CC BY
122
УДК 628.1.033.166
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НОМИНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВОК АКВАХЛОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ
Л.Д.Терехов1, Е.В.Устинова2, А.Н.Бирзуль3
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Представлены экспериментальные исследования номинальных режимов работы установки АКВАХЛОР-100 в условиях нестационарности, получены зависимости концентраций раствора оксидантов и католита от силы тока, построена балансовая схема распределения электричества в установке АКВАХЛОР-100. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: электрохимическая активация; установка АКВАХЛОР; водоподготовка; электролиз.
EXPERIMENTAL STUDY OF RATED MODES OF AQUACHLOR INSTALLATIONS FOR PRODUCTION OF ELECTROCHEMICALLY ACTIVATED SOLUTIONS L.D. Terekhov, E.V. Ustinova, A.N. Birzul
Far Eastern State University of Railway Engineering, 47 Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
This paper presents the experimental studies of rated modes of AQUACHL0R-100 installation under nonstationary conditions. The authors obtained dependencies of the concentrations of the solution of oxidants and catholyte on current strength, and built a balance scheme of electricity distribution in the AQUACHL0R-100 installation. 7 figures. 1 table. 5 sources.
Key words: electrochemical activation; AQUACHLOR installation; treatment of water; electrolysis.
Электрохимическая активация - это технология получения метастабильных веществ униполярным (анодным или катодным) электрохимическим воздействием для последующего использования этих веществ в различных технологических процессах в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитической активности.
Учеными и специалистами ОАО «НПО «ЭКРАН» (Москва) МЗ РФ в сотрудничестве с рядом организаций и учреждений разработаны не имеющие аналогов в мире электрохимические установки АКВАХЛОР (рис.1), которые являются эффективной, экономичной и безопасной для человека и окружающей среды альтернативой применения жидкого хлора и имеют широкий спектр использования в сфере водоподготовки.
В установках типа АКВАХЛОР впервые решены вопросы рационального сочетания положительных свойств известных оксидантов - хлора Cl2, диоксида хлора Cl2O, озона O3 и устранены отрицательные моменты, присущие каждому из названных реагентов в отдельности, т.е. исключено образование побочных продуктов хлорирования - галогенсодержащих соединений (ГСС), большую часть которых составляют три-
1Терехов Лев Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой гидравлики и водоснабжения, тел.: (4212) 407659, e-mail: giv4@festu.khv.ru
Terekhov Lev Dmitrievich, Doctor of technical sciences, professor, Head of the chair of Hydraulics and Water supply, tel.: (4212) 407659, e-mail: giv4@festu.khv.ru
2Устинова Екатерина Васильевна, аспирант, преподаватель кафедры гидравлики и водоснабжения, тел.: 89147762411, (4212) 407507, e-mail: ekaterina_u@mail.ru
Ustinova Ekaterina Vasilievna, postgraduate student, lecturer of the chair of Hydraulics and Water supply, tel.: 89147762411, (4212) 407507, e-mail: ekaterina_u@mail.ru
3Бирзуль Алексей Николаевич, аспирант, преподаватель кафедры гидравлики и водоснабжения, тел.: (4212) 407507, e-mail: birzul@listl.ru
Birzul Alexey Nikolaevich, postgraduate student, lecturer of the chair of Hydraulics and Water supply, tel.: (4212) 407507, e-mail: birzul@listl.ru
галометаны (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ. Серийно, в соответствии с ТУ 3614-702-05834388-02 РФ, производятся установки АКВАХЛОР-100 и АКВАХЛОР-500 производительностью 100 и 500 грамм газообразных оксидан-тов в час. Принцип работы установок АКВАХЛОР состоит в электрохимическом синтезе влажной газообразной смеси оксидантов - хлора, диоксида хлора и озона - из водного раствора хлорида натрия концентрацией 200 - 250 г/л.
В отличие от традиционных технологий получения хлора - ртутного диафрагменного электролиза и электролиза с ионообменной мембраной, технология получения газообразной смеси оксидантов в установке АКВАХЛОР не требует подкисления исходного раствора хлорида натрия, не нуждается в дополнительном вводе воды и химических реагентов в растворы, позволяет осуществить разделение хлоридного раствора на необходимые продукты за один цикл обработки в электрохимическом реакторе, т.е. является принципиально новой. Безопасная эксплуатация установок АКВАХЛОР и отсутствие риска отравления обслуживающего персонала и окружающей среды неконтролируемым выбросом хлора гарантированы малым объемом газообразных оксидантов (менее 200 мл), которые под небольшим давлением во время работы установки протекают по трубопроводу внутри установки через регулятор давления газа и поступают в эжек-торный смеситель, где растворяются в небольшом объеме обрабатываемой воды, превращаясь таким образом в аналог хлорной воды. Таким образом, технология хлорирования с применением установок АКВАХЛОР имеет очевидные преимущества по критериям охраны и гигиены труда, экологической безопасности и экономичности данного метода обеззараживания воды и минимизации суммы сопряженных рисков [1].
