CC BY
20
УДК 621.187
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ В АППАРАТЕ ЭХУ ПРИ РАБОТЕ НА РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ЭЛЕКТРОДОВ И ИСХОДНЫХ СОЛЕСОДЕРЖАНИЯХ ВОДЫ
Е.О. ШИНКЕВИЧ, Р.Я. ДЫГАНОВА
Одной из задач, решаемой в данной статье, являются экспериментальные исследования влияния природы различных типов электродов, используемых в экспериментальной лабораторной электродиализной установке ЭХУ; электрических и гидродинамических условий; а также глубины умягчения вод с различным исходным солесодержанием. Использование в качестве мембран инертных полупроницаемых диафрагм оказывает положительное действие на процесс электроактивации ввиду отсутствия концентрационной поляризации.
Актуальной проблемой на сегодняшний день стала разработка практических аспектов теории ресурсных циклов применительно к системам водоподготовки на котельных с паровыми котлами малой и средней производительности. Идеи ресурсных циклов лежат в основе разработки мало- и безотходных технологий. Одним из элементов рассматриваемого цикла является эффективность, с точки зрения экологичности работы установленного оборудования для умягчения природных вод при производстве пара. Исключение влияния жесткости воды, поступающей для питания котлов и теплообменников, является важнейшей экономической задачей, позволяя убрать накипеобразование, а, следовательно, и перерасход топлива, трудозатраты на очистку от накипи и ремонт котлов, теплообменников и трубопроводов. Умягчение такой воды химическими методами имеет ряд недостатков, в частности связанных с проблемой утилизации элюатов, отходов с загрязнением окружающей среды [1].
В настоящее время для получения обессоленной воды как в теплоэнергетике, так и других областях народного хозяйства наиболее широко применяется метод ионного обмена, основанный на использовании ионообменных материалов. Основные недостатки этого метода [2]: большое потребление реагентов на регенерацию ионообменных смол (особенно при обработке воды повышенного солесодержания); сброс в природные водоисточники минеральных солей в заметно большем количестве по сравнению с количеством извлекаемым из воды, поступающей на обессоливание (в 2-3 раза); высокий расход частично деминерализованной воды на собственные нужды обессоливающей установки; значительная зависимость экономичности обессоливания от минерализации исходной воды, ограничивающая область применения метода.
В рамках поставленной цели представляют интерес электрохимические методы умягчения воды, достоинствами которых являются отсутствие необходимости введения в умягчающие аппараты посторонних компонентов (веществ) и прямой вывод из обрабатываемой воды безвредных для окружающей среды солей жесткости. На данном этапе исследований решались следующие задачи: анализ влияния природы различных типов электродов, используемых в экспериментальной лабораторной электродиализной установке ЭХУ, электрических и гидродинамических условий, а также глубина умягчения вод с
© Е. О. Шинкевич, Р. Я. Дыганова Проблемы энергетики, 2003, № 5-6
различным исходным солесодержанием. Применение в нашем аппарате в качестве мембран инертных диафрагм определило область наших исследований -электроактивацию, как частный случай электродиализа.
Принципиальная схема работы аппарата ЭХУ описана в работе [3]. Для настоящих исследований сам аппарат был модернизирован: создана асимметрия камер без измения общего объема аппарата. Объем катодной камеры составил 175 мл, анодной - 258 мл, межэлектродное расстояние - 2,0 см, площадь электрода -164,7 см2.
Гидродинамический режим работы аппарата - непроточный. Исходная
2 + 2+
вода, дилюат и рассол анализировались на содержание катинов Са и Mg трилонометрическим способом, ионов Н+ - иономером универсальным ЭВ-74.
В ходе исследований через аппарат пропускался постоянный электрический ток напряжением и = 50 В. На рис.1 представлены выходные кривые, отражающие зависимость изменения концентраций ионов жесткости от времени пребывания воды в аппарате для установленных типов электродов. Исследования проводились на воде р.Волга с исходным значением общей жесткости 3,8 мг-экв/л.
