Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков

Докладчик: Петкова Ани Петрова

Должность: Главный научный сотрудник

Цель проекта:
1. Научно-техническая проблема обеззараживания питьевой воды и стоков на месте применения связана с противоречивостью требований российского законодательства к составу сточных вод: с одной стороны, сброс с очистных сооружений в реку не должен содержать органических и биологических загрязнений, чего в подавляющем большинстве случаев добиваются хлорированием [ГОСТ 2874—73, СанПиН 2.1.4.1074-01], а с другой стороны, содержание хлора в стоке должно равняться нулю [СанПиН 4630-88]. Ультрафиолет мало эффективен в очистке сточной воды и не имеет пролонгированного действия при очистке питьевой воды. Поэтому применение хлорсодержащих реагентов, несмотря на ряд недостатков, является на сегодняшний день основным методом обеззараживания природных и сточных вод, позволяющим обеспечить пролонгированное действие обеззараживающих реагентов. Биологические методы очистки сточных и других вод общепризнанно считаются наиболее экономически эффективными и экологически приемлемыми для удаления так называемых макрозагрязнений (биоразлагаемых органических веществ, соединений азота, фосфора, серы и т.д.). Однако эти методы часто оказываются недостаточно эффективными в отношении загрязнения грунтовых вод диоксинами и их производными, фосфонатными пестицидами (интенсивное сельское хозяйство), метилтретбутиловым эфиром (МТБЭ, популярной добавкой к бензинам для повышения октанового числа), бытовой химией, фармацевтическими препаратами. Наиболее распространенными в настоящее время веществами, которые используются для доочистки воды, являются хлор, гипохлорит натрия, диоксид хлора, озон, перекись водорода, реактив Фентона и др. Применение первых трех веществ связано с загрязнением окружающей среды хлором а также может приводить к образованию даже более токсичных продуктов, чем исходные загрязнители. Газообразные окислители не могут быть использованы для очистки таких объектов, как, например, водоемы. Поэтому разработка альтернативных экологически чистых способов очистки сточных вод, загрязненных устойчивыми к биоразложению микрозагрязнителями, превосходящих по эффективности существующие промышленные методы, является актуальной задачей. Новым перспективным методом очистки воды и стоков является применение ферратов (VI) щелочных металлов, являющихся самыми мощными из известных окислителей, продуктом разложения которых в растворе является гидроксид железа, то есть малотоксичный продукт. Ферраты (VI) обладают многофункциональным действием: они способны разлагать многие токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие), вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие), способны эффективно адсорбировать ионы тяжелых металлов, частицы суспензий и органические остатки, обеспечивая дополнительную очистку воды путем коагуляции загрязнителей (коагулирующее действие). Производство сухого стабилизированного феррата требует высоких расходов на его синтез, транспортировку и упаковку. При производстве феррата на месте использования жидкий продукт имеет более стабильные свойства, он легко закачивается и добавляется в любой раствор или производственную систему, его себестоимость снижается в 4 раза. 2. Целью проекта является разработка нового способа и технического решения прототипа комплексного электролизного агрегата (КЭА) для одновременного производства анолита для обеззараживания воды и ферратов для обеззараживания стоков, позволяющего повысить экологическую безопасность, производительность и качество обеззараживания воды и стоков при одновременном снижении стоимости процесса по сравнению с существующими технологиями. Натриевая соль шестивалентного железа Na2FeO4 (феррат натрия), получаемая на месте использования электрохимическим растворением железного анода в растворе щелочи NaOH, нарабатываемой в мембранном электролизере в качестве побочного продукта электролиза в процессе выработки анолита (раствора хлора в воде), является перспективным продуктом для использования на очистных сооружениях. Обработка воды и стоков ферратами щелочных металлов обеспечивает дезинфицирующее и коагулирующее действие, но не дает пролонгированного эффекта, поэтому в современных условиях используется либо для обработки стоков, либо для обеззараживания воды в сочетании с хлорсодержащими реагентами. Это позволит снизить уровень хлорирования подготовленной воды в системах коммунального водоснабжения или отказаться от первичного хлорирования с заменой его на обработку раствором ферратов, получаемым на месте использования.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе работы должны быть получены следующие основные результаты: концепция построения КЭА, патентоспособное конструктивное решение КЭА или его отдельных функциональных модулей с лучшими по сравнению с известными устройствами выходными параметрами, макеты модулей для производства анолита и ферратов и системы управления КЭА, алгоритм работы КЭА, программная документация на программу управления производительностью агрегата, , лабораторная установка для получения анолита и ферратов и программа и методика ее экспериментальных исследований, установка-прототип КЭА, программа, методика и результаты ее испытаний в условиях индустриального партнера, проект технического задания на ОКР «Создание комплексного электролизного агрегата с заданной производительностью для получения обеззараживающих агентов воды и стоков».
