CC BY
77
УДК 541.136.001.2:546.212
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭНЕРГОЁМКОСТЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА ВОДЫ И ЕЁ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2012 г. Н.В. Ксенз, Е.А. Кияшко, К.Х. Попандопуло, И.Г. Сидорцов
В работе исследовалось влияние напряжения на электродах, расстояния между электродами, производительности установки и времени обработки на энергоёмкость процесса электродиализа воды. Показано, что основное влияние на энергоёмкость процесса оказывают первые 3 фактора. Получена формула для определение удельного расхода энергии с учётом водородного показателя.
Ключевые слова: электродиализ, энергоёмкость, водородный показатель,
напряжение.
The influence of electrodes tension, distance between electrodes, productivity of the set and processing time on the power consumption of water electrodialysis process is considered. The main influence on power consumption of process is rendered by the first three factors. The formula for determination of specific power consumption taking into account a hydrogen indicator is received.
Key words: electrodialysis, power consumption, hydrogen indicator, tension.
В настоящее время во многих технологических процессах
сельскохозяйственного производства, промышленности и медицине требуется применение электродиализных установок для обработки воды
[1-2]. В работах [3-5] рассмотрены возможные биофизические механизмы влияния активированной воды на биологические объекты и сделан ряд обоснованных предложений об
использования активированной воды для решения фундаментальных и прикладных задач медицины, биологии, биотехнологии и сельского хозяйства [3]. Применение активированных растворов экономически выгодно: по многочисленным данным,
приобретение электрохимической
установки окупается всего за два года, а ее использование продлевает срок годности изделий на основе каучука и композиций на основе термопластических
полиуретанов. Помимо этого неоспоримым достоинством активированных растворов является отсутствие аллергического, канцерогенного и токсического действия.
Однако применение
электродиализных установок связано с необходимостью роста потребления
электроэнергии. В связи с этим важное значение имеет уменьшение энергоёмкости процесса электродиализа воды. Ранее исследовалось влияние одного или двух факторов на энергоёмкость процесса электродиализа воды [6, 7].
Энергоёмкость процесса
электродиализа зависит от многих факторов: напряжения на электродах,
расстояния меж-
ду электродами, времени нахождения элементарного объёма воды под воздействием электрического тока, электрических свойств воды, проницаемости мембраны и т.д. [8-9].
Учитывая высокий уровень априорной информации, можно выделить три значимых фактора:
1) напряжение на электродах U, В;
2) время нахождения элементарного объёма воды под воздействием электрического тока г, мин;
3) расстояние между электродами L,
мм.
Исследование влияния напряжения на электродах проводилось на непроточной электродиализной установке. Результаты исследований представлены в таблице.
№ Наименование показателя
п/п U, B V, л т, мин L, мм t, °С рНк q, кВт-ч/л
1 100,0 1,8 1,0 137,0 22,0 10,8 15-10"4
2 140,0 1,8 1,0 137,0 24,0 11,1 39-10"4
3 180,0 1,8 1,0 137,0 26,0 11,3 48-10"4
Энергоёмкость процесса
определялась по выражению
q = p/Q , (1)
где Р - потребляемая мощность, кВт;
Q - производительность установки, л/ч;
q - удельный расход электроэнергии, кВт-ч/л.
Анализ табличных данных показывает, что напряжение на электродах оказывает существенное влияние на энергоёмкость процесса. При этом изменение водородного показателя составляет всего 4,6%, в то время как удельный расход увеличивается в 3,2 раза. Следовательно, напряжение на электродах необходимо учитывать как значимый фактор при определении энергоёмкости процесса электродиализа воды.
1 - L=137 мм;
2 - L-370 мм;
Рис. 1. Зависимость удельного расхода энергии от производительности установки
Я5
ft.
Л
ч
ф
в
(б
В)
(б
И
о
в
Hi
tt
о
ft.
о
tt
о
PQ
12
11.5 11
10.5 10
9.5
9
5 f----------1
8
60 80 100 120 140 160 180
Производительность установки Q, л/ч
■ 1 - L=137 мм; 9 2 - L=370 мм;
Рис. 2. Зависимость водородного показателя рН от производительности установки
11 -L=137 мм;
Производительность установки Q, л/ч
• 2 - L=370 мм;
Рис. 3. Зависимость температуры электроактивированной воды от производительности установки
Влияние производительности
установки и межэлектродного расстояния на энергоёмкость процесса электродиализа воды исследовалось при постоянном напряжении U=200 B и постоянном объёме воды V=3,0 л. Время обработки составляло:
1 мин (180 л/ч), 2 мин (90 л/ч) и 3 мин (60 л/ч). Результаты исследований
представлены на рисунках 1... 3.