В таблице приведены некоторые технические характеристики установки АКВАХЛОР-100, заявляемые производителем.
• эксплуатационные особенности установки;
• причины, носящие случайный (стохастический) характер (изменение напряжения в электрических контактах, уровня анолита, величины разряжения в хлорном и водородном коллекторах температуры и состава рассола, токовой нагрузки, температуры окружающей среды и т.д.).
В условиях нестационарности, когда параметры процесса непрерывно меняются, расчет их связан с определенными трудностями. Из всех параметров процесса электролиза остановились на более важных, от которых существенно зависят экономические показатели установки, - выход по току (п, %) и общий расход электроэнергии (Ж, Вт • ч/г).
Выходом по току определяется степень полезного использования электрического тока, проходящего через ПЭМ, для получения целевых продуктов (раствора оксидантов и католита). Все побочные процессы, связанные с затратой тока, а также химические реакции взаимодействия с целевыми продуктами и растворение газообразных продуктов в жидких средах уменьшают выход по току. Вследствие разного влияния побочных процессов выход по току каждого из целевых продуктов электролиза различен. Зависимость для расчета выхода по току продуктов электролиза имеет вид (закон Фарадея):
п =
б • С •100% Ч • I
(1)
где б - расход раствора оксидантов (расход католи-
та), л/ч; С - концентрация раствора оксидантов в пересчете на С1 (концентрация католита в пересчете на МаОИ), г/л; ч - электрохимический эквивалент
(для Соксид 9=35,45; для С№он 9=40), г / А • ч ; I -сила тока, А.
В электрохимическом реакторе основной является реакция выделения молекулярного хлора и образова-
Наименование показателей Значение
Производительность по смеси оксидантов, г/ч 100
Концентрация оксидантов в растворе при производительности 100 л/ч, мг/л от 900 до 1000
Водородный показатель раствора оксидантов рН 2,0 - 3,0
Мощность, потребляемая установкой при номинальном режиме работы, Вт, не более 2000
Номинальное значение на реакторе электрохимического блока: - тока, А - напряжения, В 30±5 16-20
Расход католита в дренаж, л/ч 1-2
Номинальное давление газа в анодной камере реактора электрохимического блока, атм. 0,6-0,8
Удельный расход электроэнергии на синтез смеси оксидантов, Вт - ч/г 1,8 - 3,5
Целью данной работы является исследование характеристик процесса получения раствора оксидантов и щелочи (№ОН) на установке АКВАХЛОР -100 в условиях нестационарности [2]. Неизбежность неста-цианарнасти связана с такими причинами, как:
• технические характеристики проточного электролитического модуля (ПЭМ-7) в установке АКВАХЛОР;_
ния гидроксида натрия:
ЫаС/ + И20 - е ^ ЫаОИ + 0,5И2 + 0,5С/2.
Для выполнения экспериментальных исследований и выявления зависимостей между силой тока и концентрациями раствора оксидантов и католита были выбраны управляемые факторы (I - сила тока, А; и -напряжение, В; Р - давление в анодной камере, атм),
назначены выходные параметры (Соксид - концентрация раствора оксидантов, г/л, Скатолит - концентрация католита, г/л), подобрано оборудование для проведения экспериментов.
Параметры силы тока устанавливались по амперметру установки АКВАХЛОР (рис. 2) при помощи кнопочного регулятора на передней панели блока управления. В исследовании выбран шаг измерений, равный 5 А, минимальное значение силы тока - 15 А, максимальное - 30 А. Данный диапазон изменений был выбран в зависимости от технологических особенностей установки АКВАХЛОР -100.
Параметры напряжения устанавливались автоматически при изменении силы тока, данные изменения можно было наблюдать по вольтметру установки (рис. 2), номинальным рабочим значением напряжения является 16-20 В.
Давление газа в анодной камере реактора устанавливается в пределах 0,6-0,8 атм, что контролируется визуально по манометру (рис. 2). В данной экспериментальной работе давление поддерживалось равным 0,7 атм.
Расход раствора оксидантов устанавливается перед началом работы установки и соответствует расходу, заявленному производителем и равному 100 л/ч. Расход католита определяется в ходе работы устано-ки и соответствует 1,8 л/ч. Интервал забора проб составляет 10 мин, что соответствует времени установления устойчивого режима работы установки АКВАХЛОР-100. Для определения концентрации раствора оксидантов в пересчете на активный хлор пользовались спектрофотометром DR 2800 (HACH-LANGE, Германия) [3]. За искомый результат бралось среднее арифметическое пяти показаний прибора.
Для определения массовой концентрации католита в пересчете на NaOH Скатолит, г/дм3, воспользовались титриметрическим методом [4] (индикатор 1%-ный спиртовой раствор фенолфталеина) и формулой
Vcp • 0,004 • 250 -1000
сР _
50
(2)
где V - среднее арифметическое из объемов рас-
ср
- масса гидроокиси натрия, соответствующая 1 см раствора соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/ дм3, г; 250- коэффициент разбавления исходной пробы католита; 50 - объем разбавленной пробы, мл.
