Автореферат (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 2

Основные положения и результаты диссертации докладывались иобсуждались на следующих семинарах и конференциях: второй межотраслевой конференции«Вода в промышленности-2011», Москва, 2011 г.; Международном форуме «Крым Hi-Tech –2014», Севастополь, 2014; Международной научно-технической конференции «Автоматизация:проблемы, идеи, решения», Севастополь, 2015; Международной конференции «Приборостроение, электроника и телекоммуникации-2015» - IEET-2015, г.

Ижевск, 2015; Международнойнаучно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», Севастополь,2016; Международной конференции «Современное машиностроение: наука и образование4MMESE-2016» СПб, 2016.Работа выполнялась в рамках государственного контракта № 14.740.11.1024 от 23 мая2011 г. «Разработка принципов адаптивного управления и регулятора установок мембранного электролиза для обеззараживания воды с пролонгированным действием и высоким КПД»2011-2013 гг., ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на2009-2013 годы», и соглашения № 14.575.21.0080 от 16 июля 2014 г.

«Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков», 2014-2016 гг., ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:- концепция и технологические процессы получения анолита и феррата натрия путемэлектролиза в едином комплексном электролизном агрегате, их практическая реализация;- КЭА для получения анолита и ферратов в промышленных условиях, его схемные иконструктивные решения, программно-аппаратная реализация;- результаты экспериментальных исследований процесса электролиза анолита иферрата натрия в КЭА и промышленного применения полученных реагентов;- обоснование промышленной применимости и экономической эффективностипредложенных технических и технологических решений;- рекомендации по использованию результатов работы в обеззараживании питьевой итехнической воды, промышленных и бытовых стоков.Личное участие автора.

Все результаты исследований, изложенные в настоящейдиссертации, получены автором самостоятельно. Им выполнены постановка задач,разработка технических и технологических решений, разработка методик исследований ипроведение экспериментов, обработка и анализ результатов, написание статей и заявок напатенты, формулировка основных выводов.Публикации. По материалам диссертации имеется 21 печатная работа, в том числе 7работ в рецензируемых научных изданиях, входящих в международные системы цитирования Scopus или Web of Science, 7 патентов, из них 1 патент на изобретение и 6 на полезнуюмодель.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав,выводов, списка литературы, включающего 131 наименование, двух приложений.

Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 27 таблиц.Основное содержание работыВо введении описано состояние проблемы, обоснована ее актуальность, определеныцели и задачи работы, изложена научная новизна полученных результатов, их практическаязначимость, приведены сведения об апробации работы, представлены основные положения,выносимые на защиту, указан объем и структура диссертации.В первой главе диссертации выполнен анализ применяемых дезинфектантов дляочистки питьевой воды и стоков, методов электролиза и существующих на рынке устройствдля получения хлорсодержащих реагентов и ферратов. Наиболее перспективным реагентомдля очистки воды на коммунальных водопроводах является анолит, получаемый электролизом насыщенного раствора поваренной соли в воде, а для очистки стоков на станциях по обработке технических и сточных вод является феррат (VI).

Как наиболее производительный иэкономичный метод для получения анолита и ферратов выделен мембранный электролиз скатионообменной мембранной, обеспечивающий большую единичную мощность модулейКЭА и позволяющий регулировать энергопотребление процесса электролиза в зависимостиот требуемой производительности.Анолит представляет собой хлорсодержащий реагент (газообразный Cl2, ClO2 и др.)пролонгированного действия, предназначенный для обеззараживания воды, обладающийминимальным (IV) классом токсичности по ГОСТ 12.1.007-76.

Он эффективен против всех5патогенных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы, микобактерии, возбудители анаэробных инфекций, возбудители особо опасных инфекций, грибы, споры.Суммарные энергозатраты при мембранном электролизе на 25 - 40% ниже, а удельныйрасход соли в 2,5-3 раза меньше, чем в безмембранных электролизерах, производящих гипохлорит. Для мембранного электролиза характерны меньший удельный расход электроэнергии, соли, получение химически чистой щелочи. Поэтому анолит, получаемый мембраннымэлектролизом насыщенного раствора поваренной соли в воде, является наиболее перспективным и дешевым реагентом для очистки воды на коммунальных водопроводах.Применение ферратов (VI) основано на их сильном окисляющем действии, обусловленном переходом железа из высокой степени окисления (VI) в более низкую (III). Окислительный потенциал ферратов (VI) составляет 2,2 В, что превосходит этот показатель для озона (2,07 В).

