CC BY
1
УДК 62
Сафонов В.А.,
магистр 2 года обучения Научный руководитель: Власова А.Ю.,
Казанский государственный энергетический университет
г. Казань, РФ
СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация
Данная работа посвящена расчету электродиализной установки, предназначенной для утилизации высокоминерализованных сточных вод, образующихся после водоподготовительных установок на ТЭС.
Ключевые слова
Электродиализная установка. Очистка. Сточные воды. Водоподготовительная установка.
Деятельность водоподготовительных установок (ВПУ) на предприятиях топливно-энергетического комплекса неразрывно связана с образованием значительного объема сточных вод, которые требуют очистки и дальнейшей утилизации. Традиционная схема управления сточными водами предусматривает их сброс на очистные сооружения и последующее отведение в водные объекты. Такой подход сопряжен с существенными затратами водных ресурсов, что негативно сказывается на экономической эффективности производственных процессов.
В последние годы предприятия топливно-энергетического сектора все больше внимания уделяют концепции повторного использования жидких отходов с предварительной очисткой. Это позволяет не только сократить потребление свежей воды, но и снизить нагрузку на очистные сооружения и водные экосистемы.
Выбор подходящего метода очистки сточных вод определяется их составом, концентрацией загрязняющих веществ и требуемыми параметрами очищенной воды. Среди наиболее распространенных методов выделяются:
1. Химическая коагуляция - использование коагулянтов (солей железа или алюминия) для образования хлопьев, которые адсорбируют взвешенные вещества и коллоидные примеси.
2. Биологическая деструкция - очистка сточных вод с помощью микроорганизмов, которые разлагают органические вещества на безвредные соединения.
3. Электрохимические методы - применение электрического тока для окисления, восстановления или электрокоагуляции загрязняющих веществ.
4. Мембранные методы - фильтрация сточных вод через полупроницаемые мембраны, которые задерживают загрязняющие вещества в зависимости от их размера или заряда.
В настоящее время мембранные методы очистки занимают лидирующие позиции благодаря своей универсальности и способности обеспечивать высокое качество очищенной воды. Существует несколько разновидностей мембранных методов, среди которых наиболее эффективными считаются адсорбционные и обратноосмотические мембраны.
Адсорбционные мембраны обладают высокой сорбционной емкостью и способны удалять из сточных вод широкий спектр загрязняющих веществ, включая ионы тяжелых металлов, органические соединения и коллоидные частицы.
Обратноосмотические мембраны имеют высокую избирательность и пропускают только молекулы воды, задерживая практически все примеси, включая растворенные соли, органические вещества и вирусы.
Среди электрохимических методов очистки сточных вод особый интерес представляет электродиализ - процесс разделения ионов под воздействием электрического поля. В электродиализной установке между анодом и катодом помещаются чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны. При подаче электрического тока происходит разделение положительных и отрицательных ионов, которые направляются к аноду или катоду соответственно. Принцип работы показан на рис. 1.
ДИЛУАТ.
Рисунок 1 - Принцип работы электродиализного аппарата
В настоящее время электродиализ широко применяется для очистки сточных вод с высоким содержанием солей, а также для опреснения морской воды.
Очищенные на ВПУ сточные воды после прохождения дополнительных этапов обработки могут быть использованы для различных целей, например для подпитки котлов, охлаждения оборудования или орошения зеленых насаждений.
Повторное использование очищенных сточных вод позволяет существенно сократить потребление свежей воды, снизить нагрузку на очистные сооружения и водоемы, а также уменьшить затраты на водоснабжение предприятий.
Внедрение инновационных решений в сфере водоподготовки и управления сточными водами позволит предприятиям топливно-энергетического сектора не только повысить свою экономическую эффективность, но и внести значительный вклад в охрану окружающей среды.
Учитывая многочисленные достоинства электродиализной установки для обработки водных растворов произвели расчет с учетом известного качественного и количественного состава сточной воды.
В данной работе представлен расчет электродиализной установки для утилизации высокоминерализованных сточных вод. В качестве исходных данных был взят за основу качественный и количественный состав сточных вод, представленный в табл. 1.
