 |
Расчет установок электродиализа
|
|
|
|
Расчет сводится к определению напряжения и силы постоянного тока, подводимого к аппаратам, выбору площади мембран и их числа, определению состава вспомогательного оборудования.
1. Количество электричества, которое нужно затратить на снижение солесодержания воды с Снач до Скон, А·ч,
,
где Q – расчетный расход сточных вод, м3/ч; hэ – выход по току, определяется экспериментально по данным, приведенным на рис. 17.
2. Необходимая рабочая площадь мембран в одной камере, м3,
,
где n – число камер в аппарате, принимается конструктивно; i – плотность тока, А/м2, принимается по табл. 17.
3. Фактическая плотность тока в начале и в конце цикла, уточняется по закону Ома, А/см2:
,
где jэ и jм – электродный и мембранный потенциалы, В;
R – внутреннее сопротивление, Ом;
hЭ
|
Рис. 17. Зависимость коэффициента выхода по току hэ от солесодержания очищаемой воды для мембран МК-40 и МА-40
Таблица 17. Оптимальная плотность тока для электролизных
установок
| Солесодержание исх. воды, г/л | Расчетная плотность тока, А/см2 | |
| для циркуляционной установки | для 1 ступени прямоточной многоступенчатой установки | |
| 0, 008 | 0, 032 | |
| 7, 5 | 0, 007 | 0, 022 |
| 2, 5 | 0, 005 | 0, 015 |
,
где d – расстояние между мембранами в камере, принимается равным 0, 1–0, 2 см; Кс – коэффициент увеличения электрического сопротивления камеры сепаратором-турбилизатором или лабиринтом, определяется экспериментально, ориентировочно можно принять по табл. 18; lD, lР – удельные электропроводности дилюата и рассола в камерах (l=Кэ·С1–в), индекс (1–в) зависит от минерализации воды: М= 3 г/л – 0, 89; М= 6 г/л – 0, 875;
Кэ – коэффициент пропорциональности, равный 1/8300; С – концентрация раствора, моль/л; rк, rа – удельные поверхностные сопротивления катионитовой и анионитовой мембран, Ом·см–1 (табл. 19).
|
|
|
Таблица 18. Коэффициент увеличения электрического сопротивления камер с сепараторами-турбилизаторами при расстоянии между мембранами 1 мм
| Тип сетки сепаратора | Значение Кс |
| Безотходная просечная НИИИТ | 0, 54 |
| Техническая капроновая, арт. № 21394 | 0, 48 |
| Техническая капроновая, арт. № 22194 | 0, 34 |
| Перфорированная гофрированная | 0, 62 |
Таблица 19. Технологическая характеристика ионитных мембран
| Показатели | Мембраны катионитовые | Мембраны анионитовые | ||||
| МК-40 | МКК-10 | МК-41л | МА-40 | МАК-10 | МА-41л | |
| Размер сухих мембран | 1420´ 450´ 0, 3 | 1000´ 500´ 0, 2 | 1350´ 450´ 0, 6 | 1420´ 450´ 0, 3 | 1000´ 500´ 0, 15 | 1420´ 450´ 0, 6 |
| Тип мембран | Гетерогенная | Гомогенная | Гомогенная | Гетерогенная | Гомогенная | Гомогенная |
| Ионообменная смола | КУ-2 | КУ-2 | КУ-2 | ЭДЭ-10П | АВ-17 | АВ-17 |
| Уд. поверхн. сопротивление, Ом·см-2 | – | – | ||||
| Селективность в 0, 1 н растворе | 0, 955-0, 97 | 0, 95-0, 96 | 0, 96 | 0, 93-0, 96 | 0, 95-0, 96 | 0, 96 |
| Статич. обменная емкость, моль/г | 2, 6±0, 3 | 2, 95 | 2, 0 | 3, 8±0, 4 | 4, 5 | 2, 1 |
4. Напряжение на аппарате, необходимое для поддержания средней расчетной плотности тока, В,
U = i·f·n·Rcp + Eэ·n·Eм,
где Eэ – падение напряжения на электродах, равное 3¸ 4 В; Eм – мембранный потенциал, В;
.
