CC BY
45
BILANTUL DE ENERGIE §I TENSIUNE LA MODIFICAREA ELECTROTEHNOLOGICA A PARAMETRILOR FIZICO-CHIMICI AI
APEI
O. Gr. Stiopca
Rezumat: Lucrarea data are ca scop studiul bilantului de energie §i tensiune la modificarea electrotehnologica a parametrilor fizico-chimici ai apei. Se analizeaza legitatile conversiei energiei electrice in electrolizoare cu membrana inerta §i cationselectiva. in rezultat sunt prezentate dependentele §i concluziile utile la elaborarea unor instalatii electrotehnologice de conditionare a apei pentru diferite procese tehnologice din agricultura §i energetica.
Cuvinte cheie: modificarea electrotehnologica, parametri fizico-chimicy ai apei.
БАЛАНС ЭНЕРГИИ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ВОДЫ
Аннотация: В работе исследован теоретически и экспериментально баланс энергии и напряжения установки для электротехнологического кондиционирования физико-химических параметров воды. Проводится анализ преобразования электрической энергии в таких установах, изготовленных на базе диафрагм и катионселективных мембран. Полученные зависимости и выводы могут быть использованы при разработке электротехнологических установок кондиционирования физико-химических параметров воды в сельском хозяйстве и энергетике.
Ключевые слова: кондиционирование воды.
BALANCE OF ENERGY AND COMPONENTS OF VOLTAGE DURING THE ELECTROTECHNICAL MODIFICATION OF PHYSICOCHEMICAL
PARAMETERS OF WATER
Abstract: The paper is dealing with results of theoretical and experimental investigations related to the balance of energy and voltage distribution in units for electrochemical units for water treatment. The electrical energy conversion mechanism in electrochemical units equipped with ionic selective membrane is analyzed.
The obtained results could be used for design of electrochemical units for the water conditioning for diverse technological processes in agriculture and biotechnology.
Key words: Water conditioning.
Introducere
Tratarea electrica a apei este insotita de decurgerea unor fenomene fizico-chimice complexe: disocierea moleculelor de apa; degajarea oxigenului, clorului §i hidrogenului, hidroliza sarurilor, §i alte fenomene de transport ce urmeaza legi specifice §i constituie cauza variatiei indicelui de hidrogen, pH, potentialului de oxido-reducere, Eh, concentratiei de saruri, C, §i gaze pO2, pCl2, temperaturii apei, t [1, 2].
Realizarea acestui proces in instalatii electrotehologice cu/fara membrana ionselectiva/inerta cu scopul modificarii parametrilor fizico-chimici ai apei (pH, Eh, C, pO2, pCl2, t) in corespundere cu valorile lor optime in cadrul unor tehnologii concrete prin intermediul parametrilor electrici de regim (U, I, Q, D) constituie modificarea electrotehnologica a apei [3, 4].
Schema electrica echivalenta a unei instalatii monopolare legate la o sursa de curent continuu pentru modificarea electrotehnologica a apei prezinta un circuit, cu urmatoarele componente (Fig. 1): Ra (ya), Rc (yc) - rezistenta (conductivitatea), respectiv, din compartimentul anodic §i catodic; ra, Ca; rc, Cc - rezistenta §i capacitatea interfetei anod-
Cc
фе
Rc Rd Ra
4=1—^—1=1—^—1=1-
Uc
Ud
Ua
Ca
фa
+
Fig. 1. Circuitul electric echivalent al instalatiei monopolare pentru modificarea electrotehnologica a apei
electrolit §i catod-electrolit; Rd - rezistenta membranei;
Ua, Uc - caderea de tensiune, respectiv, їп compartimentul anodic §i catodic .