Производство анолита, содержащего газообразный хлор, с использованием его на месте обеспечивает ресурсосбережение и безопасность его применения по сравнению с получением хлора (в емкостях) и гипохлорита, требующих транспортировки с соблюдением мер безопасности. Технология производства анолита мембранным электролизом менее энергозатратна по сравнению с производством гипохлорита на месте потребления, используемым в цикле производства ферратов (западные аналоги).
Производство жидких ферратов на месте их применения обеспечивает ресурсосбережение, так как не требует дорогостоящих операций стабилизации, упаковки и транспортировки, применяемых при получении сухих ферратов. По зарубежным оценкам, технология производства ферратов для обеззараживания стоков должна быть наиболее дешевой по сравнению с производством гипохлорита (в том числе и на месте), обработкой ультрафиолетом и озоном как в плане капитальных затрат, так и в плане эксплуатации и технического обслуживания в ценах за 1 л реагента.
2. Разрабатываемый экспериментальный образец лабораторной установки комплексного электролизного агрегата (КЭА) предназначен для исследования схемных и конструктивных решений модулей для производства анолита и ферратов и ее системы управления, отработки и оптимизации конструкции и режимов работы установки. Экспериментальный образец лабораторной установки КЭА для получения анолита и ферратов должен стать прототипом промышленных устройств для обеззараживания воды и стоков, используемых на пищевых, фармакологических производствах, в больничных комплексах и т.д.
Экспериментальный образец лабораторной установки КЭА должен включать модуль для получения анолита, модуль для получения ферратов и систему автоматизированного управления установкой.
Модуль для получения анолита должен состоять из источника постоянного тока, емкости для приготовления солевого раствора, электролизной камеры, разделенной на катодное и анодное пространство ионообменной мембраной, с двумя электродами - анодом и катодом, устройств дозирования солевого раствора в анодной камере, воды в катодной камере, анолита в воде, блока автоматизированного управления модулем для производства анолита, емкости для накопления щелочи, приборов контроля количества хлора в воде и загазованности помещения хлором/водородом.
Модуль для получения ферратов должен включать источник постоянного тока, емкости для загрузки и дозирования исходных реагентов, электролизную камеру, содержащую по меньшей мере два электрода (анод и катод), при этом один из электродов должен быть железосодержащим и служить как электродом, так и источником железа для производства феррата, блок автоматизированного управления модулем для производства ферратов, емкость для накопления ферратов, устройство для их дозирования.
В модуле для производства анолита под действием постоянного электрического тока в анодной камере должна происходить диссоциация насыщенного раствора NaCl в воде на ионы Na+ и Cl-, при этом ион Cl- окисляется на аноде и превращается в газообразный хлор (Cl2), идущий для хлорирования воды. Ионы натрия, прошедшие через ионообменную мембрану с анода в катодную камеру, и анионы ОН-, образовавшиеся на катоде вследствие диссоциации воды, образуют каустическую соду (NaOH). Основными управляемыми параметрами процесса получения анолита должны быть напряжение, сила тока, расход воды, время обработки, производительность, энергопотребление.
