CC BY
127
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 541.13; 621.357
РАЗРАБОТКА ПРОТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
А.Л. Конюшков, кандидат технических наук, доцент Волгоградский государственный агроуниверситет
С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.Н. Лагутин, инженер Е.И. Чушкина, научный сотрудник
ГНУ Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных
технологий Россельхозакадемии
С целью совершенствования устройств для электрохимической активации воды предложена новая конструкция пористой диафрагмы, состоящая из сепаратора для автомобильных батарей, закрепленного на металлическом сетчатом каркасе.
Ключевые слова: активация воды, пористая диафрагма, сепаратор, сетчатый каркас.
Важнейшей проблемой земледелия является повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Из множества способов стимуляции прорастания семян и роста растений наиболее перспективным является способ их обработки электрохимически активированной водой (католитом и анолитом). Проводимые в этом направлении исследования выполняются в лабораторных условиях с применением различных установок для электрохимической активации воды, например проточных активаторов воды типа СТЭЛ (изготовитель НПО «ЭКРАН»), обеспечивающих обработку до 20 л/ч воды [2]. При этом внедрение результатов научных исследований в сельскохозяйственное производство сдерживается отсутствием технически эффективных и доступных электрохимических реакторов, предназначенных для получения активированной воды в большом объеме.
Создание проточных электрохимических реакторов для получения больших объемов активированной воды при ее малой минерализации (150-300 мг/л) является сложной задачей по причине их низкой энергетической эффективности и имеющихся трудностей, связанных с техническим обслуживанием. За период с 1973 по 1988 годы было создано, изготовлено и испытано более 100 различных типов промышленных электрохимических систем, в которых прослеживался стандартный подход: стремление достичь большей поверхности электродов (пакет плоскопараллельных электродов), меньшего межэлектродно-го расстояния, лучшего перемешивания воды в электродных камерах. Попытки создания промышленных установок производительностью от 1 до 25 м /час с плоско параллельными электродами показали на их низкую энергетическую эффективность из-за возникновения «пятнистой электропроводности», которая связана с образованием застойных зон с увеличенной концентрацией продуктов электрохимических реакций, что приводит к перераспределению плотности тока по поверхности электрода и значительно ухудшает технические параметры электрохимических реакторов. Наиболее эффективной разработкой явился реактор типа ПМЭ-3, применяемый в проточных установках типа СТЭЛ и представляющий собой диафрагменный электролизер, с вертикально расположенными цилиндрическими электродами: трубчатым катодом с внутренним диаметром 14 мм и стержне-
вым анодом диаметром 8 мм, между которыми размещена трубчатая пористая диафрагма толщиной 0,6 мм и длинной рабочей части равной 200 мм, которая образует рабочие камеры. Диафрагма представляет собой ультрафильтрационную мембранную систему со средним размером пор 10-100 нм и протекаемостью 0,5-2,0 мл/м -ч-Па, что обеспечивает ионную проводимость между разнополярными электродами и сводит к минимуму смешивание продуктов активации, получаемых в рабочих камерах. При обработке водопроводной воды с исходными значениями рН=7,1; 0ВП=+340 мв в реакторе ПМЭ-3 получены параметры анолита рН=2,7; 0ВП=+1100мв и католита рН=10,9; 0ВП=-860мв, при удельном расходе энергии 0,75-1,25 квт-ч/м [1, 3]. Изменение свойств водных растворов происходит в процессе протекающих электрохимических реакций при массообмене воды, который активизируется посредством образования микропузырьков электролизных газов размером
0,5-5 мкм.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность изготовления тонкостенной керамической диафрагмы с заданными характеристиками, ее хрупкость, малый расход обрабатываемой жидкости. Для увеличения производительности число элементов увеличивают от 4 до 100 штук, что приводит к удорожанию, усложнению, увеличению габаритов и снижению надежности установки.
С учетом накопленного опыта была создана установка для электрохимической активации (ЭХА) питьевой и оросительной воды, которая содержит вертикально установленные цилиндрический и стержневой электроды с трубчатой, пористой диафрагмой между ними, установленной на каркасе из трубчатого полипропилена, в котором выполнены радиальные отверстия [4]. В качестве пористой диафрагмы использован сепаратор для автомобильных стартерных батарей типа RhinoHide® RSTM компании «Entek International Ltd.», соответствующий по своим характеристикам ультрафильтра-ционным мембранам. Сепаратор изготовлен на основе полиэтилена, характерной особенностью которого является малая толщина основного слоя - 0,15 мм. Тонкая подложка сепаратора имеет преимущества низкой стоимости, низкого электрического сопротивления. Технические характеристики сепаратора приведены в таблице 1, а его внешний вид показан на рисунке 1. Данный класс сепараторов характеризуется высокой пористостью - 60 % при среднем размере пор - 0,1 мкм и низким электрическим сопротивлением - 0,05 Ом/см . В качестве диафрагмы могут быть использованы сепараторы, изготовленные из других материалов, физико-химические показатели которых приведены в таблице 2.
Таблица 1 - Характеристики сепаратора RhinoHide® RSTM
Характеристика Размеры, мм Допуск
Ширина сепаратора 160-162 ±0,8
Толщина 0,6 - 1,4 ±0,06
Подложка 0,15-0,25 ±0,025
Заплечики 16,5 ±4,5
Шаг больших ребер 18,14 (при 160 мм)
Шаг малых ребер 3,02 (при 160 мм)
Радиус малых ребер 0,18
Высота ребер заплечиков 0,10
Шаг ребер заплечиков 0,825
Во всех базовых типах сепараторов, за исключением сепараторов на основе феноловых смол, используется мелкоячеистый кремнезем, образующий в материале пористую структуру. Кремнезем вводится в структуру сепаратора на основе полиэтилена, каучука и др. с помощью масел или воды. Затем жидкость из структуры сепаратора удаляется с помощью растворителя и путем просушивания материала. Оставшаяся структура из кремнезема кварца определяет пористую структуру сепаратора - размер пор, пористость (%), извилистость. Когда речь заходит о полиэтиленовых сепараторах, то следовало бы говорить о сепараторах «UHMWPE», то есть о сепараторах из полиэтилена сверхвысокого молекулярного веса. UHMWPE придает продукту уникальность, так как он стоек к истиранию, а с сильно диспергированным кремнеземом создает пористую пленку со средним диаметром пор 26-27 нм.
