Исследование интенсификации процесса умягчения воды в электрохимических ячейках диафрагменного электролизера в системах водоподготовки на малых объектах теплоэнергетики

УДК 621.182

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЙКАХ ДИАФРАГМЕННОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА В СИСТЕМАХ ВОДОПОДГОТОВКИ НА МАЛЫХ ОБЪЕКТАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

Е.О. ШИНКЕВИЧ, Ю.М. ДЕМИДОВА А.Г. ЛАПТЕВ Казанский государственный энергетический университет

Проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение зависимости силы тока и степени умягчения от рН электролита и времени пребывания воды в аппарате диафрагменного электролиза. Полученные результаты позволили разработать рекомендации для выбора рабочих режимов работы электролизера, входящего в систему водоподготовки котельных малой и средней производительности.

Ключевые слова: электрохимия, водоподготовка, углекислота, энергосбережение.

Современная экономическая ситуация диктует новые условия, при которых получают заметное развитие котлы малой мощности как в системах теплоснабжения, так и в энергетическом хозяйстве в целом. Накопленная практика показывает, что по-прежнему главным условием обеспечения надежности и экономичности при эксплуатации таких энергетических установок остается рациональное решение вопросов водоподготовки. При этом подготовка воды на данных энергетических объектах ориентирована на реализацию традиционных способов, включающих двухступенчатую фильтрацию на натрий-катионитных фильтрах и деаэрацию.

Важно отметить один весомый фактор, лимитирующий использование данного способа водоподготовки - высокий расход реагентов на восстановление ионообменной способности ионитов, и, как следствие, высокие эксплуатационные затраты, величина которых примерно того же порядка, что и стоимость котлоагрегатов. Стоит также отметить, что в настоящее время все большее внимание уделяется исследованию и внедрению технологий водоподготовки, отвечающих принципам безотходности.

Существенным резервом в осуществлении мероприятий по разработке и созданию безотходных и малоотходных технологий подготовки воды является использование электрохимических методов очистки, отличающихся высокой эффективностью, экологичностью, а также простотой эксплуатации и автоматизации [1]. Положительно зарекомендовал себя эксперимент по внедрению в систему водоподготовки малых объектов теплоэнергетики аппарата диафрагменного электролиза, позволяющего обеспечить необходимую степень умягчения питательной воды для стационарных паровых котлов: общую жесткость, мг-экв/л, - 0,1. Однако на сегодняшний день остается актуальным вопрос о снижении энергоемкости всех электрохимических методов умягчения воды.

© Е.О. Шинкевич, Ю.М. Демидова, А.Г. Лаптев Проблемы энергетики, 2009, № 5-6

Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что существуют способы интенсификации вышеуказанных процессов за счет изменения конструкций аппаратов [2,3], ввода дополнительных реагентов, в частности нитрита аммония [4], и др. Однако все эти способы справедливы лишь для электродиализных установок, работающих в режиме одновременного обессоливания и концентрирования водных растворов.

В настоящих исследованиях анализировалось влияние различных значений рН на изменение токовых характеристик и, как следствие, степени умягчения воды в аппарате диафрагменного электролиза непроточного типа. Для поддержания определенных значений рН использовались едкий натр и соляная кислота.

Схема работы аппарата изображена на рис. 1. Установка состоит из источника тока, в качестве которого служит регулируемый выпрямитель ВСА-5К 1. На панели прибора расположены вольтметр и амперметр, с помощью которых фиксируется текущее значение тока и напряжения. Диафрагменный электролизер 2 состоит из анода 4 (алюминий марки ДП12) и катода 6 (титан марки ВТ-1-00); полупроницаемой диафрагмы 5 из брезентовой ткани; емкости 3, в которую собирается вода из обеих полостей аппарата ЭХУ. Площадь электрода (анода) равна 0,182 м2.

Рис. 1. Принципиальная схема работы экспериментальной установки ЭХУ воды объемного типа: 1 - источник постоянного тока /ВСА-5К/, 2 - лабораторная установка ЭХУ воды, 3 - емкость для обработанной воды, 4 - анод, 5 - диафрагма, 6 - катод

На начальном этапе исследования решено было проводить на модельных растворах, приготовленных на дистиллированной воде с электропроводностью близкой к 0, и исходным значением рН~7,0 с целью выявления оптимальных значений рН.

