Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0080

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0080
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков
Докладчик
Волков Андрей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка нового способа и технического решения прототипа комплексного электролизного агрегата (КЭА) для одновременного производства хлорсодержащего 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.
В ходе работы решены следующие задачи: разработаны концепция построения, 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, алгоритм работы КЭА и система управления КЭА, программная документация на программу управления производительностью агрегата. Разработана, изготовлена и испытана лабораторная установка для получения анолита и ферратов производительностью до 65 г хлора/ч (до 1,5 кг/сутки) и 25 г феррата/ч (до 600 г/сутки). Разработана, изготовлена и испытана в условиях индустриального партнера на водоканале установка-прототип КЭА производительностью до 1040 г/ч хлора (до 25 кг/сутки) при энергозатратах до 3,5 кВтч/кг хлора и до 420 г/ч феррата (до 10 кг/сутки) при энергозатратах до 6 кВтч/кг феррата. Разрабатывается проект технического задания на ОКР "Создание комплексного электролизного агрегата производительностью до 25 кг хлора/сутки и до 2,5 кг феррата/сутки, позволяющего обеззараживать до 300 м3/час питьевой воды (из расчета до 3,5 мг/л) и до 17,5 м3/час сточных вод (из расчета до 6 мг/л)".
Актуальность и новизна исследования
Наиболее перспективным хлорсодержащим реагентом пролонгированного действия является анолит (смесь газообразного хлора, диоксида хлора, синглетного кислорода). Он обладает минимальным (IV) классом токсичности, эффективен против всех патогенных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы, микобактерии, возбудители анаэробных инфекции, возбудители особо опасных инфекций, грибы, споры.
Ферраты (VI) являются наиболее мощными из известных окислителей и способны разлагать токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие) и вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие). Они обладают IV классом токсичности, продуктом их разложения является гидроксид железа, выделяющийся в виде коллоидных агрегатов с очень развитой поверхностью, которые эффективно адсорбируют ионы тяжелых металлов, радионуклиды, частицы суспензий и органические остатки, обеспечивая коагуляцию загрязнителей (коагулирующее действие).
Поэтому наиболее перспективным реагентом для очистки воды на коммунальных водопроводах является обладающий пролонгированным действием анолит (раствор хлора в воде), получаемый электролизом насыщенного раствора поваренной соли в воде, а для очистки стоков на станциях по обработке технических и сточных вод перспективным продуктом является феррат натрия Na2FeO4, получаемый на месте использования электрохимическим растворением стального анода в растворе щелочи NaOH, нарабатываемой в мембранном электролизере в качестве побочного продукта электролиза в процессе выработки анолита. Технология, позволяющая получать анолит и феррат натрия в едином комплексном электролизном агрегате, запатентована и не имеет отечественных и зарубежных аналогов.
Описание исследования

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 феррата мембранным электролизом и автоматизированную систему управления установкой.

Разработано и обосновано концептуальное решение КЭА, в первом модуле  позволяющего получать мембранным электролизом анолит, содержащий растворенный газообразный хлор, для обеззараживания воды с пролонгированным действием дезинфектанта, а во втором из побочного продута первого процесса – концентрированной щелочи NaOH c концентрацией не менее 20% и железосодержащего расходуемого электрода также мембранным электролизом получать феррат натрия для обеззараживания стоков.

Рассчитаны значения предполагаемой производительности модулей в зависимости от основных параметров процесса электролиза. 

Разработаны алгоритм и САУ КЭА, обеспечивающая управление ТП производства анолита и феррата натрия в ручном и автоматическом режимах, контроль рабочих параметров процесса датчиками температуры, уровня, давления, концентрации для своевременного обнаружения неисправностей, сохранение и предоставление архивных данных ТП.

Разработаны, изготовлены и исследованы макеты модулей КЭА для производства анолита, ферратов и системы управления КЭА. Разработана и протестирована программа управления производительностью КЭА, обеспечивающая управление технологическим процессом (ТП) производства анолита в хлораторе и феррата натрия в ферраторе в ручном и автоматическом режимах.

Разработан, собран и исследован экспериментальный образец лабораторной установки КЭА, отлажена и протестирована его система управления, включающая комплект датчиков контроля ТП выработки анолита и феррата натрия, устройство управления на базе модульного контроллера автоматизации PXIe 8133 с шасси PXIe 1078 и панель управления оператора. По результатам проведенных экспериментальных исследований производительность модулей производства анолита и ферратов лабораторной установки КЭА соответствуют заявленным. Производительность по анолиту (газообразному хлору) составила до 65 г/ч (до 1,5 кг/сут) при температуре 55-60°С, плотности тока 1600 А/м2 (сила тока 60 А) при длительности электролиза 1 ч в проточном режиме, побочный продукт электролиза – раствор щелочи с концентрацией до 20%. Производительность по феррату составила до 25 г/ч (до 600 г/сут) при концентрации раствора щелочи не менее 20% при температуре 25-30°С, плотности тока 500 А/м2 (сила тока 45 А) при длительности электролиза 1 ч в непроточном режиме.

Разработан, собран, испытан и доработан экспериментальный образец установки-прототипа КЭА, отлажена и протестирована система управления установкой-прототипом КЭА.

В условиях индустриального партнера осуществлена пуско-наладка и проведены испытания экспериментального образца установки-прототипа КЭА. По результатам проведенных испытаний производительность и энергопотребление модулей производства анолита и ферратов установки-прототипа КЭА соответствуют заявленным. Установка-прототип промышленного КЭА позволяет производить до 1040 г/ч хлора (до 25 кг/сутки) при энергозатратах до 3,5 кВтч/кг хлора и до 420 г/ч феррата (до 10 кг/сутки) при энергозатратах до 6 кВтч/кг феррата, что позволяет обеззараживать до 300 м3/ч питьевой воды (из расчета до 3,5 мг/л) и до 80 м3/ч сточных вод (из расчета до 5 мг/л).