Класс токсичности феррата - четвертый.Ферраты (VI) способны разлагать многие токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие), а также вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие). В процессе очистки сами ферраты не образуют токсичных соединений, т.к. переходят в гидроксид железа - III, который обладает высокой коагулирующейспособностью и дополнительно очищает водную среду путем коагуляции (коагулирующеедействие).Ферраты могут использоваться при очистке водных сред от горючих ракетного топлива, нефтепродуктов и их производных, азот-, фосфор-, серосодержащих веществ, цианидов,аммиака, тяжелых металлов и других загрязнителей в промышленных стоках и водоемах.По зарубежным оценкам, технология производства ферратов на месте потребления является наиболее дешевой по сравнению с производством гипохлорита (в том числе и на месте) или обработкой ультрафиолетом и озоном как в плане капитальных затрат, так и в планеэксплуатации и технического обслуживания в ценах за 1 л реагента.Обеззараживание ферратом не дает пролонгированного эффекта, поэтому может использоваться либо для обработки стоков, либо для обеззараживания воды в сочетании схлорсодержащими реагентами.

Сточные воды, обработанные ферратом натрия, не содержатхлора и его соединений, что соответствует современным нормам качества очистки сточныхвод и допускает их слив в реки и водоемы.На основании анализа отобранных литературных и патентных источников не выявленоизвестных отечественных и зарубежных прототипов комплексных решений по обеззараживанию воды и стоков с применением мембранного электролиза для получения анолита, содержащего газообразный хлор, и ферратов.В качестве прототипа разрабатываемого КЭА для испытаний в промышленных условиях выбрана лабораторная установка производительностью до 1,56 кг хлора/сутки и до 0,6 кгферрата/сутки, собранная и испытанная в СПбПУ при участии автора. Сформулированы требования к разрабатываемому КЭА производительностью до 1040 г/ч (до 25 кг/сутки) хлорапри энергозатратах не более 3,0 кВт⋅ч/кг и до 420 г/ч (до 10 кг/сутки) феррата при энергозатратах не более 6 кВт⋅ч/кг.Во второй главе представлено и обосновано концептуальное решение КЭА, рассчитаны основные технологические параметры процессов электролиза анолита и феррата натрия,разработаны принципиальные и компоновочные решения его модулей.Разработано и обосновано концептуальное решение КЭА, на первом этапе позволяющего получать мембранным электролизом анолит, содержащий растворенный газообразныйхлор, для обеззараживания воды с пролонгированным действием дезинфектанта, а на второмиз побочного продута первого процесса – концентрированной NaOH c концентрацией около20% и стального расходуемого электрода также мембранным электролизом получать ферратнатрия для обеззараживания стоков.

КЭА включает модули для получения анолита и ферратамембранным электролизом и автоматизированную систему управления с модульным контроллером и отдельными интерфейсными окнами для хлораторов и ферратора, предусматри6вающую возможность их раздельного функционирования. Конструктивно-компоновочнаясхема КЭА приведена на рисунке 1.Рисунок 1 – Конструктивно-компоновочная схема КЭАНа схеме представлены два хлоратора – на первичном и вторичном хлорировании.Резервный хлоратор для обеспечения бесперебойного обеззараживания воды на водоканалена схеме не показан. Наличие резервного хлоратора обеспечивает возможность проведенияих планового обслуживания, а при возникновении внештатной ситуации и необходимостиремонта – быстрого переключения на резервный хлоратор.

Каждый хлоратор имеет своюсистему циркуляции электролита, систему подачи рабочих растворов из баков и источникпитания, которые обеспечивают автономность работы каждого из хлораторов.В хлораторе происходит процесс электрохимического разложения поваренной соли сполучением в анодной камере дезинфицирующего агента – анолита (преимущественно Cl2),растворяемого в обеззараживаемой воде, а также водорода и раствора щелочи в качествепобочных продуктов в катодной камере. Концентрация гидроксида натрия в католитесоставляет ~20% по массе в водном растворе. Получение такой концентрации гидроксиданатрия необходимо для его использования в качестве сырья для производства ферратанатрия. Концентрация щелочи в катодном пространстве хлоратора поддерживается натребуемом уровне благодаря подпитке католита умягченной водой. Полученныйгазообразный водород и щелочь выводятся из катодной камеры хлоратора.В хлораторе в качестве анода используется титановый анод с активным покрытием издиоксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды, ОРТА) со сроком службыпокрытия 7 лет, в процессе эксплуатации не меняющий своей формы и межэлектродногорасстояния по отношению к катоду.

ОРТА позволяет использовать анодные плотности тока до1,5 – 2 кА/м2. Катодом служит стальной перфорированный электрод при производстве щелочис концентрацией до 20%. В качестве катионообменных мембран, работающих приконцентрациях щелочи до 20%, могут использоваться сульфакатионитная мембрана маркиФлемион 811 или Nafeon-324. Основным целевым конечным продуктом модуля дляпроизводства анолита является водный раствор смеси оксидантов (хлора, диоксида хлора идр.), количество которого составляет до 25 кг хлора в сутки.В ферраторе происходит электрохимическое разложение стального электрода врастворе 20%-ной электролизной щелочи с образованием шестивалентного соединенияжелеза – феррата натрия (Na2FeO4), а также кислорода и водорода в качестве побочныхпродуктов.