Общая методика проведения экспериментов в диафрагменном электролизере непроточного типа была следующей. На дистиллированной воде были приготовлены модельные жидкости с рН=3, 5, 7, 8, 11 соответственно. В отключенный аппарат ЭХУ заливался электролит с известным значением рН в анодную и катодную камеры соответственно. Затем на электроды подавалось напряжение 50 В. По прошествии запланированного промежутка времени пребывания воды в аппарате (от 0 до 500 сек с шагом в 100 сек) замерялась сила тока. После этого вода из катодной и анодной камер сливалась в отдельные емкости и аппарат отключался. Результаты проведенного © Проблемы энергетики, 2009, № 5-6

эксперимента по исследованию влияния рН на изменение силы тока в зависимости от времени пребывания модельных жидкостей в аппарате диафрагменного электролиза сведены в табл. 1 и представлены на рис.2 в виде зависимости силы тока от времени пребывания модельных растворов в аппарате и рН электролитов.

Таблица 1

Результаты эксперимента, проведенного на модельных растворах на аппарате ЭХУ

Время пребывания воды в аппарате, сек № опыта Сила тока, А

рН=3 рН=5 рН=7 рН=8 рН=11

0 1 0 0 0 0 0

100 1 3,95 2,7 1,55 2,5 3,375

2 4,01 2,6 1,45 2,5 3,37

200 1 4,75 2,89 1,72 2,33 4,05

2 4,75 2,71 1,68 2,32 3,95

300 1 4,95 3,0 1,825 2,27 3,46

2 4,75 3,0 1,827 2,28 3,465

400 1 4,36 2,4 2,1 2,25 2,21

2 4,34 2,38 2,0 2,25 2,2

500 1 3,87 1,7 2,15 2,23 1,52

2 3,88 1,9 2,05 2,22 1,5

«! 6 ^ 5 4 3 2

рН=3 рН=5 рН=7 рН=8 рН=11

100

200

300

400

500 600

т, сек

Рис. 2. Зависимость силы тока от рН модельных растворов и времени их пребывания в аппарате ЭХУ: I - сила тока, А; т - время пребывания воды в аппарате, сек

Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее. При времени пребывания воды в аппарате 500 сек максимальные токи (до 4,8 А) развиваются при рН=3. При рН=5, 7, 8, 11 сила тока колеблется на уровне 1,5*2,2 А. Аналогичная ситуация наблюдается и при времени пребывания - 400 сек.

При времени пребывания воды в аппарате от 0 до 300 сек максимальные значения токовой характеристики наблюдаются при рН=3 и рН=11.

Дальнейший эксперимент проводился по аналогичной методике при рН=3 и рН=11 на воде из р. Кама Челнинского водозабора с общей жесткостью 5,4 мг-экв/л и рН=8. После обработки в аппарате диафрагменного электролиза определяли общую жесткость католита и анолита. Причем если жесткость анолита определяли сразу же после умягчения, то жесткость католита - после отстаивания в течение 30 минут и фильтрования.

Результаты экспериментов представлены в графическом виде на рис. 3 и 4.

1

0

0

3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

200

400 600

т , сек

рН=8 рН=11 -рН=3

Рис. 3. Зависимость силы тока от рН воды из р.Кама и времени пребывания воды в аппарате ЭХУ: I - сила тока, А; т - время пребывания воды в аппарате, сек

Из рис. 3. видно, что наибольшие значения силы тока на всем интервале времени пребывания воды в аппарате наблюдаются при рН=3 и рН=11, что подтверждает эксперимент с модельными жидкостями. Причем максимум силы тока при любых значениях рН достигается при времени пребывания воды в аппарате 100 сек.