Таблица 2 - Физико-химические показатели различных типов сепараторов
Показатели Тип сепаратора
Полиэтилен Полиэтилен/ каучук ПВХ Каучук Феноловая смола
Прочность Отличная Отличная Хорошая Средняя Хорошая
Эластичность / твердость Эластичный Эластичный Твердый Эластичный Твердый
Средний диаметр пор (мкм) 0.10 0.10 0.22 0.06 0.50
Пористость (%) 55-65 50-60 60-70 45-55 60-70
Сопротивление (Ом/см2) 0.120 0.110 0.130 0.250 0.140
Устойчивость к окислению Отличная Отличная Отличная Хорошая Хорошая
Из приведенных сепараторов в качестве диафрагмы для устройств ЭХА можно использовать микропористые сепараторы из каучука -БЬЕХ^ГЬ®, комбинированные сепараторы на основе полиэтилена и каучука с полиэтиленом - Се1Шогсе®. Сепараторы из эластичного ПВХ (поровинил и винипор) имеют значительный размер пор, обладают существенной протекаемостю и не могут быть рекомендованы в качестве диафрагм в установках для ЭХА воды.
Рисунок 1 - Сепаратор RhinoHide® RSTM
Существенным конструктивным недостатком рассмотренной установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды является малая рабочая поверхность диафрагмы из-за ее перекрытия трубчатым полипропиленом, в котором выполнены радиальные отверстия и являющегося каркасом для пористой диафрагмы и увеличенный зазор между стержневым электродом и диафрагмой (на толщину стенки полипропиленового каркаса). Кроме того, в радиальных отверстиях трубчатого каркаса образуются застойные зоны медленного течения жидкости, что отрицательно влияет на характеристики электрохимического реактора. При этом возрастает напряжение, необходимое для проведения электрохимической реакции и увеличивается удельный расход энергии.
Для повышения энергетической эффективности установки для ЭХА воды за счет снижения энергозатрат процесса электрохимической активации воды разработано устройство, в котором трубчатая диафрагма из пористого материала закреплена на металлическом сетчатом каркасе цилиндрической формы с установленными по его торцам электроизоляционными кольцами, причем часть ячеек сетчатого каркаса скреплена контактной сваркой в равномерно распределенных по его поверхности точках. Использование в качестве основания для пористой диафрагмы изолированного от электродов цилиндрического каркаса из металлической сетки позволило получить тонкостенный сетчатый несущий элемент, способный оказывать сопротивление трем видам нагрузок: кручению, растяжению и сжатию [5].
Сопоставительный анализ двух установок для ЭХА воды с пористой диафрагмой, установленной на трубчатом каркасе, выполненном из полипропилена с радиальными отверстиями и из тканой нержавеющей сетки ГОСТ 3826-82 с размером ячейки в свету 2х2мм, показывает на снижение во втором случае перекрытия диафрагмы каркасом с 60 % до 24 % и уменьшение толщины стенки каркаса на 70 %. Проведенные испытания показали уменьшение энергозатрат в 2,8 раза при условии сохранения радиальных зазоров между электродами и каркасом с диафрагмой.
Выводы:
1. Создание эффективных промышленных установок для ЭХА воды произ-
водительностью свыше 1 м /ч возможно при использовании в качестве диафрагмы сепараторов для автомобильных батарей.
2. Наилучшими характеристиками обладают сепараторы, изготовленные из
полиэтилена сверхвысокого молекулярного веса UHMWPE.
3. Наиболее совершенным устройством для ЭХА воды является установка с трубчатым каркасом под диафрагму, выполненным из тканой нержавеющей сетки.
Библиографический список
1. Бахир, В.М. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы [Текст]/ Под ред. д.т.н. В.М. Бахира. - М.: АМТН РФ, ВНИИИМТ, 1999. - С. 253.
2. Влияние электроактивированной воды при предпосевной обработке семян на рост, развитие и продуктивность нута [Текст]/ И.М. Осадченко, О.В. Харченко, В.Н. Чурзин, А.В. Куприянов// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - №1(17). - С. 53-57.
3. Устройство для обеззараживания и очистки воды. [Текст]: патент ЯИ №2040477, МПК7 С02Б1/46/ Бахир В.М., Задорожный Ю.Г., Рахманин Ю.А. - № 5035666/26; заявлено 03.04.1992; опубл. 25.07.1995,-4с.: ил.
4. Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды [Текст]: патент ЯИ №2252920, МПК7 С02Б1/46 /Карпунин В.В., Алимов А.Г., Карпунин В.В., Лагутин А.Н., Алимов А.А., Салдаев А.М., Абезин В.Г. - № 2004119650/15; заявлено 28.06.2004; опубл. 27.05.2005, бюл. № 15. - 10 с.: ил.
№ г fto) 2oп
5. Установка для электрохимической активации воды [Текст]: патент RU №2438988, MПК C02F1/46 /Конюшков А.Л., Карпунин В.В., Алимов А.Г., Лагутин А.Н. -№ 2009135628/05; заявлено 24.09.2009; опубл. 10.01.2012, бюл. № 1.-5с.: ил.
E-mail: [email protected]