Tensiunea aplicata la o instalatie electrotehnologica monopolara pentru modificarea parametrilor fizico-сhimici ai apei este determinata de urmatoarele componente:
U = Et + фс + фа+ I-R (1)
unde:
Et - potentialul teoretic de disociere a apei, Et = 1.23 V; фс: - supratensiunea de degajare a hidrogenului la catod, V; фa - supratensiunea de degajare a oxigenului la anod, V;
I-R - caderea de tensiune in electrolit, V;
Pentru a realiza disocierea izotermica a unui mol de apa este necesara o cantitate de 68372 calorii produse de o energie electrica echivalenta, aceasta corespunzand unei tensiuni de 1.48 V aplicata la electrozi. In cazul cand la electrozii unei instalatii electrotehnologice este aplicata o tensiune U, ea va fi parcursa de un curent I. Astfel, puterea se va determina conform relatiei:
W = 0.86 • U • I, kcal/h (2)
O parte din ea va fi consumata pentru disocierea isotermica a apei §i poate fi calculata cu relatia:
Wch= 0.86-Et-I, kcal/h (3)
r
r
a
c
O alta parte a puterii utilizate va fi convertita їп energie termica , iar valoarea ei va fi determinata de relatia:
Wt = (cpc + фа + I • R) • I, kcal/h (4)
Astfel bilantul energetic al instalatiilor electrotehnologice de tratare electrica a mediilor lichide poate fi reprezentat prin expresia:
W = (Wch + Wt ), kcal/h (5)
Scopul cercetarilor teoretico-experimentale este studiul bilantului de energie §i tensiune la modificarea electrotehnologica a unor parametrilor fizico-chimici ai apei їп instalatii de electroliza cu membrane ionselective sau inerte.
Metodele §i procedurile utilizate
Pentru studiul experimental al bilantului de tensiune §i energie a fost utilizata o instalatie monopolara pentru tratarea electrica a apei cu doua compartimente, divizate de o membrana. Compartimentele au volume echivalente egale cu 75 ml. Electrozii cu suprafata activa de 25 cm2 au fost amplasati vertical їп compartimentele respective la distanta de 5 cm.
Pentru mregistrarea continua a variatiei caderii de tensiune dintre electrozii instalatiei electrotehnologice s-a utilizat un mregistrator cu banda de tip КСП.
Pentru experimente a fost utilizata apa de apeduct a or. Chisinau cu componenta ionica corespunzatoare: mg/l: HCO3' = 195.2, Cl- = 71.G, SO32' = 123.4, Ca2+ = 123.4, Mg2+ = 31.6, Na+ + K+ = 75.2. Parametrii fizico - chimici initiali ai apei au fost: pH = 6.8, xG = G.5 mS/cm,
t = 2G GC. Pe durata experimentelor au fost masurati urmatorii parametri: U - tensiunea
aplicata la instalatia electrotehnologica; Ua, Uc - caderea de tensiune respectiv їп compartimentul anodic §i catodic al instalatiei electrotehnologice; I - curentul de electroliza, A; ta, tc - temperatura anolitului §i catolitului, GC; %G, xa, %c, - conductivitatea electrica initiala a apei, їп compartimentul anodic §i їп compartimentul catodic respectiv, mS/cm
Rezultate §i discutii
Datele experimentale obtinute §i expuse їп Tabelele 1, 2 ne indica ca dupa 25 min. de tratare electrotehnologica a probei de apa la o tensiune de 100 V valorile parametrilor fizic o -chimici au atins urmatoarele valori: xa, = 18 mS/cm; xc = 0.4...0.45 mS/cm; ta = 65...70 GC; tc = 74.78 GC.
Estimarile teoretico-experimentale au relevat faptul ca cea mai mare parte de energia electrica consumata de instalatia electrotehnologica este convertita їп caldura.
In cadrul experientelor cu mentinerea a tensiunii la valoare constanta de 100 V, energia electrica convertita їп energie termica constituie aproximativ 98.5 % §i doar 1.48 % este consumata pentru disocierea electrochimica a apei (Tabelul 1). Acest raport nu s-a schimbat pe o durata electrolizei egala cu 25 min. Pe aceea§i durata de timp puterea electrica utilizata de instalatia electrotehnologica a crescut de la 14.2 W pana la 31.5 W.