В модуле для производства ферратов под действием постоянного тока в процессе электролиза должен вырабатываться феррат натрия (Na2FeO4) из полученного в первом электролизере гидроксида натрия (NaOH) и железосодержащих компонентов (электрод из железосодержащего электропроводящего материала и/или водный раствор солей железа). Для более полного окисления железа в электролизер может подаваться хлорсодержащий реагент (например, газообразный хлор), окисляющий в щелочных растворах соединения железа (III) до ферратов (VI). Основными управляемыми параметрами процесса получения ферратов должны быть напряжение, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, производительность, энергопотребление.
Производительность экспериментального образца лабораторной установки должна быть по вырабатываемому анолиту (в пересчете на хлор) до 1,5 кг/сут, по вырабатываемому феррату (в пересчете на сухое вещество) до 0,6 кг/сут. Затраты электроэнергии в экспериментальном образце установки-прототипа КЭА не должна превышать 3,5 кВт·ч/кг по хлору и 6 кВт·ч/кг по феррату.
Адаптивная система управления должна осуществлять управление пуском, остановкой (в том числе и аварийной) процесса электролиза, задавать основные параметры работы установки (сила тока, напряжение, плотность тока, время воздействия и др.), поддерживать выбранные режимы работы, обеспечивать автоматическое документирование хода работы установки в виде диаграмм и протоколов эксперимента.
Разрабатываемый способ и техническое решение прототипа комплексного электролизного агрегата (КЭА) должны обеспечить:
- повышение безопасности обеззараживания воды анолитом (хлором) в результате применения малорисковой технологии мембранного электролиза для его получения и использования реагента непосредственно на месте производства;
- повышение безопасности и качества обеззараживания стоков за счет применения безопасного экологически чистого мощного реагента – ферратов, получаемых, в том числе, из отходов производства анолита.
3. Научная новизна предлагаемых научных (технологических) решений состоит в:
- создании современной адаптивной электролизной установки для параллельного производства анолита для дезинфекции питьевой воды и феррата, являющегося наиболее эффективным дезинфектантом для обеззараживания стоков;
- разработке конструкции электролизного агрегата, состоящего из мембранного электролизера, вырабатывающего анолит и щелочь, и второго электролизера, потребляющего щелочь для производства жидких ферратов;
- разработке общих принципов управления комплексной энергоэффективной станцией обеззараживания и адаптивной системы управления производительностью агрегата.
Практическая значимость работы состоит в создании комплексных энергоэффективных станций обеззараживания. В данный момент на отечественном и зарубежном рынке систем водоочистки отсутствуют предложения по комплексному решению вопросов обеззараживания воды и стоков с применением электролизного хлора и ферратов, получаемых на одной автономной электролизной установке.
4. На основании анализа литературных и патентных источников не выявлено известных комплексных решений по обеззараживанию воды и стоков с применением мембранного электролиза для получения анолита, содержащего газообразный хлор, и ферратов.
Разрабатываемый комплексный электролизный агрегат для выработки реагентов для очистки питьевой воды и стоков отечественных аналогов не имеет и должен обеспечить конкурентоспособность отечественных систем водоочистки по сравнению с зарубежными аналогами по производству ферратов в части стоимости и энергоэффективности.
В целом, анализ состояния исследований показывает перспективность с научной и практической точек зрения применения комплексного электролизного агрегата для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков, принципов адаптивного управления электрохимическим синтезом в реакторах электролизеров и создания единой комплексной системы энергоэффективного управления агрегатом.
5. Выполненный анализ применяемых методов электролиза и существующих на рынке устройств для получения хлорсодержащего анолита и ферратов, получаемых бездиафрагменным методом, электролизом в реакторе с диафрагмой и мембранным электролизом, позволил выбрать мембранный электролиз (МЭ) с катионообменной мембранной как наиболее производительный и экономичный метод для получения анолита и ферратов, обеспечивающий большую единичную мощность установки и позволяющий регулировать энергопотребление процесса электролиза в зависимости от требуемой производительности.
