air from hydrogen sulfide is shown. The results of experimental and
industrial sewage treatment setup operation during 2 years at the sewage pumping
station are given.
Keywords: absorption, electrochemistry, purification, hydrogen sulfide.
В последнее время
экологические проблемы становятся все более
актуальными. Это связано с тем, что все жестче становятся требования к
выбросам
промышленных
предприятий.
предприятий, как правило, являются
Выбросы
промышленных
опасными для окружающей среды и
здоровья людей. Наибольшую опасность они представляют в больших
промышленно развитых городах. Чаще всего это обусловлено тем, что уровень
предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ значительно
превышает
установленных
норм.
Именно
это
вызывает
нарушение
физиологических функций организма человека, который в свою очередь
приводит к серьезным заболеваниям.
Сероводород есть очень токсичным газом, который относится ко второму
классу опасности и нормы
выбросов сероводорода очень жесткие. ПДК
сероводорода в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м3, максимально разовая
концентрация H2S в рабочей зоне не должна превышать 0,008 мг/м3. Порог
восприятия запаха сероводорода в воздухе составляет близко 0,012…0,030
мкг/м3.
Сероводород
является
коррозионно
–
активным
газом
я
ярко
выраженными кислотными свойствами, который реагирует почти со всеми
металлами,
образовывая
сульфиды.
Данный
вид
коррозии
называется
сероводородной. За счет этого в местах выделения сероводорода в
окружающую среду наблюдается быстрое старение домов, сооружений и
оборудование.
Выбросы сероводорода в атмосферу могут осуществляться отдельно или
вместе с другими соединениями серы. Чаще всего вместе с сероводородом
выделяются меркаптаны, которые по своим свойствами очень схожи с
сероводородом. Они также имеют высокую летучесть, вызывают ускоренную
коррозию трубопроводов и приводят к ускоренному износу оборудования.
Нужно также отметить, что объем выбросов сероводорода в сравнении с
меркаптанами значительно выше.
За предыдущими подсчетами объем потребления питьевой воды в Украине
составляет приблизительно 900 млн. литров на год. Концентрация анионов SO-3
и SO-4 в воде находится в пределах от 250 до 500 мг/л. При отсутствии
кислорода под действием бактерий анионов SO-3 и SO-4 восстанавливаться до
сероводорода. Это обуславливает высокий уровень сероводорода в сточных
водах. Концентрация сероводорода в сточных водах может достигать значение
10 мг/л и выше.. Это значительно превышает установленные нормы в размере
0,05 мг/л.
Основными источниками выброса сероводорода в Украине являються
канализационные насосные станции (КНС), предприятия по изготовлению
вискозного
волокна, целлюлозы, деревоволокнистих
нефтехимической,
пищевой
и
металлургической
плит, химической,
промисловостей,
коксохимические и нефтеперерабатывающие предприятия.
Анаэробные условия являються наиболее благоприятными для развития
бактерий, которые вырабатывают сероводород. Подобные условия характерные
для канализационных сетей. Цикличность транспортировки промышленных и
бытовых стоков по канализационным сетям приводит к образованию большого
количества сероводорода в этих стоках.
Одним из наиболее распространенных методов защиты воздушной среды
от вредных выбросов является адсорбционный метод. Чаще всего в качестве
адсорбента используется активированный уголь. Активированный уголь
используют, вчастности, для очищения газов от веществ имеют неприятный
запах.
Основной недостаток адсорбционного метода состоит в большой
энергоемкости стадий десорбции и дальнейшего деления, которое значительно
усложняет его применение для многокомпонентных смесей. Во всех описанных
методах очищения воздуха от сероводорода [2] основным недостатком
являются большие затраты на сорбенты,
сложность процесса регенерации
сорбента большие габариты установки и образование вторичных жидких
стоков, которые нуждаются в утилизации.
Отсутствие дешевого и эффективного метода очистки воздуха от
сероводорода, его опасность для организма человека, коррозийная активность,
наличие
неприятного
запаха
-
все
эти
обуславливают
актуальность
необходимость разработки новых эффективных методов очистки от H2S.
К таким методам можно отнести
метод.
Главным
преимуществом
абсорбционно - электрохимический
данного
метода
является
необходимости использования большого количества
отсутствие
дорогих реагентов,
поскольку необходимые абсорбенты можно получить из поваренной соли, а
потом регенерировать их в электрохимическом реакторе.
На основе абсорбционно - электрохимического метода была разработана
установка из очищения воздуха от сероводорода. Эта установка установленная
и успешно эксплуатируется на КНС-1 в г. Вознесенск.
