Диссертация (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 12

Электролизер М2 для получения феррата натрия на месте потреблениявыполняется из устойчивого к щелочам пластика (полипропилен, фторопласт) и делится на две(или более) камеры, разделенные катионообменной мембраной (рис. 3). Сырьем для полученияферрата натрия Na2FeO4 является NaOH высокой чистоты с концентрацией до 35%,образующийся в мембранном электролизере М1 в качестве побочного продукта электролиза впроцессе выработки анолита, собираемый в емкость накопления щелочи, и стальнойрасходуемый анод. В анодную и катодную камеру подается раствор NaOH указаннойконцентрации.

Нерасходуемый катод выполнен из нержавеющей стали. Поверхность каждогоэлектрода должна быть параллельна поверхности мембраны. Аноды могут быть изготовленыразличной формы, включая пластины, сетку или пористый материал. Реактивная поверхностьдолжна быть как можно большей для ускорения процесса электролиза.

В качествекатионообменных мембран, работающих при концентрациях щелочи 30–35%, могутиспользоватьсясульфакатионитнаямембранамаркиФлемион811илиNafeon-2030.Катионообменная мембрана обеспечивает поток ионов между двумя камерами, причем ионныйперенос феррат-иона [FeO4-2] значительно ниже, чем иона натрия [Na+], гидроксид-ионов [ОН-]и иона водорода [H+].Расположенная с одной стороны мембраны анодная камера имеет выход газообразногокислорода, генерируемого в процессе реакции, и впускное и выпускное отверстия длязаполнения, удаления или циркуляции анолита (рисунок 1.10). На противоположной сторонемембраны в катодной камере имеются впускные и выпускные отверстия для заполнения,удаления или циркуляции раствора гидроксида натрия и выход для водорода, выделяющегосяна катоде при электролизе воды (рисунок 1.11).

Электролитические ячейки могут работать впериодическом или проточном режиме. В последнем случае анолит и католит непрерывноциркулируют между электролизной ячейкой и внешними емкостями хранения раствора.Раствор непрерывно циркулирует в зоне катода с помощью дозирующего насоса, чтобыподдерживать его однородным. В катодной камере в процессе электролиза происходитвыделение водорода и образуется NaOH путем переноса Na+ ионов с анода через мембрану и ихреакции в ней с ОН-ионами. Во время электролиза из-за увеличения концентрации NaOH вкатолите возникает необходимость выведения католита из катодной камеры в анодную камеруи постоянной замены некоторого количества концентрированного раствора NaOH на раствор50исходной концентрации для поддержания концентрации раствора гидроксида натрия околоисходной.Рисунок 1.10 – Разнесенная 3D-модель («взрыв-схема») ферратора в составе КЭАРисунок 1.11 – Реализация экспериментального образца лабораторной установкиТемпература щелочного электролита находится в диапазоне 30–50°C, расстояние междумембраной и катодом составляет до 1,5 см, между мембраной и анодом до 1,5 см.

Взависимости от расстояния между электродами изменяется напряжение на электролизной51ячейке, которое должно находиться в интервале 3–4 В. Размер электродов выбирается израсчета обеспечения плотности тока в интервале 250–520 А/м2. Сила тока подбирается изусловияобеспечениязапланированногоколичестваферратавчас(до25г/ч)иэнергопотребления не более 6 кВтч/кг продукта с учетом планируемого выхода по току (неменее 55–60%).После прекращения электролиза раствор феррат натрия неустойчив, в нем идет реакция сводой с выделением кислорода.

Поэтому полученный феррат необходимо оперативноиспользовать для очистки и обеззараживания воды.Основными преимуществами получения ферратов натрия мембранным электролизом посравнению с неразделенной ячейкой являются значительное увеличение выхода по току инизкое энергопотребление, связанные с предотвращением разложения феррата на катоде.Еще одним преимуществом мембранного электролиза для получения ферратов натрияявляется изоляция газообразного водорода, отводимого из катодной камеры, от газообразногокислорода, произведенного в анодной камере конкурирующей реакцией электролиза Н 2О ванолите.