В качестве оптимального направления исследований выбрано создание комплексного электролизного агрегата (КЭА), включающего модули для получения анолита и ферратов мембранным электролизом и автоматизированную систему управления установкой.
Разработано и обосновано концептуальное решение КЭА, на первом этапе позволяющего получать мембранным электролизом анолит, содержащий растворенный газообразный хлор, для обеззараживания воды с пролонгированным действием дезинфектанта, а на втором из побочного продута первого процесса – концентрированной щелочи NaOH c концентрацией не менее 35% и железосодержащего расходуемого электрода также мембранным электролизом получать феррат натрия для обеззараживания стоков.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Проектируемое оборудование планируется к установке на различных народнохозяйственных объектах, таких как, городские водоканалы, промышленные предприятия. С помощью этого оборудования можно обеззараживать как питьевую либо техническую воду, так и промышленные и бытовые стоки. На объектах, уже использующих мембранные электролизеры для очистки воды и стоков, может использоваться технология дооснащения существующего оборудования.
2. Использование разрабатываемого оборудования на водоканалах приведет к дальнейшему снижению себестоимости обеззараживающих агентов, и как следствие, к снижению стоимости обеззараживания воды и стоков, что обеспечит снижение стоимости подачи питьевой воды и услуг канализации для предприятий и населения.
В процессе эксплуатации будет апробирована технология комплексной и поочередной очистки технической воды с целью дальнейшего снижения воздействия обеззараживающих агентов на трубопроводную систему.
3. В настоящее время в развитых промышленных странах хлорирование воды является обязательным мероприятием, осуществляемым на коммунальных водопроводах и станциях по обработке технических и сточных вод.
Перспективная и интенсивно развивающаяся в последние годы технология очистки воды и стоков ферратами щелочных металлов обеспечивает дезинфицирующее и коагулирующее действие, но не дает пролонгированного действия. Поэтому ферратная технология в современных условиях используется либо для обработки стоков, либо может использоваться для обеззараживания воды в сочетании с хлорсодержащими реагентами. Это позволит снизить уровень хлорирования подготовленной воды или отказаться от первичного хлорирования.
Наиболее перспективным реагентом для очистки воды на коммунальных водопроводах является анолит, получаемый электролизом насыщенного раствора поваренной соли в воде, а для очистки стоков на станциях по обработке технических и сточных вод является феррат (VI).

Текущие результаты проекта:
Выполнен анализ применяемых методов электролиза и существующих на рынке устройств для получения хлорсодержащего анолита и ферратов – бездиафрагменный метод, электролиз в реакторе с диафрагмой и мембранный электролиз. Как наиболее производительный и экономичный метод для получения анолита и ферратов выделен мембранный электролиз (МЭ) с катионообменной мембранной, обеспечивающий большую единичную мощность установки и позволяющий регулировать энергопотребление процесса электролиза в зависимости от требуемой производительности. Выбран рациональный тип мембраны. В качестве оптимального направления исследований выбрано создание комплексного электролизного агрегата (КЭА), включающего модули для получения анолита и ферратов мембранным электролизом и автоматизированную систему управления установкой. На основании анализа отобранных литературных и патентных источников не выявлено известных комплексных решений по обеззараживанию воды и стоков с применением мембранного электролиза для получения анолита, содержащего газооборазный хлор, и ферратов. Разработано и обосновано концептуальное решение КЭА, на первом этапе позволяющего получать мембранным электролизом анолит, содержащий растворенный газообразный хлор, для обеззараживания воды с пролонгированным действием дезинфектанта, а на втором из побочного продута первого процесса – концентрированной щелочи NaOH c концентрацией не менее 35% и железосодержащего расходуемого электрода также мембранным электролизом получать феррат натрия для обеззараживания стоков. Разрабатываемый аванпроект КЭА включает: концептуальное решение, структурно-технологическую схему, 3D модель общего вида КЭА, взрыв-схемы основных исполнительных модулей, структурную схему системы управления, её компоновку, описание и обоснование разрабатываемого КЭА в соответствии с требованиями ТЗ на разработку.