Повышение эффективности процесса электрохимического умягчения воды в системах водоподготовки малых объектов теплоэнергетики

УДК 621.182

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ В СИСТЕМАХ ВОДОПОДГОТОВКИ МАЛЫХ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

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

Проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение зависимости степени умягчения воды от содержания в ней растворенной углекислоты. Полученные результаты свидетельствуют о возможности повышения степени электрохимического умягчения воды в аппарате диафрагменного электролиза за счет насыщения обрабатываемой воды углекислотой и образования труднорастворимого соединения карбоната кальция.

Ключевые слова: электрохимия, водоподготовка, углекислота, энергосбережение.

В настоящее время спрос на энергетические объекты малой мощности (котельные, мини-ТЭЦ) растет высокими темпами. Обеспечение надежности данных объектов в первую очередь зависит от системы подготовки воды, которая должна удовлетворять требованиям безотходности и ресурсосбережения.

Перспективным направлением в данной области является использование в системе подготовки воды метода диафрагменного электролиза. Однако актуальным остается вопрос интенсификации электрохимического умягчения воды, который бы позволил сократить время пребывания воды в аппарате, и, как следствие, расход электроэнергии при проведении процесса.

Анализ известных источников показал, что существуют возможности достижения необходимой степени умягчения воды (до 0,1 мг-экв/л) за счет ускорения процесса образования труднорастворимых соединений, в частности карбоната кальция: при использовании дополнительных реагентов, например, извести, а также при изменении конструкции аппаратов, что, в свою очередь, приводит к увеличению капитальных затрат [1]. Причем в первую очередь из труднорастворимых солей особый интерес представляют Mg(OH)2 и СаСО3, так как именно произведения растворимости данных соединений при температурах от 0 до 200°С имеют наименьшие значения.

Теоретические исследования доказывают, что выделение в осадок карбоната кальция невозможно при состоянии равновесия между растворенной в воде углекислотой и ионами кальция. Для процесса выделения и ускорения образования твердой фазы необходимо достаточное количество анионов угольной кислоты, которое в первую очередь зависит от рН природной воды [2].

В настоящих исследованиях анализировалось влияние двух различных концентраций растворенной углекислоты на образование и скорость роста зародышей карбоната кальция в объеме воды в двухкамерном диафрагменном электролизере непроточного типа. Схема и принцип действия аппарата подробно описаны в работе [3].

© Ю.М. Демидова, Е.О. Шинкевич, А.Г. Лаптев Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

В исследуемой воде с общей жесткостью 5,4 мг-экв/л концентрация ионов магния составляет 14,59 мг/л (0,608-10-3 моль/л), концентрация ионов кальция - 84,17 мг/л (2,10-Ю-3 моль/л). Ионы магния практически полностью расходуются на образование гидроксида магния. Поэтому количество углекислоты для образования труднорастворимых соединений должно быть эквивалентно количеству ионов кальция, то есть 2,10-10-3 моль/л или 47,04 млС02/л. Учитывая условия проведения эксперимента (негерметичность аппарата, изменение температуры воды в зависимости от времени пребывания воды и др.), целесообразнее в исследованиях использовать избыточное количество углекислоты. Так в эксперименте насыщение воды углекислотой производилось при нормальных условиях посредством сифона, позволяющего получить воду с концентрацией углекислоты 60,0 мл СО2/л.

Условия эксперимента были следующие. Насыщенная до 60,0 мл СО2/л вода из р. Кама Челнинского водозабора заливалась в отключенный аппарат ЭХУ (содержание углекислоты определялось афрометром-АП). 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 температура анолита и католита. После чего вода из катодной и анодной камер сливалась в отдельные емкости и аппарат отключался. Далее обработанная вода подвергалась анализу на рН; жесткость анолита определялась также после умягчения, жесткость католита - после отстаивания в течение 30 минут и фильтрования.

Для сравнения степени умягчения воды аналогичный эксперимент проводился на воде без искусственного насыщения обрабатываемой воды углекислотой. В обоих случаях исходная вода имела одинаковый физико-химический состав: рН 8, концентрация растворенной углекислоты 0,6 мл СО2/л. При искусственном насыщении воды углекислотой рН уменьшилось до значения 7,3.

Экспериментальные данные по изменению рН от времени пребывания воды в аппарате и концентрации растворенной углекислоты в катодной и анодной камерах электролизера представлены в графическом виде на рис. 1.

