Диссертация (1095047), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Ионы Н+ на катоде,превращаются в газообразный водород (H2). На катоде реакция выделения водородапроисходит практически со 100%-ным выходом по току:2Н2О + 2е → Н2 + 2ОН-(2.2)Ионы ОН- в катодном пространстве соединяются с мигрирующими из анодногопространства под действием электрического тока ионами Na+ с образованием щелочи:Na+ + OH- → NaOH(2.3)Концентрация гидроксида натрия в католите может составлять до 20% по массе в водномрастворе. Целью является получение по возможности высокой концентрации гидроксиданатрия, поскольку он является сырьем для производства феррата натрия. Концентрация щелочив катодном пространстве хлоратора поддерживается на требуемом уровне благодаря подпиткекатолита умягченной водой.

Полученный газообразный водород и каустическая сода выводятсяиз катодной камеры хлоратора.59Основным целевым конечным продуктом модуля для производства анолита являетсяводный раствор смеси оксидантов (хлора, диоксида хлора и др.), количество которогосоставляет примерно 25 кг активного хлора в сутки.Основные факторы, влияющие на изменение выхода по току анолита, и ихрекомендуемые параметры приведены ниже:- концентрация солевого раствора (до 330 г/л);- температура электролита (60-80 С);- образование отложений на мембранах (используется умягченная вода);- форма и материал анода (используются перфорированные ОРТА);- форма и материал катода (используются перфорированные из углеродистой стали приконцентрации щелочи до 20% и из нержавеющей стали при концентрации щелочи до 35%,прямоугольной формы, вытянутые вдоль мембраны, обеспечивающие плотность тока до 1,8кА/м2);- величина напряжения на электролизере (2,5-3,5 В на ячейку);- расстояние между электродами (0,15-3 мм);- плотность тока на аноде (от 1,5 до 1,8 кА/м2).Основными управляемыми параметрами процесса получения анолита являютсянапряжение, сила тока, расход воды, время обработки, производительность, энергопотребление.В зависимости от расстояния между электродами (0,15-3 мм) изменяется напряжение наэлектролизной ячейке, которое должно находиться в интервале 2,5-3,5 В.

Размер электродоввыбирается из расчета обеспечения плотности тока в интервале 1500-1800 А/м2. Сила токаподбирается из условия обеспечения запланированного количества хлора в час (не менее 1040г/ч) и энергопотребления не более 3,0 кВтч/кг продукта с учетом планируемого выхода по току.На станциях обеззараживания воды всегда имеется резервный хлоратор, на которыйпереключается техпроцесс на время ремонта или технологического обслуживания первогохлоратора (переключение показано на технологической схеме). Экспериментальный ферраторвсегда запитан от работающего хлоратора.В ферраторе происходит электрохимическое разложение стального электрода вконцентрированном растворе щелочи с образованием шестивалентного соединения железаферрата натрия, а также кислорода и водорода в качестве побочных продуктов.Корпус ферратора выполнен из устойчивого к щелочам пластика и делится наодиннадцать камер, разделенных между собой полупроницаемой катионообменной мембраной.Разделительная мембрана между ячейками с анолитом и католитом обладает одностороннейионнойпроводимостью.Вкачествекатионообменныхмембран,работающихпри60концентрациях щелочи до 20%, могут использоваться сульфакатионитная мембрана маркиФлемион 811 или Nafeon-424.Расположенные с одной стороны мембраны анодные камеры имеют выход газообразногокислорода, генерируемого в процессе реакции, и впускное и выпускное отверстия длязаполнения, удаления или циркуляции анолита.

На противоположной стороне мембраны вкатодных камерах имеются впускные и выпускные отверстия для заполнения, удаления илициркуляции раствора гидроксида натрия и выход для водорода, выделяющегося на катоде приэлектролизе воды. Электролитические ячейки могут работать в периодическом или проточномрежиме. В последнем случае анолит и католит непрерывно циркулируют между электролизнойячейкой и внешними емкостями хранения раствора. Всего в электролизере 10 пар анод-катод.Поверхность каждого электрода параллельна поверхности мембраны. Аноды могут бытьизготовлены различной формы, включая пластины, сетку, просечные или перфорированныелисты.

Реактивная поверхность должна быть как можно большей для ускорения процессаэлектролиза. Содержание в аноде железа должно быть не менее 95%.Для изготовления катодов можно использовать такие материалы, как титан,нержавеющую сталь, никель или сплавы никеля. Наиболее дешевыми и доступными являютсякатоды из нержавеющей стали.Анолит состоит из раствора гидроксида натрия с незначительным количествомхлоридов. Концентрация гидроксида натрия в анолите и католите составляет около 20% помассе в водном растворе.Раствор непрерывно циркулирует между катодными камерами и внешней емкостью дляхранения щелочи с помощью дозирующего насоса, чтобы поддерживать его однородным.