°Ы
1,23 1 0,75 05
\ дил оагт
0,75 ш
I
С К п 2С Ю 3( Ю 400 5С Ю ъое
Рис.1 Зависимость глубины умягчения с/с0 от времени пребывания воды в аппарате при использовании различных материалов электродов:
I - электроды из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т; II - электроды титановые;
III - катод - сталь 1Х18Н9Т, анод - титан
Как видно из рис.1, через определенный промежуток времени (до 400 сек) происходит снижение концентраций катионов жесткости, и для всех трех рассматриваемых систем наблюдается переход в стационарное состояние, характеризуемое постоянным значением концентрации ионов жесткости в дилюате во времени. Вместе с тем, в кинетической области (до наступления стационарного состояния) поведение каждой системы имеет свои особенности, что объясняется индивидуальными свойствами каждого типа установленных электродов.
Исследование процесса умягчения для всех рассмотренных типов электродов показало, что наибольшую глубину умягчения обеспечивают два электрода марки 1Х18Н9Т ввиду того, что они развивают повышенные значения плотностей тока (рис.2) и, как следствие, большую глубину умягчения воды. Еще
одной характеристикой данного типа электродов является следующее: при рентгенографическом анализе сухого остатка, полученного из воды рассольной камеры, осуществленном на модернизированном дифрактометре ДРОН-2.0 [4], выяснилось, что до 15% от общего количества осажденных соединений составляет арогонит СаСОз, который, как известно из [5], образуется в присутствии хрома
как стабилизатора, содержащегося в материале анода. Недостатком стальных электродов можно считать то, что в них содержится значительное количество железа, которое под действием тока интенсивно выделяется. Проанализировав характеристики существующих материалов электродов, пришли к выводу о целесообразности использования в качестве анода титанового платинированного электрода.
Рис.2. Динамика роста плотностей тока 1 в аппарате ЭХУ в процессе умягчения воды:
I - электроды из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т; II - электроды титановые;
III - катод - сталь 1Х18Н9Т, анод - титан
Второй задачей настоящих исследований было изучение динамики умягчения вод в аппарате ЭХУ при различных исходных солесодержаниях. В аппарате были установлены титановые электроды. Для сравнения использовались воды с исходными значениями жесткости 3,8 и 6,2 мг-экв/л. Исходная вода, дилюат и рассол анализировались методами, описанными выше. С измерительных приборов снимались показания текущей силы тока и температуры воды. Напряжение тока устанавливалось постоянным для каждой серии опытов 50 и 75 В.
Из рис. 3 видно, что при исходном значении общей жесткости 3,8 мг-экв/л степень очистки дилюата составила: при и = 50 В - 86,8% до Ж0= 0,5 мг-экв/л; при и = 75 В - 89,5% до Ж0=0,4 мг-экв/л. При исходном значении общей жесткости Жисх =6,2 мг-экв/л (рис.4) степень очистки дилюата составила: при и = 50 В - 79% до Ж 0 =1,3 мг-экв/л; и = 75 В - 88,7% до Ж 0 =0,7 мг-экв/л. Можно сделать вывод, что при увеличении содержания солей жесткости в исходной воде степень обессоливания в аппарате падает, это говорит о предельности возможного солесъема аппарата. В рассольной камере аппарата (рис. 3, 4) значение общей жесткости определялось сразу же на выходе, не давая окончательно образоваться © Проблемы энергетики, 2003, № 5-6
твердой фазе. Это было сделано с целью выявления механизма миграции 2 + 2+
катионов Са и Mg через диафрагму и образования твердой фазы в рассоле. Изменение показаний общей жесткости на графиках в рассольной камере можно объяснить следующим образом. Согласно расположению металлов в ряду напряженностей наиболее активным из примесей, содержащихся в воде, является
2 + 3 +