При уточнении плотности тока может оказаться, что она далека от оптимальной, – подбор аппарата оказался неудачным. Если поверочный расчет показал, что плотность тока, вычисленная для начала и конца цикла и в среднем за цикл, окажется меньше оптимальной, принятый ЭД аппарат следует разбить на несколько аппаратов, работающих параллельно как по току воды, так и по электрическому питанию, и повторно произвести расчет.
5. Далее должна быть решена схема работы аппарата
(циркуляционная или прямоточная), что позволит определить параметры насосов. В камерах должна быть обеспечена деполяризующая скорость движения воды uдеп, значение которой, в зависимости от типа турбулизирующей сетки, составляет 2, 9…9, 3 см/с, поэтому производительность насосов, подающих в камеры опресняемую воду и рассол, должна быть не менее, м/ч,
|
|
|
Qн = 36·10–4·uдеп·d·b·n·m,
где d – расстояние между мембранами, см; n – число камер в аппарате; m – число аппаратов, работающих параллельно;
b – ширина прохода для воды в камере, см (равна расстоянию между внутренними краями рамки в направлении, перпендикулярном к направлению движения воды, а в лабиринтной камере – расстоянию между направляющими стенками лабиринта).
6. Критическая скорость потока воды через камеры, см/с,
,
где В и р – параметры, зависящие от конструкции камеры, типа сепаратора-турбилизатора, соотношения коэффициентов диффузии растворенных в воде солей, температуры воды, определяются экспериментально, ориентировочно по табл. 20;
С – средняя концентрация растворенных солей в очищаемой воде, моль/л; dэкв – эквивалентное расстояние между мембранами, см (табл. 20).
Таблица 20. Рабочие параметры электролизных ванн, зависящие от конструкции и типа сепараторов-турбилизаторов
| Конструкция камеры | р | В | Расст. между мембранами, мм | dэкв, см | Reкр | Критич. скорость, см/с | Потеря давления при uкр на 1 м длины камеры, Па·10–2 |
| Камеры лабиринтного типа без сепаратора | 0, 54 | 0, 385 0, 196 | |||||
| Камеры прокладочного типа: с сепаратором из перфорированного винипласта (гофры поперек потока) то же (гофры вдоль потока) с сепаратором, изготовленным методом просечки-вытяжки | 0, 43 0, 53 0, 67 | 0, 45 2, 5 | 0, 203 0, 203 0, 105 | 26, 5 | 5, 2 12, 4 2, 88 | 2, 63 24, 6 |
7. Расход электроэнергии на опреснение воды электродиализом складывается из расхода электроэнергии (постоянного тока) на собственно электролиз 
и расхода электроэнергии (переменного тока) на прокачивание через ЭДА очищаемой воды, рассола и воды для промывки катодного и анодного пространств 
, кВт·ч,
|
|
|
,
где fнетто – активная площадь одной мембраны, м2; m – число пакетов в аппарате.
Для двух одинаковых насосов с подачей 20 % воды на промывку катодной и анодной камер
,
где 
– расход воды, подаваемой одним насосом, л/с; Н – напор, развиваемый насосом, м; hэ – коэффициент полезного действия электродвигателя, равный 0, 95¸ 0, 97; hн – коэффициент полезного действия насоса, равный 0, 7¸ 0, 8.
Расход электроэнергии на очистку 1 м3 воды, кВт·ч/м3,
.
2. 3. 5. Сорбция
Сорбция – процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождаясь химическими взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода является возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод. Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ – результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами (атомами) поверхности сорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.
|
|
|
Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод не применим.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные простые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и т. д. Эффективными сорбентами являются активные угли различных марок. Пористость этих углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности - 400-900 м2/г.
Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из трех – пяти последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.
Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного времени и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием, фильтрованием и т. п. При последовательном введении новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить её от загрязняющих веществ до любой концентрации.
|
|
|