В
нашей
стране
на
городских
канализационных
сооружениях
к
настоящему времени эксплуатируются КНС, построенные то типовым
проектами серии 902 [1]. Канализационные стоки поступают у помещение КНС
через грабельное отделение, в котором есть прямой контакт между
канализационными стоками и воздухом. На решетках в грабельному отделения
задерживаются крупные примеси. Особенность эксплуатации оборудования по
улавливания крупных примесей является необходимость их периодического
ручного или механического очищения. Контакт канализационных стоков с
воздухом приводит к насыщению последнего сероводородом. А за счет работы
приточно - вытяжной вентиляции сероводород попадается в окружающую
среду.
Наличие сероводорода в канализационных стоках формирует две
проблемы: несоблюдение требований техники безопасности для помещений
класса Д; загрязнение окружающей среды сероводородом.
Решение этих проблем целесообразно выполнялось в два этапа. На первом
этапе необходимо локализовать выбросы, а на втором - осуществлять очистку
воздуха
от
сероводорода
путем
использования
абсорбционного
и
электрохимического оборудования.
Обследования КНС-1 в г. Вознесенске показали, что концентрация
сероводорода в воздухе помещения КНС (построенной по проекту 902-1-37)
возле лотка поступления стоков до внедрения системы очистки колебалась от
20 о 80 мг/3. Концентрация сероводорода в воздухе рабочей зоны возле лотка
поступления сточных вод близка к равновесной (которая определяется
константой Генри),
существенным образом изменяется со временем и
значительно превышает ПДК. Для локализации источника поступления
сероводорода у воздуха рабочей зоны помещения решеток КНС и в
окружающую среду было разработано специальное укрытие и оборудование
для очищения воздуха, который отбирается из него.
Специальное укрытие
которая
препятствует
представляет собой деревянную конструкцию,
распространению
сероводорода
в
рабочей
зоне
грабельного отделения. Укрытие (рис.1) было установлено в грабельном
отделении и в результате наладочных работ были определены оптимальные
режимы работы вытяжной вентиляции.
Эти
мероприятия
позволили
значительно
снизить
концентрацию
сероводорода в воздухе рабочей зоны помещения решеток практически до
ПДК. Благодаря установке укрытия в воздухе рабочей зоны на нижней
площадке помещения решеток сероводород отсутствовал. Его поступление в
помещение решеток происходит только в момент открытия люка укрытия при
выполнении работ по очистке решеток. .
На втором этапе выполнения работ в помещении решеток КНС была
установлена абсорбционно – электрохимическая установка очистки воздуха от
сероводорода, технологическая схема которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема очистки.
1 - абсорбер с подачей анолита; 2 - абсорбер с подачей католита;
3 – абсорбционный аппарат; 4 - электрохимический реактор.
В качестве абсорбента сероводорода может использоваться как католит,
так и анолит. Процесс электрохимического разложения водного раствора NaCl
может быть выражен следующими химическими уравнениями:
2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + Cl2 + H 2 ,
Cl2 + H 2 O → HCl + HOCl .
Таким образом, имеем образование следующих веществ: на катоде - NaOH,
на аноде - HOCl, HCl.
Следует отметить, что в г. Вознесенске на КНС-1 реализован
абсорбционно- электрохимический метод очистки воздуха от сероводорода с
использованием католиту в качестве абсорбента. В этом случае реакция
сероводорода с абсорбентом идет за следующими реакциями:
H2O
H 2S+2NaOH 
→ Na 2S+2H 2 O ,
H2O
H 2S+NaOH 
→ NaHS+H 2 O .
Разложение образованных продуктов реакции абсорбента с сероводородом
и регенерация абсорбента происходят в электрохимическом реакторе.
Общий вид установки абсорбционно - электрохимической
воздуха от сероводорода представлен на рис.3.
очистки
Рис.2. Абсорбционно – электрохимическая установка
очистки воздуха от сероводорода на КНС.
В результате внедрения абсорбционно – электрохимической установки
очистки
и значительно сниженные выбросы сероводорода в окружающую
среду до значений 2,5...4,0 мг/м3. Полученное значение концентраций
сероводорода в воздухе рабочей зоны отвечает установленным требованиям.
Таким образом, комбинация абсорбционного и электрохимического
методов дает возможность достичь высокой эффективности очищения воздуха
от сероводорода при довольно простом аппаратурном выполнении и
минимальном количестве затрат на абсорбенты. Основной затратной частью в
разработанной установке есть лишь электроэнергия.
В роботах [5-6] отмечено, что как реагент- окислитель сероводорода и
сульфидов может выступать хлор и его производные. Эффективность хлора,
точнее продукта его взаимодействия с водой как окислителя, связанна с
высокой способностью гипохлориту НОCl совмещать в себе свойства ионрадикала (акцептора водорода) и Cl- атома (агента С-Н связи). Скорость и
глубина реакции зависят не только от природы примесей, но и от температуры,
рН, концентрации окислителя, времени контакта и других параметров процесса.
