Optimala betingelser för defluoridering av vatten i elektrokemisk processreaktor beskrivs. Hydraulik, elektrodavstånd och strömtäthet diskuteras och förändringar av anodytorna beskrivs utifrån mikroskopi.
Av: Jörgen Hanaeus
En reaktor där flödesriktningen varieras har provats för att nå en god fluoridavskiljning. Aluminiumanoder användes och optimala driftsförhållanden bestämdes avseende pH (neutralt), elektrodavstånd (5 mm) och strömtäthet (2,5 mA/cm2). Målet var att underskrida WHO:s riktlinje om <1,5 mg/F- för dricksvatten.
Anodytorna undersöktes med svepelektronmikroskop och processen kostnadsberäknades. Vid optimum förbrukades 5,03 kWh/m3och kostnaden var då 0,35 USD/m3.
Artikeln
Fluoridkontaminering av yt- och grundvatten härrör från erosion av fluorrika geologiska formationer eller från antropogena källor, t ex industrier för tillverkning av halvledare eller från kolkraftverk.
Låga fluoridhalter, upp mot 1,5 mg/L anses ge positiva effekter för ben och tänder medan höga halter kan ge allvarliga skador på skelettet. WHO rekommenderar därför fluoridhalter <1,5 mg F-/L för dricksvatten.
För att avskilja fluorid finns flera tekniker; membranfilter, jonbytare, kemisk fällning och adsorption. Flera av dessa är kostsamma och dras med driftproblem.
Elektrokoagulering innebär att joner frigörs från anodytor genom en pålagd likström som drar genom vattnet till en katod och åter spänningskällan. Fördelar är enkel styrning, ringa slamproduktion och små volymkrav. Aluminiumanoder användes vanligen och frigjorda aluminiumjoner ger fluoro-aluminiumkomplex i bildad aluminiumhydroxid. Katodreaktionen är vätgasutveckling (vattenmolekylen spjälkas till vätejon och hydroxyljon).
Vanlig hydraulisk utformning är en lådformad reaktor med längsgående elektroder. Här utförs försök att förlänga uppehållstiden genom att variera flödesriktningen.
Försök
Den reaktor som provades för elektrokoaguleringen hade en volym av 3 L och innehöll 6 tvärställda metallskivor om 8*5 cm2. Skivorna utgick varannan från reaktorns långväggar och överlappade varandra så att vattnet beskrev ett serpentinmönster. In- och utlopp från gavlarna. Reaktorn saknade tak för att undvika vätgasackumulering.
Avjonat vatten tillfördes, varefter tillsattes NaF till 20 mg F-/L.
Konduktiviteten justerades med NaCl till 0,3 mS/cm.
Den första mätomgången bestod i att reaktorn fylldes med avjonat vatten varefter vatten med rött färgämne pumpades genom reaktorn med 100 mL/min tills färg kunde ses i utloppet. Reaktorn förenklades till vanlig konfiguration och försöket upprepades med noggrannare, spektrofotometrisk färgbestämning i utloppet. Uppmätt färgförändring avslutade försöket och noterad tid benämndes uppehållstiden för reaktorn.
Så genomfördes elektrokoaguleringen. Tre parametrar varierades: strömtäthet 1,5, 2,5 och 3,5 mA/cm2. pH-värdena 4, 7 och 10 provades, liksom elektrodavstånden 5,10 och 15 mm.
Effluenten filtrerades genom 0,25 µm Whatmanfilter.
Prover om 5*5 mm2 togs från färsk och brukad anod och jämförelse gjordes i svepelektronmikroskop.
Resultat
Fluoridhalten följdes under 30 min för de olika parameterinställningarna. Tiden för att komma ner till 1,5 mg F-/L var 25, 20 och 15 min för de olika (ökande) strömtätheterna. Energiåtgången motiverade ett val av 2,5 mA/cm2.
pH-värden 4-10 (30 min) visade små skillnader mellan pH 4 och pH 7, som efter 20 min underskred 1,5 mg F-/L. pH 10 nådde ännu efter 30 min inte ner till detta värde.
Elektrodavstånden (5,10,15mm) gav önskade F- -värden efter 10, 20 resp 30 min. 5 mm var alltså gynnsammast här.
Sammantaget valdes strömtätheten 2,5 mA/cm2, pH 7 och elektrodavståndet 5 mm för kostnadsuppskattningar. Det gav en konsumtion av el-energi om 5,03 kWh/m3. Kostnaden med aktuella priser i Irak blev då 0,35 USD/m3.
Mikroskopistudierna visade att anodytan förändrats från att varit jämn och slät till att bli ojämn med små gropar efter användningsperioden.
Slutsatser
Fluoridreduktion till åtminstone 1,5 mg F-/L kan uppnås genom elektrokoagulering. Metoden är dock känslig för beläggningar på anodytorna och längre tids försök med naturligt vatten är att rekommendera. Ett separationssteg är nödvändigt även om slamproduktionen (främst aluminiumhydroxid) är måttlig.
Beskrivningen av hydrauliken är inte tillfredsställande.
Källa: Abdulrebha, M. a), Al-Samarrai, S.b), Hussein, A.c), Samaka, I.d), Al-Ansari, N.e) & Aldhaibani, O. f): Electrochemical defluoridation of water: an experimental and morphological study. Water Sanitation & Hygiene for Development, Vol12, No 4, pp 394-404.
a) Department of Environmental Engineering, College of Engineering, University of Kerbala, Kerbala, Irak.
b) Chemistry Department, College of Science, Tikrit University, Tikrit, Irak.
c) Al-Mussaih Technical Institute/Al-Furat Al-Awsat Technical University, Babylon, Irak.
d) Department of Environmental Engineering, College of Engineering, University of Babylon, Babylon, Irak.
e) Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Mining and Geotechnical Engineering, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.
f) Built Environment and Sustainable Technologies (BEST) Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, UK.
Kontakt: nadhir.alansari [a] ltu.se
