CC BY
9
Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 4 (56). С. 39-45. Don agrarian science bulletin. 2021; 4 (56): 39-45.
Научная статья
УДК 541.136.001.2:546.242
ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА
Николай Васильевич Ксёнз1, Максим Михайлович Украинцев1, Иван Георгиевич Сидорцов1, Сергей Сергеевич Кот1
1Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия, [email protected]
Аннотация. Электроактивированные водные растворы находят всё более широкое применение в различных технологических процессах промышленного и сельскохозяйственного производства. Показано, что разработка энергоэффективных установок для электродиализа водных растворов является актуальной технологической задачей. В данной работе для решения этой задачи проводились экспериментальные исследования зависимости энергоёмкости (Эуд) и времени протекания процесса электродиализа (Т) от напряжённости электрического поля (Е) в рабочем объёме электродиализной установки. Исследования проводились на непроточной диафрагменной электродиализной установке с фиксированным межэлектродным расстоянием. Значения напряжённости электрического поля в рабочей камере установки поддерживались во время опыта стабилизацией напряжения на её электродах. Установлено, что зависимости энергоёмкости и продолжительности процесса электродиализа электроактивированного водного раствора от напряжённости электрического поля в рабочем объёме установки имеют нелинейный характер. Показано, что, начиная с напряжённости электрического поля 550 В/м, изменения этих характеристик процесса электродиализа при значении водородного показателя рНк=10,0 существенно замедляются. Замедление увеличения энергоёмкости при напряжённости электрического поля выше 550 В/м можно объяснить ростом скорости диссоциации молекул и подвижности ионов в результате повышения температуры воды в рабочих камерах электродиализной установки. Установлено, что для снижения энергопотребления необходимо проводить процесс электродиализа воды и водных растворов при напряжённости электрического поля 550-700 В/м. Показано, что целесообразно в процессе электродиализа полностью использовать рабочую площадь мембраны. Результаты исследований могут найти применение при разработке электродиализных установок различного типа.
Ключевые слова: электроактивированный водный раствор, напряжённость, энергозатраты, процесс электродиализа, технологический параметр
Для цитирования: Ксёнз Н.В., Украинцев М.М., Сидорцов И.Г., Кот С.С. Влияние напряжённости электрического поля на энергоэффективность процесса электродиализа // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 4 (56). С. 39-45.
Original article
INFLUENCE OF ELECTRIC FIELD VOLTAGE ON ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRODIALYSIS PROCESS
Nikolay Vasilievich Ksenz1, Maxim Mikhailovich Ukraintsev1, Ivan Georgievich Sidortsov1, Sergey Sergeevich Kot1
1Azovo-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia, [email protected]
Abstract. Electroactivated aqueous solutions find more and more widespread use in various technological processes of industrial and agricultural production. It is shown that the development of energy-efficient devices for electrodialysis of aqueous solutions is an urgent technological problem. In this work, to solve this problem, experimental studies of the dependence of the energy consumption (Ec) and the time of the electrodialysis process (т) on the electric field strength (E) in the working volume of the electrodialysis installation were carried out. The studies were carried out on a non-flow diaphragm electrodialysis setup with a fixed interelectrode distance. The values of the electric field strength in the working chamber of the setup were maintained during the experiment by stabilizing the voltage at its electrodes. It has been established that the dependences of the energy intensity and duration of the electrodialysis process of an electroactivated aqueous solution on the strength of the electric field in the working volume of the installation are nonlinear. It is shown that, starting with an electric field strength of 550 V/m, changes in these characteristics of the electrodialysis process at a pH value of рНк=10,0 are significantly slowed down. The slowdown in the increase in energy consumption at an electric field strength above 550 V/m can be explained by an increase in the rate of
© Ксёнз Н.В., Украинцев М.М., Сидорцов И.Г., Кот С.С., 2021
dissociation of molecules and the mobility of ions as a result of an increase in the water temperature in the working chambers of the electrodialysis installation. It has been established that to reduce energy consumption, it is necessary to carry out the process of electrodialysis of water and aqueous solutions at an electric field strength of 550-700 V/m. It has been shown that it is advisable to fully use the working area of the membrane in the process of electrodialysis. The research results can find application in the development of various types of electrodialysis units.
Keywords: electroactivated aqueous solution, tension, energy consumption, electrodialysis process, technological parameter
For citation: Ksenz N.V., Ukraintsev M.M., Sidortsov I.G., Kot S.S. Influence of electric field voltage on energy efficiency of electrodialysis process. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don ararian science bulletin. 2021; 4 (56): 39-45. (In Russ.)
Введение. Основой развития различных направлений АПК является производство продукции зерновых культур. Его состояние во многом определяет продовольственную безопасность РФ и стабильность её экономики.
