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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
мембранный электролизер, электролизный агрегат, анолит, ферраты, обеззараживание стоков, очистка стоков, обеззараживание воды

Цель проекта:
1. Научно-техническая проблема обеззараживания питьевой воды и стоков 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—82, СанПиН 2.1.4.1074-01], а с другой стороны, содержание хлора в стоке должно равняться нулю [СанПиН 4630-88]. В настоящее время в развитых странах хлорирование воды является обязательным мероприятием, осуществляемым на станциях водоподготовки, обработке технических и сточных вод. Новым перспективным методом очистки сточных вод, загрязненных устойчивыми к биоразложению микрозагрязнителями, является применение ферратов (VI) щелочных металлов, наиболее сильных из известных окислителей и способных разлагать многие токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие), вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие), эффективно адсорбировать ионы тяжелых металлов, частицы суспензий и органические остатки, обеспечивать дополнительную очистку воды путем коагуляции загрязнителей (коагулирующее действие). При производстве феррата на месте использования жидкий продукт имеет более стабильные свойства, он легко закачивается и добавляется в любой раствор или производственную систему. 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.

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 (известные 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 в системах обеззараживания питьевой воды и очистки (путем коагуляции) бытовых и промышленных сточных вод.
В состав экспериментального образца лабораторной установки КЭА входят модуль для получения анолита, модуль для получения ферратов и система автоматизированного управления установкой.
Модуль для получения анолита состоит 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, датчиков контроля технологического процесса производства анолита (уровня рабочих растворов, температуры в электролизере, давления в системе газоотведения), приборов контроля количества хлора в воде и загазованности помещения хлором/водородом и емкости для накопления щелочи.
Модуль для получения ферратов состоит из источника постоянного тока, электролизной камеры, разделенной по меньшей мере на катодное и анодное пространство ионообменной мембраной и содержащей по меньшей мере два электрода (анод и катод), при этом один из электродов является железосодержащим и служит как электродом, так и источником железа для производства феррата, датчиков контроля технологического процесса производства ферратов (уровня рабочих растворов, температуры в электролизере, давления в системе газоотведения), емкости для накопления ферратов и устройства для их дозирования.
Программное обеспечение адаптивной системы управления обеспечивает в автоматическом режиме пуск, остановку (в том числе и аварийную), поддержание выбранных режимов работы, сбор и хранение данных эксперимента.
Адаптивная автоматизированная система управления осуществляет управление пуском, остановкой (в том числе и аварийной) процесса электролиза, задает основные параметры работы установки (силу тока, напряжение, плотность тока, время воздействия и др.), поддерживает выбранные режимы работы, обеспечивает автоматическое документирование хода работы установки в виде диаграмм и протоколов эксперимента.
В модуле для производства анолита под действием постоянного электрического тока в анодной камере происходит 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 из анодной в катодную камеру, и анионы ОН-, образовавшиеся на катоде вследствие диссоциации воды, образуют каустическую соду (NaOH). Основными управляемы-ми параметрами процесса получения анолита являются напряжение, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, производительность, энергопотребление.
В модуле для производства ферратов под действием постоянного тока в процессе электролиза вырабатывается феррат натрия (Na2FeO4) из полученного в первом электролизере гидроксида натрия (NaOH) и железосодержащего анода. Основными управляемыми параметрами процесса получения ферратов являются напряжение, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, производительность, энергопотребление.
Экспериментальная комплексная электролизная установка обеспечивает производство 65 г хлора и 25 г феррата натрия в час. К электролизеру Э1 в составе модуля для производства хлорсодержащего анолита подводится питание постоянным током до 60 А при напряжении 3 – 4 В. Максимальная удельная потребляемая мощность модуля составляет 3,5 кВт*ч/кг. В зависимости от площади электродов (сплошные или перфорированные) максимальная плотность тока может варьироваться соответственно от 1400 до 1600 А/м2. В качестве катионообменной мембраны применяются Flemion 811 или Nafeon-324. В катодную камеру электролизера Э1 подается очищенная умягченная вода. В анодную камеру Э1 подается насыщенный солевой раствор. Электролизный процесс в Э1 проходит при оптимальной температуре 60-80 оС. Из анодной камеры через сепаратор хлора анолит подсасывается с помощью эжектора в систему транспортировки обрабатываемых вод. Из катодной камеры через сепаратор водорода раствор гидроксида натрия с концентрацией 20%-35% подается в промежуточный бак для хранения щелочи, а также отводится газообразный водород. Далее раствор гидроксида натрия подается в камеры электролизера Э2, входящего в состав модуля для производства феррата натрия.