200

400

-рН=3 -рН=8 -рН=11

а)

0

0

т, сек

Ч 6 ? 5

«о

200

рН=3 рН=8 рН=11

400 600

т, сек

б)

Рис. 4. Влияние рН на изменение жесткости воды в процессе умягчения воды из р. Кама в аппарате ЭХУ: а) анолит; б) католит Жоб - общая жесткость, мг-экв/л; т - время пребывания воды в

аппарате, сек

1

0

0

Из рис. 4. видно, что снижение жесткости происходит при любых значениях рН на всем интервале времени пребывания (от 0 до 500 сек). Однако при обработке исходной воды с рН=8 значение общей жесткости уменьшается с 5,4 до 1,9 мг-экв/л в анолите и до 0,6 мг-экв/л в католите. При обработке воды с рН=11 жесткость анолита снижается до 1,4 мг-экв/л, католита - до 0,1 мг-экв/л. При рН=3 удаление из воды катионов жесткости и в катодной и анодной камерах электролизера происходит до 0,01 мг-экв/л.

При максимальных токах, которые развиваются при времени пребывания в аппарате 100 сек, степень очистки от солей жесткости не удовлетворяет нормам воды для паровых котлов. Однако при рН=3 умягчение воды до 0,1 мг-экв/л происходит при 200 сек, что позволяет в 2,5 раза сократить время пребывания воды в аппарате, а следовательно, и расход электроэнергии.

Стоит отметить, что в питательной воде паровых котлов не регламентируется содержание хлоридов и натрия, однако регламентируется рН и солесодержание в пересчете на NaCl [5]. Данные показатели определяли после смешения анолита и отстоянного католита. Так, солесодержание обработанной воды в аппарате диафрагменного электролиза составило 230 мкг/кг при норме не более 250 мкг/кг. рН=7,4 при норме рН 7+11.

Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее:

1. Эксперимент по изучению влияния рН на изменение силы тока, проведенный на аппарате ЭХУ на воде из р. Кама, подтвердил результаты эксперимента с модельными растворами: максимальные значения токовой характеристики наблюдаются при рН=3 и рН=11.

2. Исследования по умягчению воды, проведенные на воде из р.Кама Челнинского водозабора с рН=8 и жесткостью 5,4 мг-экв/л, показали, что при обработке воды с рН=3 и рН=11 наблюдается большая степень очистки воды от солей жесткости по сравнению с рН исходной воды.

3. При рН=3 время пребывания воды в аппарате возможно сократить в 2,5 раза (до 200сек), что позволяет снизить удельный расход электроэнергии примерно в 2 раза по сравнению с электрохимическим умягчением воды в аппарате диафрагменного электролиза без корректировки рН.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что интенсификация процессов умягчения воды в аппарате диафрагменного электролиза, включенного в систему подготовки воды котельных малой и средней производительности, возможна за счет изменения рН обрабатываемой воды.

Summary

The series of experiments have been carried out to find out the dependence of the current strength and the depth demineralization o fwater on pH electrolyte and the period of time the water is staying in the diaphragmal electrolyse machine. The results helped to developed some recommendations on updating the regimes of the electrolyser used in the water treatment systems of boiler rooms of large and medium productive capacity.

Key words: electrochemistry, water treatment, carbonic acid dioxide, the energy-economy.

Литература

1. Вурдова Н.Г., Фомичев В.Т. Электродиализ природных и сточных вод. М.: АСВ, 2001. 144 с.

2. А.С. 1828846 СССР. Электролизер для очистки воды / Я.А. Боровой, В.М. Егоров, В.Л. Филипчук (СССР). №4842920/26.

3. А.С. 1691318 СССР. Способ электрохимической очистки воды / С.В. Образцов, В.М. Кецкало (СССР). №4692287/26.

4. А.С. 1089057 СССР. Способ очистки сточных вод / В.Н. Пономарев, Г.М. Бейгельдруд (СССР). №3512337/23-26.

5. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.

Поступила в редакцию 26 февраля 2009г.

Шинкевич Елена Олеговна - канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры «Технология воды и топлива» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 264-60-26; 8903-3412020. E-mail: lenshink@mail.ru.

Демидова Юлия Михайловна - аспирант Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 513-99-04; 8-903-3055594. E-mail: Kvantor04@yandex.ru.

Лаптев Анатолий Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология воды и топлива» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 267-43-38.