В функционировании и развитии различных биологических объектов поступление вода имеет определяющее значение. Вопросам повышения эффективности воздействия воды на биофизические процессы посвящены многочисленные исследования, результаты которых опубликованы в российских и зарубежных изданиях [1, 2, 3].
Электроактивированные водные растворы с середины прошлого века по настоящее время находят всё более широкое применение в технологиях сельскохозяйственного производства [4, 5, 6]. Эти водные растворы не оказывают на окружающую среду и человека аллергического, канцерогенного и токсического действий. Электроактивированная вода оказывает дезинфицирующее действие на микроорганизмы и стимулирует прорастание семян [7]. Применение электродиализных установок экономически выгодно: по результатам их практического применения, затраты на приобретение электродиализных установок окупаются примерно за два года.
Водородный показатель (рН) является важнейшим параметром электроактивированных водных растворов практически во всех технологических процессах промышленного производства и АПК [8]. Для снижения себестоимости продукции необходимо осуществлять процесс электродиализа при возможно меньших энергозатратах. Энергопотребление производственных процессов определяется технологическими параметрами процесса электродиализа и конструкцией самой электродиализной установки
[9, 10].
Энергопотребление характеризуется таким показателем технологического процесса, как энергоёмкость (Э). Энергоёмкость равна затратам энергии на получение единицы произведенной продукции и определяется по формуле (1):
и • I-т Эуд. =—-, Вт-ч/м3, (1)
' эар
где I - сила потребляемого тока, А; и - напряжение на электродах, кВ; т- время процесса электродиализа, ч; Уэар. - объём электроактивированного водного раствора, м3.
В работе экспериментально исследовалось влияние напряжённости (Е) электрического поля в рабочем объёме установки на энергоёмкость (Э) и время (Т протекания процесса электродиализа водного раствора.
Методика исследований. Эксперименты проводились на непроточной диафрагмен-ной электродиализной установке, разработанной и изготовленной в лабораториях Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зернограде (рисунок 1). Схема электроактиватора приведена на рисунке 2.
Конструкционные параметры установки:
- высота электрода из нержавеющей стали, м - 0,40;
- ширина электрода из нержавеющей стали, м - 0,50;
- межэлектродное расстояние, м - 0,40;
- мембрана Тогау8 ТМЮ20-240, м2 - 0,2.
Схема для контроля параметров процесса
электродиализа приведена на рисунке 3. Сила тока и напряжение измерялись цифровыми мультиметрами класса точности 1,0%.
Источник постоянного тока Constant current source
Емкость для активированной воды Capacity for activated water
Рисунок 1 - Экспериментальная установка Figure 1 - Experimental setup
2
2
1
Рисунок 1 - Схема опыта: 1 - рабочая площадь мембраны; 2 - электроды
Figure 1 - Experiment scheme: 1 - membrane working area; 2 - electrodes
Рисунок 3 - Схема контроля параметров процесса электродиализа Figure 3 - Scheme of control of parameters of the electrodialysis process
Измерение водородного показателя электроактивированного водного раствора в анодной и катодной камерах установки осуществлялось с помощью рН-метра типа РН-009(1). Заданная величина напряжённости электрического поля устанавливалась и поддерживалась во время опыта стабилизацией напряжения на электродах установки.
Энергоёмкость процесса электродиализа с учётом изменения водородного показателя определялась по формуле (2):
Эуд. -
Е-L-I-т
S,
(2)
'м крН • Кар. ' где вм - площадь мембраны, м2;
г- время, с;
I - межэлектродное расстояние, м;
АрН=(рНк-рНо) - изменение водородного показателя.
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты опыта приведены в таблице и графически изображены на рисунках 4 и 5.
Зависимость параметров процесса электродиализа от напряжённости электрического поля Dependence of the parameters of the electrodialysis process on the strength of the electric field
рНк I, А U, B Е, В/м Эуд, кВт-ч/м3 V, м3 т мин
10,0/9,0 10,0 325 811 23,3/12,2 90-10-3 42/22
10,0/9,0 8,0 286 716 22,8/10,6 90-10-3 58/27
10,0/9,0 6,0 232 581 22,0/8,9 90-10-3 84/34
10,0/9,0 4,0 157 392 20,7/5,3 90-10-3 191/49
10,0/9,0 2,0 89 223 18,7/2,7 90-10-3 615/90
о
о £
/м /
т .С
В
iC о"
,д Uj
у
Эу ,n
ь, io
т с о HL m
iC 3
м s
:<U n
о o
о
р
е н m 1 o Q.