Вкатодном пространстве происходит выделение водорода:2H+ + 2e- = H2↑(2.4)В процессе электролиза NaOH в катодной камере образуется путем переноса Na+ ионови их реакции в ней с ОН - ионами. Вода может добавляться к католиту во время электролизадля пополнения израсходованной во время операции воды. Поскольку концентрация NaOHбудет увеличиваться в католите, также может быть необходимо вывести некоторое количествоконцентрированного раствора NaOH из катодной камеры, чтобы поддерживать концентрациюраствора гидроксида натрия в предпочтительном диапазоне.Электролизосуществляетсяподдействиемпостоянногоэлектрическоготока,проходящего через ячейки, подаваемого на электроды от источника тока. В процессеэлектролизаподдействиемтокаактивируетсяэлектрохимическийпереносзаряданепосредственно на аноде, вследствие чего происходит превращение атомов Fe(0) в ионы Fe 3+.61При дальнейшем электрохимическом переносе заряда Fe +3 ионы преобразуются в ферратионы FeO4 2-:Fe + 8OH- - 6e- = FeO42- + 4H2O(2.5)Суммарно реакция получения ферратов натрия может быть записана следующимобразом:Fe+2NaOH+2H2O→Na2FeO4+3H2↑(2.6)После прекращения электролиза феррат натрия, растворенный в воде, неустойчив, в немидет выделение пузырьков газа, свидетельствующее о реакции гидролиза, сопровождающейсявосстановлением железа и выделением кислорода:4Na2FeO4 + 10H2O = 8NaOH + 4Fe(OH)3 + 3O2↑(2.7)Однако использование его непосредственно на месте производства снимает этупроблему.Основным целевым конечным продуктом модуля для производства феррата являетсяраствор феррата натрия, количество которого составляет до 10 кг в сутки.Основными факторами, влияющими на выход по току ферратов, являются:- состав щелочного электролита – NaOH;- концентрация NaOH (20-35%);- температура щелочного электролита (30-50C);- форма и материал анода (используются сплошные стальные аноды прямоугольнойформы из стали типа 1511);- форма и материал катода (используются просечные аноды из нержавеющей стали,прямоугольной формы, вытянутые вдоль мембраны, обеспечивающие плотность тока до 0,2-0,5кА/м2);- вид мембраны (Nafion, Flemion);- конструкция электролизной ячейки (количество и размер анодных и катодных камер);- расстояние между электродами (до 1,5 см между мембраной и катодом, до 1,5 см междумембраной и анодом);- плотность тока на аноде (250-500 А/м2);- время электролиза (1 ч).Основными управляемыми параметрами процесса получения ферратов выбранынапряжение, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, производительность,энергопотребление.В зависимости от расстояния между электродами изменяется напряжение наэлектродном промежутке (электролизной ячейке), которое по имеющимся данным должно62находиться в интервале 3-4 В.

Размер электродов выбирается из расчета обеспечения плотноститокавинтервале250-500А/м2.Силатокаподбираетсяизусловияобеспечениязапланированного количества феррата в час (до 420 г/ч) и энергопотребления не более 6 кВтч/кгпродукта с учетом планируемого выхода по току.2.2 Математическое моделирование работы КЭА и анализ основныхфакторов, влияющих на выход анолита и ферратовСила тока на электролизере, необходимая для получения планируемого количествареагента (анолита или феррата), выражается через выход по току:(2.8)где:h - планируемый выход по току продукта электролиза, %;m - планируемая производительность реагента, г/ч;I - токовая нагрузка на электролизер, А;t - время работы электролизера, ч;q - электрохимический эквивалент получаемого вещества, г/А∙ч;n - количество пар анод-катод в электролизере, шт.Принципиальные и компоновочные решения электролизеров связаны с плотностью токана аноде следующими зависимостями (2.9) – (2.10):(2.9)(2.10)где:Р - электрическая мощность, потребляемая электролизной ячейкой, Вт;U - напряжение между анодами и катодами ячейки, В;I - ток через электролизную ячейку, А;j - плотность тока, проходящего через эффективную площадь анодов, А/м2;nа - количество анодов в электролизере, шт;Sа - площадь одного анода, участвующая в реакции, м2;W - удельные затраты электрической энергии на производство реагента, кВт∙ч/кг.Падение напряжения в анолите и католите в общем виде выражаются формулой (2.11):63(2.11)где:ΔUэ - падение напряжения в электролите, В; - удельное сопротивление электролита, Ом∙см;l - расстояние от электрода до мембраны, см;k - коэффициент, учитывающий газонаполнение.2.2.1 Расчет параметров хлоратора и анализ основных факторов,влияющих на выход по току и энергопотребление процессапроизводства анолитаВ хлораторе выход по току принимаем равным 83%, электрохимический эквивалентхлора равен 1,325 г/А-час, количество пар анод – катод равно 1, время электролиза – 1 ч.Необходимая сила тока в хлораторе для обеспечения заданной производительности, равной 25кг/сут или 1042 г/час хлора по формуле (2.8) равна 960 А.

Выход по току хлора равен выходу потоку щелочи.Напряжение на прототипе хлоратора равно среднему напряжению на электродномпромежутке ΔU в соответствии с формулой (2.12).ΔU = Еа +Ψа + ΔUа + ΔUм + Ек +Ψк + ΔUк + ΔUпр(2.12)гдеЕа– равновесный потенциал анода, В;Ψа– перенапряжение выделения хлора на аноде ОРТА, В;ΔUа– падение напряжения в анолите, В;ΔUм – падение напряжения в мембране, В;Ек– равновесный потенциал катода, В;Ψк– перенапряжение выделения водорода накатоде, В;ΔUк– падение напряжения в католите, В;ΔUпр – падение напряжения в контактах и проводниках, В;Равновесный потенциал анода Еа из ОРТА (титанового анода, покрытого оксидомрутения), зависит от состава и температуры анолита и составляет ~1,23 В (концентрированныйраствор соли, температура от 40 до 60С). Перенапряжение выделения хлора на аноде Ψаопределяется составом активного покрытия и для анодов из ОРТА составляет ~1,4 В.Падение напряжения в хлораторе в анолите ΔUа определяется из уравнения 2.12.64Удельное сопротивление насыщенного раствора соли ρ зависит от концентрации и оттемпературы (для насыщенного раствора соли с концентрацией 330 г/л при температуре 80С ρ= 1,7 Ом∙см; при температуре 60С ρ = 2 Ом∙см; при температуре 40С ρ = 2,27 Ом∙см).Расстояние между анодом и мембраной l варьируется от 0 до 0,15 мм.

Характеристики

Список файлов диссертации