Из-за разделения камер опасность образования взрывоопасных смесей водорода иостаточного кислорода сводится к минимуму и исключается необходимость в инертной газовойпродувке, которая потребовалась бы в неразделенной ячейке.По зарубежным оценкам, технология производства ферратов на месте потребленияявляется наиболее дешевой по сравнению с производством гипохлорита (в том числе и наместе), обработкой ультрафиолетом и озоном как в плане капитальных затрат, так и в планеэксплуатации и технического обслуживания в ценах за 1 л реагента.Состав реагентов, электролизных модулей и параметры технологических процессовполучения анолита и феррата в лабораторной установке явились основанием для формированиятребований к разработке промышленного комплексного электролизного агрегата (КЭА) дляпроизводства анолита и феррата натрия на водоканале.Основными критериями построения промышленного КЭА являются:- экологическаябезопасность(малорисковыетехнологии),экономическаяэффективность, компактность установки, ресурсосбережение, одновременное производствоанолита (Cl2 и др.) и раствора феррата натрия из отходов (NaOH) хлоратора;- использование анолита для обеззараживания питьевой воды и феррата для очисткиводы и стоков непосредственно на месте их производства;- модульное построение КЭА, удобство монтажа и обслуживания, возможностьраздельного (в пространстве и во времени) функционирования хлоратора и ферратора, регулирование производительности КЭА и масштабируемость решения под конкретную задачу.52Новизна предлагаемых в диссертационной работе научных и технологических решенийсостоит в создании современной промышленной адаптивной электролизной установки дляпараллельного производства анолита для дезинфекции питьевой воды с пролонгированнымдействием и феррата для обеззараживания стоков, разработке конструкции комплексногоэлектролизного агрегата и адаптивной системы управления производительностью агрегата,обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение по сравнению с зарубежными аналогами, атакже практической реализации автоматизации и удаленного мониторинга и управленияпроцессами очистки воды и стоков на подобных установках.Практическая значимость исследования состоит в разработке, реализации и внедрениипредложенных методов водоочистки в системах водоснабжения, очистки бытовых ипромышленных токсичных сточных вод.1.7.2 Общие требования к КЭАКЭА должен строиться на прогрессивной малорисковой, экологически перспективнойтехнологии, обеспечивающей всемерное ресурсосбережение – энергии, материалов итрудозатрат.По своим техническим и эксплуатационным характеристикам проектируемый КЭАдолжен не уступать или превосходить лучшие отечественные или зарубежные аналоги и бытьконкурентоспособным на рынке продукции такого назначения.Создаваемый КЭА должен обладать патентной чистотой и быть защищенным патентомРФ.Разрабатываемая система должна опираться на должный уровень интеграции функций,обеспечиваемый входящими в нее функциональными модулями и элементами.Сцельюобеспечениятребуемогоуровнянадежностифункционированияпроектируемого образца следует в нем максимально использовать покупные, хорошоконструктивно отработанные функциональные модули и другую элементную базу, отдавая, приравныхтехническиххарактеристиках,предпочтениепродукцииотечественныхпроизводителей.Врамкахпроектированиянеобходимообеспечитьповышеннуюпригодностьсоздаваемого агрегата к модернизации.Создаваемое изделие должно быть устойчиво к внешним воздействиям (внезапноеотключение тока, воды, повышенной влажности и др.) и быть совместимым с работой другогооборудования, входящего в производственный технологический комплекс.531.7.3 Основные технические требования к КЭАПроизводимые установкой реагенты: анолит и феррат натрия (Na2FeO4).Метод производства реагентов – мембранный электролиз в соответствующихавтономных модулях, в хлораторе – анолит, в ферраторе – феррат натрия.Расходуемые материалы для производства анолита поваренная соль «Экстра» и водаводопроводная умягченная, для производства феррата натрия – 20%-й раствор щелочи (NaOH),образующейся при производстве анолита при стандартном технологическом процессе иисполнении хлоратора и стальные пластины – электротехническая сталь марки типа 1511.Материал мембраны – Флемион 811 или Nafeon-324.Рабочие ток, плотность тока и напряжение (номинальные) на электролизерах:I ≤ 960 А, J= 1000…1600 А/м2; U = 3…4 В на электродную пару в анолитном модулеI ≤ 75 А, J= 250…500 А/м2; U = 3…4 В на электродную пару на ферратном модулеОжидаемая производительность (выход по току) анолита:ma = 1040 г/час или ma = 25 кг/сутки при номинальном режиме работы в течение 24 часовпри планируемом выходе по току не менее 83%.Ожидаемая производительность (выход по току) феррата:mф = 420/час или mф = 10 кг/сутки феррата в пересчете на сухое вещество припланируемом выходе по току не менее 56%.При этом удельный расход электроэнергии не должен превышать 3,0 кВтч/кг хлора ванолите и 6 кВтч/кг феррата.Ожидаемая производительность (средняя) в пересчете на объемы обеззараживаемойводы (анолит) и стоков (феррат) составит: Vводы (анолит) до 300 м3/ч питьевой воды (из расчета до3,5 мг/л хлора или 3,5 г/м3), Vстоков(феррат)= 2100 м3/ч сточной воды (из расчета до 0,2 мг/лферрата или 0,2 г/м3) для обеззараживания (доочистки) стоков после аэрации и биологическойочистки.Источник питания – сеть переменного тока 380/220 В, f = 50 Гц.Рабочая температура электролиза в анолитном модуле – Ta = 40…60оС, в ферратноммодуле – Tф = 25…45оС.В электролизных модулях должна быть обеспечена требуемая скорость прокачкиэлектролита и раздельный отвод образующихся газов (Cl2, Н2, О2).Материалы корпуса и арматуры выбираются как в лабораторнойустановке,конструктивные параметры модулей в соответствии с заданной производительностью по54результатам математического моделирования.