К электролизеру Э2 подводится питание постоянным током до 50А при напряжении 3 – 3,5 В. Анод в электролизере Э2 может быть сплошным, перфорированным, из просечно-вытяжного листа. При этом плотность тока не превышает 500 А/м2, что также позволяет применять мембраны типа Flemion 811 или Nafeon-324. Электролизный процесс в Э2 проходит при температуре не более 60 Со. Из анодной камеры через сепаратор кислорода раствор феррата натрия подается в бак для накопления продукта, а также выводится газообразный кислород. Из катодной камеры через сепаратор отводится газообразный водород.
Предложенный агрегат в качестве сырья использует водопроводную воду, соль и электроэнергию, благодаря чему может быть легко внедрен в производственный цикл.
Разрабатываемый способ и техническое решение прототипа комплексного электролизного агрегата (КЭА) обеспечивают:
- 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате выполнения проекта должен быть разработан, изготовлен и испытан в промышленных условиях экспериментальный образец установки-прототипа с регулируемыми параметры производительности по вырабатываемому анолиту (в пересчете на хлор) до 25 кг/сут, по вырабатываемому феррату (в пересчете на сухое вещество) до 10 кг/сут.
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.
2. Выявлены два близких аналога технического решения КЭА - установка американской компании Ferrate Treatment Technologies, LLC, Ferrator [US6790429, US7820025, US7476324, US6974562] для обеззараживания воды и стоков и патент [KR101202765] на устройство для обеззараживания балластных вод. В технологической схеме FTT для производства феррата используется произведенный на месте гипохлорит и щелочь, при этом гипохлорит и феррат получают электролизом в неразделенной ячейке. В патенте [KR101202765], выбранном в качестве прототипа предлагаемого КЭА, описано ком-плексное решение с применением мембранного электролиза для получения гипохлорита, и электролиза в неразделенной ячейке для получения ферратов. Не обнаружено известных комплексных решений по обеззараживанию воды и стоков с применением мембранного электролиза для получения хлорсодержащих реагентов и ферратов.
Научная новизна предлагаемых научных (технологических) решений состоит в:
- применении мембранного электролиза для получения хлорсодержащего анолита и ферратов;
- 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 мембранного 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 воды и стоков. В данный момент на отечественном и зарубежном рынке систем водоочистки отсутствуют предложения по комплексному обеззараживанию воды и стоков с применением электролизного хлора и ферратов, получаемых на одной автономной электролизной установке.
3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
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 газооборазный 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 одно-временной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков, принципов адаптивного управления электролизом и создания единой комплексной системы энергоэффективного управления агрегатом.
4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
На основании анализа патентной и периодической литературы в области применяемых методов электролиза и существующих на рынке устройств для поучения хлорсодержащего анолита и ферратов выбран 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.
Разработано и обосновано концептуальное решение и аванпрект 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 – концентрирован-ной щелочи NaOH c концентрацией до 35% и железосодержащего расходуемого электрода также мембранным электролизом получать феррат натрия для обеззараживания стоков.
Разработаны принципы построения, схемные и конструктивные решения макетов модулей для производства анолита и ферратов, обеспечивающие экологическую безопасность, экономическую эффективность, компактность, ресурсосбережение, надежность, удобство монтажа и обслуживания, возможность раздельного функционирования хлоратора и ферратора.
Разработаны принципы построения, состав и конструктивные решения адаптивной автоматизированной системы управления электрохимическим синтезом анолита и феррата натрия, обеспечивающие повышение энергоэффективности и безопасности технологического процесса (ТП) получения анолита и ферратов.
Выполнено математическое моделирование процессов работы модулей для получения анолита и ферратов. Выполнены расчеты производительности модулей для получения анолита и ферратов в зависимости от следующих параметров процесса электролиза: концентрация окислителя, напряжение на ячейке, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, энергопотребление.
Обоснован алгоритм функционирования КЭА, включающий следующие режимы работы: запуск, работу в непрерывном режиме, штатную и внештатную остановку. Выбрана структура системы управления КЭА. Разработан макет САУ КЭА, обеспечивающая управление ТП производства анолита и феррата натрия в ручном и автоматическом ре-жимах, контроль рабочих параметров процесса и датчиков в рабочей зоне для своевременного обнаружения неисправностей, сохранение и предоставление архивных данных ТП.
Разработаны эскизные проекты макетов хлоратора и ферратора и эскизная конструкторская документация на макет системы управления КЭА.
Выбраны материалы макетов, уточнены их конструктивные параметры, предложены технологии изготовления деталей и их сборки. Изготовлены макеты модулей КЭА для производства анолита и ферратов.