Напряженность, Е, В/м Tension, E, V/m
Рисунок 4 - Зависимости энергоёмкости процесса электродиализа водного раствора от напряжённости электрического поля
Figure 4 - Dependences of the energy consumption of the electrodialysis process of an aqueous solution
on the strength of the electric field
н
и
м in
im
а, а
и
Е; is is
а
и
ч та
о
р Ъ
т o
к
е -5
^ _<в
п
<в
ь т с "о
о n
н o
ь
Е; и га ^ 3
и О
£
Напряженность, Е, В/м Tension, E, V/m
Рисунок 5 - Зависимости длительности процесса электродиализа водного раствора от напряжённости электрического поля
Figure 5 - Dependences of the duration of the electrodialysis process of an aqueous solution on the strength of the electric field
Анализ результатов эксперимента показал, что зависимости энергоёмкости и времени процесса электродиализа водопроводной воды от напряжённости электрического поля имеют нелинейный характер. Начиная с напряжённости электрического поля 550 В/м, изменения этих характеристик процесса электродиализа при необходимом для технологических процессов значении водородного показателя рНк=10,0 существенно замедляются.
Замедление увеличения энергоёмкости при напряжённости электрического поля выше 550 В/м можно объяснить ростом скорости диссоциации молекул и подвижности ионов в результате повышения температуры воды в рабочих камерах электродиализной установки. Из формул (1) и (2) следует, что при фиксированном значении напряжённости электрического поля в рабочем объёме для снижения энергоёмкости следует увеличивать рабочую площадь мембраны.
Выводы. На основе результатов эксперимента можно сделать следующие выводы:
- проводить процесс электродиализа воды и водных растворов при напряжённости электрического поля 550-700 В/м;
- для увеличения производительности электродиализной установки в процессе электродиализа воды и водных растворов полностью использовать рабочую площадь мембраны (1, 2);
- можно применять полученные результаты при разработке конструкций электродиализных установок.
Список источников
1. Голохваст К.Л., Рыжаков Д.С., Чайка В.В. Перспективы и использование электрохимической активации растворов // Вода: химия и экология. 2011. № 2. С. 23-30.
2. Евдокимов С.С., Украинцев М.М. Электроактивированные водные растворы // Активная честолюбивая интеллектуальная молодежь сельскому хозяйству. 2019. № 2 (7). С. 56-61.
3. Oskin S.V. Improving the efficiency of a non-flowing diaphragm electrolyzer // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2021. Т. 729 LNEE. С. 143-151.
4. Oskin S.V., Tsokur D.S., Voloshin S.P., Oski-na A.S., Shaforostov V.D. Modeling of physical and chemical processes in the electrical activator of water solutions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Russian Conference on Technological Solutions and Instrumentation for Agribusiness, TSIA 2019. 2020. С. 012031.
5. Курченко Н.Ю., Ильченко Я.А., Кокурин Р.Г. Электроактивированные растворы в технологиях точного
земледелия // Сельский механизатор. 2018. № 7-8. С. 8-9.
6. Цокур Д.С. Перспективы использования озона и электроактивированных растворов при гидропонном выращивании зеленых овощей // Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона. Международная научно-практическая конференция. Краснодар, 2014. С. 161-164.
7. Касьянов П.Ф., Карасева В.М., Левадный Н.С. Влияние обработки семян донника смесью ЭХА растворов с озоном на их всхожесть // Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LIII Международной научно-технической конференции / под ред. П.Г. Свечникова. Костанай, 2014. С. 119-124.
8. Калина И.А., Украинцев М.М., Сидорцов И.Г. Оценка всхожести и энергии прорастания озимой пшеницы (Дон-107), обработанной электроактивированным раствором // Инновационные энергоресурсосберегающие технологии и техника 21 века: материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Зерноград, 2017. С. 92-95.
9. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Исследование процесса получения активированных растворов в электролизере для их использования в сельском хозяйстве // Институциональные преобразования АПК России в условиях глобальных вызовов: сборник тезисов по материалам II Международной конференции / отв. за выпуск А.Г. Кощаев. Краснодар, 2018. 128 с.
10. Оськин С.В., Оськин А.С. Расчет электроактиватора воды // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрического оборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. научн. тр. Ставропольский ГАУ. Ставрополь: АГРУС, 2011. С. 202-210.
References
1. Golohvast K.L., Ryzhakov D.S., Chayka V.V. Per-spektivy i ispolzovanie elektrokhimicheskoy aktivatsii rastvo-rov (Prospects and use of electrochemical activation of solutions). Voda: khimiya i ekologiya. 2011; 2: 23-30. (In Russ.)
2. Evdokimov S.S., Ukraintsev M.M. Elektroaktiviro-vannye vodnye rastvory (Electroactivated aqueous solutions). Aktivnaya chestolyubivaya intellektualnaya molodezh selskomu khozyaystvu. 2019; 2 (7): 56-61. (In Russ.)