Таблица 1
Анализ исходной осветленной воды
Катион Содержание ионов Анион Содержание ионов
мг/кг мг-экв/кг мг/кг мг-экв/кг
Ca2+ 222 11,2 SO4 1912 40,5
Mg2+ 429 35,3 Cl- 3275,2 91,9
Na+ 1780 78,1 HCO3 203 3,4
K+ 441 11,2 - - -
Всего 2872 135,8 Всего 5390 135,8
Среднее содержание солей в 1 мг/экв
(2872 + 5390) 8262 мг
Эср = --т^-- = ^^г = 60
135,8 135,8 мг-экв
Ионная сила раствора
М = 0,5£С^ = 0,5(5,6 • 22 + 14,73 • 22 + 64,33 + 9,34 +
+16,29 • 22 + 76,95 + 2,79) • 10-3 = 0,15 Расчет электродиализной установки циркуляционного типа заключается в определении следующих величин.
1. Коэффициент допустимого концентрирования в рассольных камерах
2. Предельная концентрация ионных примесей в рассольных камерах
ПК = 135,8 • 3,74 = 508 мг - экв/кг
3. Количество растворенных примесей удаленных за 1 ч работы ЭДУ, при снижении общего солесодержания с 8262 до 500 мг/кг составит
500^ 608)
4. Количество электричества необходимое для работы ЭДУ при заданном количестве воды, А-ч, составит
0т)ФАКТ _ 26,8(Снач — СКОН)
¿■Т ПЭ
где Пэ - коэффициент выхода по току, зависящий от исходного солесодержания воды. Для расчетных условий Пэ = 0,84
(JT)ФАКТ 26,8 • 1275
=-—-= 40679 А • ч
¿т 0,84
5. Оптимальную плотность тока iT определяют по табличным данным в зависимости от принятой стоимости электроэнергии я мембран. Для расчетных условий Ь = 0,007 А/см2.
6. Общая площадь мембран ЭДУ
F (/т) ФАКТ 40679 2
Fm=—^=0007 = 58Д1-105см2
/ ьии\
^(Снач - Окон) = 10 (135,8 - —) = 1275г - экв
7. Число пар мембран в аппарате N = = 58,11 • 105 • 5,6 • 103 = 1032,
^нетто
где fнЕттo - площадь единичной мембраны,
fHeTT0 = 0,75 • 50 • 150 = 5625 см2
(0,75 - коэффициент использования мембраны).
8. Число пар мембран в каждой ванне, если принять, что параллельно работают четыре (m = 4),
1032
п =-= 258
4
9. Необходимое напряжение электрического тока на зажимах выпрямителя зависит от удельной проводимости раствора в обессоливающих и рассольных камерах, удельной проводимости и потенциала мембран, падения напряжения на электродах.
10. Удельная электрическая проводимость водных растворов Лв, См/см, может быть рассчитана по формуле
Ав = КэС1-й, где Кэ - коэффициент пропорциональности, равный 1/8300; значение 1-b для вод различных типов составляет 0,805-0,935. Для вод артезианских скважин 1-b = 0,875, для раствора NaCl 1-b = 0,905. Удельная проводимость:
—обрабатываемой воды в начале цикла
ЯЙАЧ = 135, 80,875/8300 = 8,8 • 1(Г3См/см.
—рассола при кратности концентрирования
:м.
—обрабатываемой воды в конце цикла
11. Внутреннее электрическое сопротивление одной камеры, Ом, определяется по формуле
R = ———i
d(l+kc) , d(l+kc)
/нетто LA Ар
+ Рк + Ра]
где d - расстояние между мембранами, см; к: - коэффициент электрического сопротивления, создаваемого турбулизирующей сеткой: к: = 0,54; рк, Ра - удельное поверхностное сопротивление мембран (рк = Ра = 30 Ом-см2).
Электрическое сопротивление камеры в начале цикла
^НАЧ —
J^p.l0-4l+0,54) 0,a.10-4l+0,S4) 1 = 139.10-2
5625 L 8,810-3 2,8-Ю^2 J Ом.
= Г0.8-Ю-ЧИ-0.54) 0,8 -Ю-1 (1 + 0,54) + 30 + 3()1 = 4 ^ . 1Q-2
ЛУП ССТС I Т0.1П —2 J '
5625
7,610-4
2,8-10"
Ом.
Среднее электрическое сопротивление одной камеры
R _ Йнач+АКОН _ (1.39+4,03)10~2 _ 2
2 2 ' Ом.