Выбран комплект датчиков контроля ТП выработки анолита и феррата натрия и своевременного обнаружения неисправностей, устройство управления на базе модульно-го контроллера автоматизации PXIe 8133 (Intel Core i7 1700 МГц, 4 ГБ DRAM, внутренняя память 128 ГБ) с шасси PXIe 1078 (9 слотов, шина PCIe) и панелью управления оператора. Контроллер реализует режимы работы хлоратора и ферратора, осуществляет слежение за критическими параметрами процесса электролиза, а также производит аварийную остановку и передачу сигналов тревоги от датчиков уровня и от газоанализатора хлора и водорода в помещении. Собран макет системы управления КЭА из стандартных элементов и функциональных модулей.
В соответствии с разработанным ЧТЗ, написана программа управления производительностью КЭА, обеспечивающая управление технологическим процессом (ТП) производства анолита в хлораторе и феррата натрия в ферраторе в ручном и автоматическом режимах, контроль датчиками рабочих параметров процесса для своевременного обнаружения неисправностей, сохраняет и предоставляет архивные данные ТП. В соответствии с разработанной программой тестирования функциональных характеристик и интерфейса ПО выполнено тестирование датчиков контроля процесса электролиза анолита и ферратов в составе САУ КЭА и режимов работы в имитационном режиме в соответствии с ЧТЗ.
На основании результатов выполненного на втором этапе макетирования разработаны конструктивные решения модулей для производства анолита и феррата в составе лабораторной установки КЭА и их системы управления. Выбраны материалы модулей для производства анолита и феррата в составе лабораторной установки, уточнены их конструктивные параметры, предложены технологии изготовления деталей и их сборки.
На основании выполненных на предыдущем этапе расчетов разработана программа экспериментальных исследований производительности модулей по производству анолита и ферратов лабораторной установки КЭА в зависимости от таких параметров процесса электролиза, как концентрация окислителя, напряжение на ячейке, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, энергопотребление.
Разработаны эскизные проекты экспериментальных образцов лабораторной установки и установки-прототипа для получения анолита и ферратов, включающие принципиальную, технологическую схему, схему управления, электрическую схему, чертеж общего вида, деталировку, включая их описание.
Разработана эскизная конструкторская документация на систему управления КЭА, включающая электрическую структурную и функциональную схемы и их описание. Собрана и протестирована система управления КЭА, включающая комплект датчиков контроля ТП выработки анолита и феррата натрия и своевременного обнаружения неисправностей, устройство управления на базе модульного контроллера автоматизации PXIe 8133 с шасси PXIe 1078 и панель управления оператора.

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).
4. Публикация результатов исследований в материалах международных конференций и переводных российских и зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) способствует развитию системы демонстрации и популяризации достижений российской науки в мировом научном сообществе.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с разработанным ЧТЗ, написана программа управления производительностью КЭА, обеспечивающая управление технологическим процессом (ТП) производства анолита в хлораторе и феррата натрия в ферраторе в ручном и автоматическом режимах, контроль датчиками рабочих параметров процесса для своевременного обнаружения неисправностей, сохраняет и предоставляет архивные данные ТП.
В соответствии с разработанной программой тестирования функциональных характеристик и интерфейса ПО выполнено тестирование датчиков контроля процесса электролиза анолита и ферратов в составе САУ КЭА и режимов работы в имитационном режиме в соответствии с ЧТЗ.
На основании результатов выполненного на втором этапе макетирования разработаны конструктивные решения модулей для производства анолита и феррата в составе лабораторной установки КЭА и их системы управления. Выбраны материалы модулей для производства анолита и феррата в составе лабораторной установки, уточнены их конструктивные параметры, предложены технологии изготовления деталей и их сборки.
На основании выполненных на предыдущем этапе расчетов разработана программа экспериментальных исследований производительности модулей по производству анолита и ферратов лабораторной установки КЭА в зависимости от таких параметров процесса электролиза, как концентрация окислителя, напряжение на ячейке, сила тока, плотность тока, температура, время обработки, энергопотребление.
Разработаны эскизные проекты экспериментальных образцов лабораторной установки и установки-прототипа для получения анолита и ферратов, включающие принципиальную, технологическую схему, схему управления, электрическую схему, чертеж общего вида, деталировку, включая их описание.
Разработана эскизная конструкторская документация на систему управления КЭА, включающая электрическую структурную и функциональную схемы и их описание.
Собрана и протестирована система управления КЭА, включающая комплект датчиков контроля ТП выработки анолита и феррата натрия и своевременного обнаружения неисправностей, устройство управления на базе модульного контроллера автоматизации PXIe 8133 с шасси PXIe 1078 и панель управления оператора.
По результатам предварительных экспериментов производительность модулей по производству анолита и ферратов лабораторной установки КЭА соответствует заявленной в техническом задании.