Блок управления
хода соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/дм3, израсходованных на титрование, см3; 0,004
Рис. 2. Схема экспериментальной установки (передняя панель и вид сзади)
По результатам эксперимента построена зависимость концентрации раствора оксидантов от силы тока (рис. 3).
Анализ полученных данных показал, что концентрация раствора оксидантов в пересчете на активный хлор прямо пропорциональна силе тока и имеет ли-
С ила тока I, А
Рис. 3. Зависимость концентрации раствора оксидантов от силы тока
нейную зависимость, т.е., с повышением силы тока увеличивается концентрация раствора оксидантов, которую можно описать уравнением = 0,03 • I + 0,4302.
Также можно заметить, что средняя концентрация раствора оксидантов соответствует заявленным производителем значениям (см.таблицу).
По результатам эксперимента построена зависимость концентрации католита от силы тока (рис. 4).
Иллюстрация экспериментальных данных показывает, что концентрация католита в пересчете на №ОН прямо пропорциональна силе тока и легко апроксими-руется в линейную зависимость, которую можно описать уравнением
СЫаОН = 1,85 • I - 0,79.
Можно заметить, что максимальная концентрация католита не соответствует заявленным производителем значениям и равняется СЫаОН = 58,6 г/дм3 при
1=30 А (см. таблицу). По мнению авторов, данное несоответствие можно обосновать меньшей концентрацией исходного раствора поваренной соли.
Согласно экспериментальным данным (см. рис. 3 и 4) и формуле (1) были рассчитаны и построены зависимости выхода по току и концентраций целевых продуктов (рис. 5 и 6).
Как видно из графиков, получена линейная зависимость и в среднем выход по току по раствору оксидантов не превышает 14%, выход по току по католиту не превышает 7%, что подтверждается в [5]. Несмотря на небольшой выход по току, данные продукты себя зарекомендовали как эффективный дезинфектант и сильная щелочь (значение рН около 13). Основной процент выхода по току тратится на процесс разрушения основных химических реакций электролиза и теп-лопотери (рис.7).
Общий расход электроэнергии на единицу хлор-содержащих соединений W, Вт*ч/г, определяется по формуле
ттг и
Ж =-, (3)
я п
где и - напряжение на установке при получении максимальной концентрации раствора оксидантов, и = 17,7 В;
17 7
Ж =-^-= 2,94Вт • ч/г.
35,45 • 0,17
Из имеющихся литературных источников известно, что минимально возможные затраты при электролизе растворов с концентрацией соли более 120 г/л
-5. ^ 70 1= = 60 ^ 5 50 га ы | % 30 о. £ 20 и ® 10 о И 0 1
+
♦ —--—~ ♦
♦ —-— ♦
0 15 20 Сила тока 25 1, А 30 35
Рис. 4. Зависимость концентрации католита от силы тока
Рис. 5. Зависимость выхода по току для раствора Рис. 6. Зависимость выхода по току для
оксидантов от силы тока католита от силы тока
Рис. 7. Балансовая схема распределения электричества в установке АКВАХЛОР-100
составляют Ж = 4,5кВт • ч/кг. По результатам расчетов, проведенных на основе экспериментальных данных, при электрохимической активации удельный расход электроэнергии на получение активного хлора
составляет Ж = 2,94кВт • ч/кг, что в 1,5 раза меньше, чем при электролизе, что свидетельствует о более экономичной работе установки АКВАХЛОР-100 по сравнению с другими диафрагменными электролизерами.
Выводы, которые можно сделать с учетом изложенного выше, сводятся к следующему:
1. Исследованы характеристики процесса получения раствора оксидантов и щелочи (№ОН) на установке АКВАХЛОР -100 в условиях нестационарности.
2. Предложена методика по определению зависимостей концентраций раствора оксидантов и щелочи от силы тока, позволяющая оценить работу установки АКВАХЛОР-100.
3. Разработана балансовая схема распределения затрат электроэнергии по продуктам выхода электролиза.
Библиографический список
1. Инструкция по применению раствора оксидантов, вырабатываемого установками типа «АКВАХЛОР», для дезинфекции воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод, воды плавательных бассейнов. М.: Б.и., 2002. 10 с.
2. Ротинян А.Л., Филатов В.П., Цибизов Г.В. Оптимизация производства хлора (диафрагменный метод). М.: Химия, 1980. 272 с.
3. DR 2800 Spectrophotometer: procedures manual. Edition 2. - HACH COMPANY, 2007. 814 c.
4. ГОСТ 11086-76 Гипохлорит натрия. Технические условия.
5. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов / [ В.М.Бахир и др.]. М.: ВНИИИМТ, 2001. 176 с.