Выполнено обобщение результатов исследований, сопоставление анализа научно-информационных источников и полученных результатов, соответствующих мировому уровню. Требования технического задания (ТЗ) на ПНИ выполнены полностью. Задачи ПНИ решены полностью, поставленная цель достигнута.

Индустриальным партнером проведено маркетинговое исследование областей применения КЭА и получаемых в нем реагентов. По его заданию разрабатывается проект ТЗ на ОКР «Создание КЭА производительностью до 25 кг хлора/сутки и до 2,5 кг феррата/сутки, позволяющего обеззараживать до 300 м3/час питьевой воды (из расчета до 3,5 мг/л) и до 17,5 м3/час сточных вод (из расчета до 6 мг/л)».

Результаты исследования

В результате выполнения проекта разработан, изготовлен и испытан в промышленных условиях экспериментальный образец установки-прототипа с регулируемыми параметрами производительности по вырабатываемому анолиту (в пересчете на хлор) до 25 кг/сут, по вырабатываемому феррату (в пересчете на сухое вещество) до 10 кг/сут. Он позволяет обеззараживать до 300 м3/ч питьевой воды (из расчета до 3,5 мг/л) и до 80 м3/ч сточных вод (из расчета до 5 мг/л). 

Разработанный комплексный электролизный агрегат для выработки реагентов для обеззараживания питьевой воды и стоков отечественных аналогов не имеет и должен обеспечить конкурентоспособность созданной установки по сравнению с зарубежными аналогами по производству ферратов в части стоимости и энергоэффективности.

Технология обеззараживания анолитом питьевой воды и стоков используется наряду с производством гипохлорита натрия. Суммарные энергозатраты при мембранном электролизе анолита на 25 - 40% ниже, а удельный расход соли в 2,5-3 раза меньше, чем в электролизерах, производящих гипохлорит.

При производстве феррата в растворе на месте использования жидкий продукт имеет более стабильные свойства, он легко закачивается и добавляется в производственную систему, его себестоимость снижается в 4 раза. Феррат обеспечивает де­зинфицирующее, окисляющее и коагулирующее действие, но не дает пролонгированного эффекта. Поэтому феррат используется для обработки стоков и поверхностных источников, либо может использоваться для обеззараживания воды в сочетании с хлорсодержащими реа­гентами. Ниже приведены возможные области применения феррата натрия для обеззараживания воды и стоков. 

Апробировано обеззараживание раствором феррата натрия питьевой воды из реки Волга. Общие колиморфные и термотолерантные колиморфные бактерии не обнаружены при введенных дозах феррата, начиная с 0,5 мг/л, что согласуется с литературными данными. Качество воды после обеззараживания раствором феррата натрия концентрацией от 0,5 мг/л соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01Количество хлора, необходимое для получения такого же результата, составило 4,5 мг/л.

Также апробирован феррат натрия на воде из артезианской скважины - мутность уменьшилась в 30 раз, цветность в 100 раз, вода соответствовала требованиям СанПиН. По предварительным результатам, перспективна замена первичного хлорирования на обработку ферратом натрия.

Апробирована очистка раствором феррата натрия промышленных сточных вод на ливневых водах и воде трех кислых карт 59, 66 и 67 карт полигона Красный Бор. До требований ПДК к хозбыту довели ливневку при дозах феррата 10-20 мг/л, карту 59 при 50-60 мг/л. Это подтверждает имеющиеся сведения об эффективности феррата при окислении органики и ряда токсичных химических ве­ществ.

Опробован феррат в качестве коагулянта для очистки воды искусственного водоема с цветностью 140 град. и мутностью 28, обусловленными высокодисперсными частицами глины с размерами 0,1-0,5 мкм (98%) и 1-2 мкм (2%). Совместное введение оксихлорида алюминия (50 мг/л) и феррата натрия (0,2 мг/л) позволило получить результат не хуже, чем при введении 100 мг/л коагулянта.

Окисление неочищенных стоков хозяйственно-бытового назначения ферратом дозой до 60 мг/л довело сточную воду до требований ПДК. На очищенных хозбытовых стоках (после аэротенков и биологической очистки) для доочистки ферратами достаточна доза 5-6 мг/л для доведения до требований ПДК, что согласуется с литературными данными.

Практическая значимость исследования
Применение хлорсодержащих реагентов является на сегодняшний день основным методом обеззараживания природных и сточных вод, позволяющим обеспечить пролонгированное действие дезинфектанта, однако их применение может приводить к образованию даже более токсичных продуктов, чем исходные загрязнители. Хлорсодержащие реагенты не должны использоваться для очистки сточных вод, сбрасываемых в поверхностные источники.
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.
При раздельном функционировании модулей производства феррата и анолита в пространстве и во времени, предусмотренном модульной конструкций КЭА и его системы управления, хлораторы, работающие на водоканале, производят хлор для обеззараживания питьевой воды и в качестве побочного продукта электролиза – щелочь с концентрацией около 20%. Ферраторы, использующие произведенную хлораторами щелочь, могут устанавливаться на очистных сооружениях химической промышленности для очистки токсичных стоков, на полигонах токсичных отходов, на очистных сооружениях для доочистки сточных вод хозбытового назначения, для очистки природных и ливневых вод.
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.
Использование разрабатываемого оборудования на водоканалах приведет к снижению стоимости обеззараживания воды и стоков, что обеспечит снижение стоимости подачи питьевой воды и услуг канализации для предприятий и населения.