Рис. 1. Изменение рН воды с различным содержанием углекислоты в зависимости от времени

пребывания воды в аппарате ЭХУ

Известно, что при значениях рН воды меньше 4 ед. вся угольная кислота представлена только углекислым газом СО2, а при повышении рН до 12 - только карбонат-ионами, что является оптимальным условием образования труднорастворимого соединения карбоната кальция в катодной камере электролизера.

Анализируя рис.1, можно заключить, что при концентрации растворенной углекислоты 0,6 мл СО2/л значения рН, максимально приближенные к оптимальным (в анолите - рН=4,1; в католите - рН=12), достигаются при времени пребывания воды в аппарате 500 сек. При содержании в воде растворенной углекислоты 60,0 мл СО2/л рН=4 в анолите и рН=12 в католите наблюдаются при времени пребывания воды в аппарате 200 сек. Таким образом, можно предположить, что время умягчения воды в аппарате за счет образования карбоната кальция возможно сократить в 2,5 раза при насыщении обрабатываемой воды углекислотой до концентрации 60 мл СО2/л.

Для подтверждения вышеуказанного предположения необходимо сравнить степень умягчения в католите и анолите при различных концентрациях углекислоты в воде. Графики зависимости концентрации солей жесткости в камерах электролизера от времени пребывания воды в аппарате и содержания углекислоты представлены на рис. 2.

600 400 200 0 200 400 600

Рис. 2. Изменение жесткости воды с различным содержанием углекислоты в зависимости от времени пребывания воды в аппарате ЭХУ

Из рис. 2 видно, что при концентрации углекислоты в воде 0,6 мл СО2/л снижение концентрации солей жесткости наблюдается на всем промежутке времени пребывания воды в аппарате: с 5,4 мг-экв/л до 0,3 мг-экв/л в анолите и до 0,1 мг-экв/л в католите.

При концентрации углекислоты в воде 60 мл СО2/л общая жесткость снижается в анолите до 0,06 мг-экв/л, в католите - до 0,05 мг-экв/л. Причем концентрация солей жесткости 0,1 мг-экв/л, соответствующая нормам питательной воды паровых котлов, достигается при 240 сек в анолите и при 200 сек в католите. Заданную степень умягчения можно получить путем смешения католита и анолита после времени обработки воды в аппарате 225 сек.

Известно, что количество электричества при равных объемах обрабатываемой воды и напряжениях на электролизере зависит от токовой характеристики и времени пребывания воды в аппарате: W~I•т. На рис. 3

показаны зависимости силы тока от времени пребывания воды в электролизере при различном содержании растворенной углекислоты в воде.

Рис. 3. Зависимость силы тока от времени пребывания воды в аппарате при различном содержании растворенной углекислоты в воде

Из рис. 3 видно, что при содержании растворенной углекислоты в воде 60 мл СО2/л, по сравнению с водой с содержанием углекислоты 0,6 мл СО2/л, количество электричества возможно сократить в 1,96 раза.

Анализируя полученные данные, можно отметить следующее:

1. При увеличении концентрации растворенной углекислоты в воде из р. Кама Челнинского водозабора с 0,6 мл СО2/л до 60 мл СО2/л наблюдаются более высокие значения рН католита, что способствует ускорению процесса образования карбонат-ионов и, следовательно, образования труднорастворимых солей жесткости. Насыщение воды углекислотой проводилось при комнатной температуре и атмосферном давлении.

2. Исследования по умягчению воды с содержанием углекислоты 60 мл СО2/л показали: время обработки воды в аппарате диафрагменного электролиза возможно сократить до 225 сек с сохранением необходимой степени умягчения воды 0,1 мг-экв/л, что, в свою очередь, приведет к снижению энергоемкости электрохимического умягчения примерно в 2 раза.

Summary

The series of experiments have been carried out. They study the dependence of the quantity of dissoluble CO2 on the water softening. The results prove the possibility to increase the level of the electrochemical water softening in the diaphragmal electrolyse machine due to adding CO2 to the water and getting CaCO3, which is easy to utilize.

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

Литература

1. Патент 2166690. Россия. С 02 F 5/02. Устройство для умягчения воды / Болдырев В.В., Рожков С.И. // Опубл. 10.05.2001.

2. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004., С. 9-11.

3. Дыганова Р.Я., Шинкевич Е.О. Экспериментальные исследования очистки воды в условиях г. Казани методом ЭХО // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2001. №11-12. С.123-127.

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.