Анализ этих зависимостей показывает, что с увеличением производительности, а также
межэлектродного расстояния удельный расход энергии и температура электроактивированной воды
уменьшаются (рис. 1, 3). Так, при
изменении производительности установки от 60 до 180 л/ч при L=137 мм удельный расход энергии уменьшился с 10,5-10" до 3,6-10-3 кВт-ч/л, т.е.
на 65%, а при L=370 мм удельный рас-
"3
ход энергии уменьшился с 3,6-10" до 1,0-10"3 кВт-ч/л, т.е. - на 72%. При межэлектродном расстоянии L=137 мм и производительности 180 л/ч удельный
з
расход равен 3,6-10" кВт-ч/л, а при L=370 мм и той же производительности удельный
з
расход равен 1,0-10" кВт-ч/л, т. е. уменьшился на 72%.
Таким образом, на первый взгляд, можно сделать вывод, что для снижения удельного расхода энергии необходимо увеличивать межэлектродное расстояние. Однако основной технологический параметр (водородный показатель pH) при этом уменьшается (рис. 2) с 10,75% до 8,25% и может быть не выполнено требование технологического процесса. Следовательно, определение удельного расхода энергии необходимо выполнять с учётом водородного показателя, т.е. по формуле
q = Р/(О -&pH ), (2)
где Р - потребляемая мощность, кВт;
Q - производительность установки, л/ч;
ЛрН=(ЛрНК - ЛрНН) - изменение водородного показателя.
В результате этого удельный расход энергии при L=137 мм и Q=180 л/ч
з
составил q=0,92-10" кВт-ч/л, а при L=137 мм и Q=180 л/ч - q=1,02-10"3 кВт-ч/л, т.е. на 14,1% больше.
На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
- для снижения удельного расхода энергии и обеспечения необходимого значения водородного показателя необходимо уменьшать межэлектродное расстояние;
- рассчитывать удельный расход энергии необходимо по формуле (2).
Литература
1. Дубровская, О.А., Широносов, В.Г. Влияние электроактивированных водных растворов (ЭВР) на всхожесть семян ячменя // Тезисы докладов 4-й Российской аниверситетско"академической научно" прак-тической конференции Ч. 2; отв. ред. В.А. Журавлев, С.С. Савинский. - Ижевск: Изд-во Удм. ун-та. - 1999. - С. 92-93.
2. Алехин, С.А. Методическая
рекомендация № 4. Сокращение
вегетационного периода, ускорение роста растений и увеличение урожайности садово-огород-ных культур с
использованием электроакти-вированных водных растворов (ЭВР)
/ С.А. Алехин - Москва, 1992. - 12 с.
3. Прилуцкий, В.И.
Электрохимически активированная вода: физико-химические свойства и механизм биологического действия / В.И. Прилуцкий // Активированная вода. - 1996. - № 3. - С. 1-21.
4. Голохваст, К.Л. Перспективы и
использование электрохимической
активации растворов / К.Л. Голохваст, Д.С. Рыжаков, В.В. Чайка // Вода: химия и экология. - 2011. - № 2. - С. 23-30.
5. Vysotskii, V.I., Kornilova, A.A., Smirnov, I.V. Applied Biophysics of Activated Water: the physical properties, biological effects and medical applications of MRET activated water, World Scientific Publishing, 2009, 317 p.
6. Чеба, Б.П. Энергоёмкость
электрохимической активации от межэлектродного расстояния / Б.П. Чеба, О.П. Болтрик, А.Н. Попов // Повышение эффективности использования средств электрификации технологических
процессов в сельском хозяйстве. -Краснодар, 1993. - С. 95-103.
7. Болтрик, О.П. Параметры и режимы работы электроактиватора для предпосевной обработки семян зерновых культур: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / О.П. Болтрик. - Зерноград, 1999. - 141 с.
8. Богатырёв, А.Е. Активированное веществ и его технологическое применение / А.Е. Богатырев, Л.Н. Шушунова // Обзоры по электронной технике. - Сер. 6. -ЦНИИ электроника. - Москва, 1993. - 44 с.
9. Смагин В.Н. Обработка воды Москва: Стройиздат, 1976. - 172 с. методом электродиализа / В.Н. Смагин. -
Сведения об авторах
Ксенз Николай Васильевич - д-р техн. наук, профессор кафедры физики АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. (86359)38-4-06.
Кияшко Елена Александровна - аспирант Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Попандопуло Константин Христофорович - канд. техн. наук, профессор кафедры теоретической и прикладной механики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. (86359)41-2-15.
Сидорцов Иван Георгиевич - канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры физики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. (86359)42-5-19.
Information about the authors
Ksenz Nickolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the physics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359)38-4-06.
Kiyashko Elena Anatolievna - post-graduate student, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Popandopulo Konstаntin Khristophorovich - Candidate of Technical Sciences, professor of the theoretical and applied mechanics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)41-2-15.
Sidortsov Ivan Gergeievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the physics department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359)43-7-94.