Tabelul 1
Bilantul de energie їп procesul de tratare electrotehnologica a apei (U = 100 V; I = 200 mA)
Tensiunea aplicata, U, V Curent de electroliza, I, mA Durata electrolizei, т, min. Energia totala aplicata, W, W s Energia electrochimica, Wch Energia termica, Wt
W-s % W-s %
1GG 142 1 14.2 0.21 1.48 13.99 98.52
1GG 24G 5 24.G G.36 1.49 23.б4 98.51
1GG 275 1G 27.5 G.41 1.48 27.G9 98.51
1GG 285 15 28.5 G.42 1.48 28.G8 98.52
1GG 298 2G 29.8 G.44 1.48 29.3б 98.52
1GG 315 25 31.5 G.47 1.49 31.G3 98.51
9G 2GG 1 18.G G.29 1.б1 17.71 98.39
88 2GG 5 17.4 G.29 1.б4 17.31 98.3б
87 2GG 1G 17.б G.29 1.бб 17.11 98.34
85 2GG 15 17.G G.29 1.7G 1б.71 98.3G
83 2GG 2G 1б.б G.29 1.75 1б.73 98.25
8G 2GG 25 16.G G.29 1.81 15.71 98.19
Tabelul 2
Evolutia curentului , raportului Uc/Ua, , temperaturii (ta, tc), conductivitatii (xa, xc) la
modificarea electrotehnologica a apei
In cazul cand valoarea curentului a fost mentinuta constanta pe durata electrolizei s-a mregistrat o u§oara cre§tere a cotei de energie convertita їп caldura. Astfel la un curent de electroliza egal cu 200 mA, s-a constata ca energia electrica consumata pentru promovarea reactiilor electrochimice la mceputul procesului de tratare electrica constituie 1.б1 %, iar peste 25 min. atinge valoarea de 1.81%.
In cazul cand valoarea tensiunii este mentinuta constant la 100 V, valoarea curentului de electroliza variaza de la 120 mA pana la 315 mA respectiv la mceputul procesului de tratare electrica §i peste 25 minute de electroliza (Tabelul 2).
In acelea§i conditii de experienta, temperatura atinge valori de б9 GC їп compartimentul anodic §i 77 GC їп compartimentul catodic al instalatiei electrotehnologice. Deci procesul de evolutie a temperaturii їп compartimentul catodic este mai intensiv decat їп compartimentul anodic.
Evolutia caderilor de tensiune їп compartimentele instalatiei electrotehnologice a fost estimata ca raportul Uc/Ua. Astfel acest raport variaza de la 1.0 pana la 3.2 peste 8 minute de tratare electrica , iar peste 28 minute atinge cifra de 2.4.
Evolutia caderilor de tensiune їп compartimentele instalatiei electrotehnologice monopolare dotate cu membrana inerta reprezinta o functie de conductivitatea electrica їп aceste compartimente. Astfel conform datelor experimentale obtinute, valoarea conductivitatii electrice a catolitului s-a mic§orat de la 0.5 mS/cm pana la 0.28 mS/cm їп primele 10 min. de
tratare electrica a apei la tensiunea de 100 V, dupa care se mare§te pana la 0.45 mSlcm, Їnsa ramane mai mica de aproximativ 3 ori decat conductivitatea electrica a anolitului.
Tabelul 3
Evolutia conductivitatii electrice apei din compartimentul anodic §i catodic la tratare
electrotehnologica (U = 100 V)
^"\Durata electrolizei, min. Conductivitatea electrica 0 5 10 15 20 25
Xc mS/cm 0.5 0.30 0.28 0.32 0.37 0.45
Xc 1 Xo 1 0.б0 0.5б 0.б4 0.74 0.90
Xa mS/cm 0.5 0.85 1.18 1.33 1.51 1.80
Xa 1 Xo 1 1.70 2.3б 2.бб 3.02 3.б0
Xa 1 Xc 1 2.83 4.21 3.02 4.08 4.00
Evolutia caderilor de tensiune їп compartimentele instalatiei electrotehnologice monopolare se pastreaza §i їп cazul utilizarii membranei cationselective. Astfel, au fost supuse tratarii electrice probe de ape de la fantanele de alimentare ale FAS din s. Bumbata, FAS Vadul lui Voda §i apa de robinet din or. Chisinau.