Ре , который в установке сразу же окисляется до Ре , образуя гидроксилы
железа РеО(ОН) ■ ПН2О и Ре(ОН)3, содержащиеся в полученной воде в
2+
незначительных количествах. Далее происходит активизация ионов Са . Известно из [4], что с увеличением рН доля свободной СО2 в воде уменьшается
при одновременном увеличении доли НСО -, и при значении рН=8,35 практически вся угольная кислота присутствует в форме бикарбонат-ионов, а при
2 _
рН до 12 она представлена только ионами СО3 . Поэтому только при достижении
рН приблизительно 11 в катодной камере происходит интенсивное соединение 2+
ионов Са и карбонат-ионов с образованием труднорастворимого соединения кальцита СаСО3 тригонального. В нашем случае в течение первых 100 сек в рассольной камере наблюдалась закономерность снижения общей жесткости (рис. 3, 4). Это происходит ввиду того, что рН рассола недостаточен для интенсивного — 2 —
распада НСО3 до СО3 , а миграция ионов кальция и магния через диафрагму
затруднена малыми значениями плотности тока. Поэтому жесткость в катодной камере незначительно снижается за счет образования твердой фазы в основном из ионов жесткости, содержащихся в воде этой камеры. Далее происходит рост рН и плотности тока в рассоле и при достижении рН 10,5-11 начинается активная миграция катионов к катоду и насыщение ими рассольной камеры. Но
2—
необходимый для образования твердой фазы анион СО3 , по-видимому, в
большой степени откачен в дилюат из-за малого объема рассольной камеры, поэтому жесткость рассола незначительно, но возрастает.
В результате можно сделать следующие выводы:
1. Исследование трех типов электродов показало, что их влияние на степень умягчения невелико (общий перепад по степени умягчения составил ~ 7%). Это позволяет говорить о целесообразности использования в наших исследованиях в качестве материала электродов титана ввиду наименьших энергозатрат.
2. Анализируемый аппарат ЭХУ имеет границу предельно возможного солесъема за один проход воды через него, что требует доочистки воды на второй ступени умягчения на ^-катионитном фильтре.
3. Исследование процессов, проходящих в рассольной камере, показало, что жесткость в динамике растет незначительно ввиду образования
2 + 2+
труднорастворимых соединений Са и Mg . Это дает возможность использования воды рассольной камеры после отстаивания для повторного использования в технологической схеме умягчения.
Рис.3. Зависимость изменения жесткости Ж0, рН дилюата и рассола от времени пребывания воды в аппарате при ЖИСХ=3,8 мг-экв/л:
1 - и=50 В; 2 - и=75В
Рис.4. Зависимость изменения жесткости Ж0, рН дилюата и рассола от времени пребывания воды в аппарате при ЖИСХ=6,2 мг-экв/л:
1 - и=50 В; 2 - и=75В
Summary
One of tasks solved in given clause is experimental researches of influence of a nature of various types of electrodes used in experimental laboratory electrodialyzer to installation to an ECD, electrical and hydrodynamical conditions, and also depth demineralization of waters with
various initial salt-content. Use as membranes inert half-pervious diaphragms renders positive action on process of electroactivation in view of absence of concentration polarisation.
Литература
1. Гагарин Э.Н., Емельянов Г.И., Калашников В.С. // Энергосбережение и водоподготовка.- 1998.- №3.- С. 48-52.
2. Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. - М.: Стройиздат, 1986. - 172 с.: ил.
3. Дыганова Р.Я., Шинкевич Е.О. // Известия ВУЗов: Проблемы энергетики.-2002.- № 11-12.- С. 123-127.
4. Королев Э.А., Морозов В.П., Мовчан Н.И., Умарова Н.Н., Бариева Э.Р. Моделирование процесса ионного обмена Ag(I) в тонкопленочном сорбенте РЬ8. Известия вузов: Проблемы энергетики.- 1999.- №11-12.
5. Брайнина Х.З. Инверсионная вольтамперометрия твердых фаз. Изд-во «Химия», 1972 г.