При контакте воды, которая имеет повышенную концентрацию ионов хлора, с
воздухом, загрязненным сероводородом, происходит окисление H2S и
образованию свободной серы
сульфатов - при больших
при малых затратах хлора и к образованию
концентрациях иона хлора
в воде. При этом
образуются кислоты и ионы водорода, которые приводит к заметному
снижению рН обрабатываемой воды. В [5] описанные исследования по
окислению H2S двуокисью хлора ClО2. В зависимости от дозы ClО2 и рН
=6,8...8,5 продуктами окисления могут быть: сера элементарная, тиосульфат,
сульфат-ионы. При малых затратах хлор - реагента сероводород окисляется к
элементарной сере, которая предоставляет воде мутность и характерную
опалесценцию.
Одним со способов получения хлора и его соединений является
электролитический метод, при котором как электролит используется соль NaCl.
При электролизе водных растворов хлорида натрия в электролизере
(без
диафрагмы) на аноде будут протекать реакции окисления с образованием
газообразных хлора (из хлорида-иона) и кислорода из молекул воды. При
высоких анодных потенциалах преимущество идет реакция выделения хлора.
На катоде происходит восстановление молекулы воды. Хлор, который
образовался на аноде, растворяется в воде:
Cl2 + Н2О → HClO + HCl.
Количество хлора, которое образовуется при электролизе, зависит от
минерализации и температуры электролита, плотности тока, материала анода и
продолжительности
процесса
электролиза.
Суммарный
процесс
электрохимического разложения NaCl может быть выражен следующим
химическим уравнением:
2Н2О + 2Cl- →Cl2+ 2ОН- + Н2.
Напряжение разложения в стандартных условиях для этой реакции
составляет 2,17 В, а теоретически расчитанные затраты энергии на 1 кг Сl2 1,64 кВт·ч. Согласно химическим уравнениям, возле катода будет происходить
образование и накопление щелочи NaОН, который при отсутствии диафрагмы
может свободно реагировать с хлорноватистою кислотой, образовывая хорошо
растворимую соль - гипохлорит натрия. Дальше, полученный гипохлорит
натрия диссоциирует
с образованием ионов ClO-, которые подвергаются
следующему анодному окислению с образованием хлорат - ионов ClO3-.
Поскольку ионы ClO- окисляются при менее положительных потенциалах, чем
ионы Cl-, то на аноде можно ожидать реакцию с образованием хлората натрия.
Таким образом, при электролизе нейтральных растворов хлорида натрия (без
диафрагмы) основными продуктами будут NaClO, NaClO3 и O2. Можно
предположить, что образуемые при электролизе хлоридних вод NaClO, NaClO3
и O2 будут реагировать с сероводородом, который абсорбируется из воздуха,
по реакции:
NaClO + H2S = S ↓ + NaCl + H2O.
Таким образом, эти реакции подтверждают принципиальную возможность
разложения сульфидов при абсорбции последних водой с повышенным
содержимым хлоридов, которые получены путем электролиза. Однако, следует
иметь в виду, что сточные сероводородные воды имеют довольно сложный
химический состав, который может усложнить процессы, которые происходят
при электролизе поваренной соли.
Литература:
1. 1. Лейбович Л.И., Помазкин Ю.В., Пономаренко Н.Г., Пацурковский
П.А. Проблемы охраны окружающей среды на канализационных насосных
станциях. Збірка матеріалів до науково-практичної конференції «Шляхи
забезпечення екологічної безпеки населених пунктів України», Миколаїв, 7
червня 2012 р. – с. 105-108.
2. Лейбович Л.И., Пацурковский П.А. Анализ методов очистки воздуха от
сероводорода на канализационных насосных станциях. Доклади та статті
Всеукр. наук.-практ. конференції «Екологія міст та рекреаційних зон», Одеса.
31 травня – 1 червня 2012 р., ІНВАЦ, 2012. – с. 214-216.
3. Лейбович Л.И., Помазкин Ю.В., Пацурковский П.А. Абсорбционноэлектрохимическая
очистка воздуха от сероводорода на канализационных
насосных станциях. Экологическая и техногенная безопасность. Охрана
окружающей водного и воздушного бассейнов. / Сб. науч. трудов XX
междунар. научно-техн. конф. // - Х., УкрВОДГЕО, 2012. – с. 385-390.
4. Лейбович Л.І., Помазкин Ю.В., Пацурковский П.А. Использование
электрохимических методов для очистки воды от загрязнителей. VII
Міжнародна
науково-технічна
конференція
Проблеми
екології
енергозбереження в суднобудуванні 08.06.2012 - 12.06.2012, НУК, 2012.
та
5. Гавриков М. А. Очистка сточных вод от изопропанола и сульфидов.
Химическая промышленность. 1976, № 2.
6. Золотова Е. Ф., Асс Г. Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца и
сероводорода - М.: Стройиздат, 1975.