12. Потенциал мембраны определяется по формуле
= 0,1 • 18 (/)
В начале цикла
В середине цикла
В конце цикла
ЕмР = ОД ■ 1д (3,74-^) = 0Д71В 13. Плотности тока при и = 323 В
в начале цикла
U — (£Э + 2пЯм) 323 - (4 + 2 • 258 • 5,7 • 10-2)
/н
нетто ^^нач
5625 • 258 • 1,39 • 10
-2
, А
= 1,44 • 10-2 —-см2
в конце цикла
U — (£Э + 2п£Гн) 323 — (4 + 2 • 258 • 0,171) , А
¿тон —--_ М — ____ ___ . __ Л „ = 3,9 • 10-3 —
/н
нетто ^^нач
5625 • 258 • 4,03 • 10
-2
см2
14. Деполяризующая скорость воды и рассола в камерах должна быть равна или превышать практическую скорость, которая в зависимости от типа турбулизирующей сетки составляет 2,9-9,3 см/с. Для сетки из перфорированного гофрированного винипласта выбираем деполяризующую скорость движения воды 5,5 см/с.
15. Расход обрабатываемой воды и рассола через аппараты ЭДУ должен составлять
,3
3
мм
G — тпШЖеп = 4- 258 • 0,8 • 10-30,42 • 5,5 • 10-2 = 19,07 • 10-3 —= 68 — д с с
16. Расход электроэнергии на обработку воды в ЭДУ (собственно электродиализ)
неттоим
0,007 • 5625 • 323 • 4
= 51 кВт • ч
1000 1000
Для прокачивания воды и рассола через аппараты ЭДУ выбираем четыре насоса типа 2Х-9Е-3
,-нач _
Т
производительностью 29 м3/ч, в комплекте с электродвигателями мощностью Nh = 5,5 кВт.
17. Расход электроэнергии на обработку 1 м3 воды в ЭДУ составит
№э + 4^Н 51 + 4 • 5,5
---=-—-= 7,3 кВт • ч
Q 10 '
На основании произведенных расчетов можно сделать вывод, что электродиализ представляет собой электрохимический процесс, основанный на избирательной проницаемости ионообменных мембран. В электродиализном модуле чередуются анионообменные и катионообменные мембраны, образуя ячейки. Через ячейки прокачивается раствор, содержащий ионы. Под воздействием электрического поля ионы диссоциируют и двигаются к противоположно заряженным электродам, проходя сквозь мембраны соответствующей полярности.
Основной принцип электродиализа заключается в том, что в каждой ячейке обеспечивается равномерное движение ионов, что приводит к одинаковой плотности электрического тока. Однако при превышении определенного значения плотности тока (предела плотности тока) линейная зависимость между напряжением и движением ионов нарушается. Это связано с началом диссоциации воды, что делает систему неэффективной.
Кроме того, в процессе электродиализа возможно загрязнение мембран. Для преодоления этой проблемы применяется метод реверсивного электродиализа. В этом случае напряжение на электродах регулярно меняется (каждые 30-60 минут), что приводит к изменению направления переноса ионов и удалению загрязняющих веществ с мембраны.
Как относительно новый метод очистки воды, электродиализ еще не имеет всеобъемлющих рекомендаций, охватывающих все возможные сферы его применения. Тем не менее, технология доказала свою эффективность и экологичность, что делает ее перспективным направлением для развития водоочистных сооружений.
Список использованной литературы:
1. Управление водоподготовительным оборудованием и установками/ Герзон В.М., Мамет А.П., Юрчевский Е.Б. - Москва: Изд-во Энергоатомиздат, 1985. - 232 с.
2. Стерман Л.С., Покровский В.Н., Физические и химические методы обработки воды на ТЭС, М.: Энергоатомиздат, 1991 - 328 с.
3. Сысина А.Н., Рахманин Ю.А., Методические указания по санитарному контролю за применением и эксплуатацией электродиализных опреснительных установок, М.: учебное пособие. - Москва: НИИ, 1996 г.
5. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф., Водоподготовка в энергетике, М.: Издательство МЭИ, 2006 -309 с.
6. Кампионе, А.; Гуррери, Л.; Циофало, М.; Микале, Г.; Тамбурини, А.; Циполлина, А., Электродиализ для опреснения воды: критическая оценка последних разработок в области основ процесса, моделей и приложений. 2018, - 434 с.
7. Жадан, А.В. Анализ современных технологий водоподготовки на ТЭС // Новости теплоснабжения - 2013. - №7 - С. 35-40.
8. Котляр М.Н. Водоподготовка и водно-химические режимы на теплоэнергетических объектах: учеб. пособие - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2019. - С. 90-112.
9. Копылов A.C., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике: Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 310 с.
© Сафонов В.А., 2024