3. Oskin S.V. Improving the efficiency of a non-flowing diaphragm electrolyzer. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2021; 729 LNEE: 143-151.
4. Oskin S.V., Tsokur D.S., Voloshin S.P., Oski-na A.S., Shaforostov V.D. Modeling of physical and chemical
processes in the electrical activator of water solutions. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Russian Conference on Technological Solutions and Instrumentation for Agribusiness, TSIA 2019. 2020, pp. 012031.
5. Kurchenko N.Yu., Ilchenko Ya.A., Kokurin R.G. Elektroaktivirovannye rastvory v tekhnologiyakh tochnogo zemledeliya (Electroactivated solution sinprecision farming technologies). Selskiy mekhanizator. 2018; 7-8: 8-9. (In Russ.)
6. Tsokur D.S. Perspektivy ispolzovaniya ozona i elektroaktivirovannykh rastvorov pri gidroponnom vyraschi-vanii zelenykh ovoschey (Prospects for the use of ozone and electroactivated solutions in hydroponic growing of green vegetables). Novye tekhnologii v selskom khozyaystve i pischevoy promyshlennosti s ispolzovaniem elektrofizi-cheskikh faktorov i ozona. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya. Krasnodar, 2014, pp. 161-164. (In Russ.)
7. Kasyanov P.F., Karaseva V.M., Levadnyy N.S. Vliyanie obrabotki semyan donnika smesyu EKHA rastvorov s ozonom na ikh vskhozhest' (Influence of treating sweet clover seeds with a mixture of ECA solutions with ozone on their germination). Dostizheniya nauki - agropromyshlennomu proizvodstvu. Materialy LIII Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii. Pod red. P.G. Svechnikova. Kostanay, 2014, pp. 119-124. (In Russ.)
8. Kalina I.A., Ukraintsev M.M., Sidortsov I.G. Otsenka vskhozhesti i energii prorastaniya ozimoy pshenitsy (Don-107), obrabotannoy elektroaktivirovannym rastvorom (Evaluation of germination and germination energy of winter wheat (Don-107) treated with electroactivated solution). Inno-vatsionnye energoresursosberegayuschie tekhnologii i tekhnika 21 veka. Materialy Vserossiyskoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii. Zernograd, 2017, pp. 92-95. (In Russ.)
9. Oskin S.V., Ovsyannikov D.A. Issledovanie protsessa polucheniya aktivirovannykh rastvorov v elektroli-zere dlya ikh ispolzovaniya v selskom khozyaystve (Investigation of the process of obtaining activated solutions in an electrolytic cell for their use in agriculture). Institutsionalnye preobrazovaniya APK Rossii v usloviyakh globalnykh vyzovov. Sbornik tezisov po materialam II Mezhdunarodnoy konferentsii. Otv. za vypusk A.G. Koschaev. Krasnodar, 2018. 128 p. (In Russ.)
10. Oskin S.V., Oskin A.S. Raschet elektroaktivatora vody (Calculation of the electroactivator of water). Metody i tekhnicheskie sredstva povysheniya effektivnosti ispolzova-niya elektricheskogo oborudovaniya v promyshlennosti i selskom khozyaystve. Sb. nauchn. tr. Stavropolskiy GAU. Stavropol: AGRUS, 2011, pp. 202-210. (In Russ.)
Информация об авторах
Н.В. Ксёнз - доктор технических наук, профессор, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия. Тел.: +7-908-504-35-34. E-mail: [email protected].
М.М. Украинцев - кандидат технических наук, доцент, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия. Тел.: +7-929-821-25-25. E-mail: [email protected].
И.Г. Сидорцов - кандидат технических наук, доцент, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия. Тел.: +7-928-194-47-55. E-mail: [email protected].
С.С. Кот - магистрант, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия. Тел.: +7-988-894-25-27. E-mail: [email protected],
Максим Михайлович Украинцев, e-mail: [email protected].
Information about the authors
N.V. Ksenz - Doctor of Technical Sciences, Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-908-504-35-34. E-mail: [email protected].
M.M. Ukraintsev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-929-821-25-25. E-mail: [email protected].
I.G. Sidortsov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-928-194-47-55. E-mail: [email protected].
S.S. Kot - master's student, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-988-894-25-27. E-mail: [email protected].
^ Maxim Mikhailovich Ukraintsev, e-mail: [email protected]
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила в редакцию 01.10.2021; одобрена после рецензирования 27.10.2021; принята к публикации 29.10.2021.
The article was submitted 01.10.2021 ; approved after reviewing 27.10.2021; accepted for publication 29.10.2021.