Astfel la tratarea electrica a probelor de apa preluate din s. Bumbata, tensiunea dintre electrozi, variaza de la valoarea de 13 V pana la valoarea maxima de 19 V (Fig.2). Aceasta valoare este atinsa la trecerea unei cantitati specifice de electricitate egala cu 2000 Cll. La trecerea unei cantitati specifice de electricitate mai mare, valoarea tensiunii dintre electrozii instalatiei se mic§oreaza fapt indicat de caracterul descendent al curbei de pe banda mregistratorului.
Aceia§i forma a curbelor de evolutie a tensiunii dintre electrozi s-a mregistrat §i la tratarea electrica a apelor de la fantana de alimentare cu apa a FAS Vadul-lui-Voda §i celei de apeduct din or. Chisinau. Astfel experimental s-a stabilit ca pentru atingerea valorii maxime
100
90-------------V-------------------------------------------------
80----------•----------------------------------------------------
7°._-------------------------------------------------------------
^ 60------------------------------------------------------------------
CS
O
§ 50---------------------------------------------------------------
"S
H 40------------------------j^----------------------------------------
30 ---------------------------------—±------------------
20||H" 'I ■ ■ * ■
101--------------------------------------------------------------
0 m--------------------------------------------------------------
0 500 1000 1500 2000 2500
Cantitatea de electricitate aplicata, C/l
■ s.Bumbata ▲ FAS Vadul lui Voda • Chisinau
Fig. 2. Evolutia tensiunii la bornele electrozilor instalatiei monopolare dotate cu membrana cationselectiva la modificarea electrotehnologica a apei din diverse surse acvatice (I = 0.3 A)
de 39 V a tensiunii dintre electrozi la tratarea electrica a apei de la fantana de alimentare a FAS Vadul lui Voda este necesara o cantitate specifica de electricitate egala cu aproximativ 1000 C/l. Pentru atingerea valorii tensiunii maxime de 90 V la tratarea electrica a apei de apeduct din or. Chisinau sunt necesari circa 300.310 C/l.
Concluzii
)
m •
•
•
, * J i ■ A
A
!!■■■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1
1. Cea mai mare parte a energiei electrice consumate in procesul tratarii
electrotehnologice a apei este consumata pentru sporirea temperaturii apei §i doar o mica parte a ei este consumata pentru modificarea parametrilor fizico-chimici pH, Eh, C, pO2, pCl2. Astfel la elaborarea unor electrotehnologii de tratare a apei este necesar de a amplasa instalatiile de electroliza in interiorul incintelor in care este utilizata apa tratata pentru sporirea eficientei tehnologice.
2. O particularitate a procesului de tratare electrotehnologica a apei este faptul ca
temperatura apei in compartimentul catodic evalueaza mai dinamic in comparatie cu compartimentul anodic.
3. Caderea de tensiune in compartimentul catodic este mai mare decat in compartimentul anodic atat pentru instalatiile dotate cu membrana inerta, cat §i cationselectiva. De aceia se recomanda ca in instalatiile de acest fel electrozii sa fie amplasati la distanta cat mai mica unul fata de altul pentru mic§orarea caderilor de tensiune.
4. Evolutia caderii de tensiune in compartimentul catodic inregistreaza o valoare maxima
dupa o durata anumita a electrolizei, direct proportionala cu nivelul de alkalinitate in probe de
apa din diferite surse. Acest fapt poate fi utilizat pentru elaborarea unor metode electroanalitice pentru determinarea alkalinitatii apei.
Bibliografie
1. Кульский, Л. Электрохимия в процессах очистки воды. - Киев, 1987. с. 234.
2. Кульский, Л. Теоретические основы и технология кондиционирования воды -Киев, 1986, с. 234
3. Spinu, V.; Stiopca, O., Dinamica variatiei parametrilor apei electrochimice activate // Culegere de lucrari §tiintifice ale UASM, Vol.3, Chisinau, 1994, pag. 206-209
4. Spinu, V.; Stiopca O. Electrotehnologia conditionarii apei // Culegerea de lucrari ale UASM, Vol. 6. - Chisinau, 1998, pag. 114 - 119.
