3.3 Принципиальная технология очистки сточных вод от хлорида натрия электрохимическим методом

Для извлечения хлорида натрия из сточных вод цеха № 29 после их очистки с помощью флокулянтов предлагается использование электролизера с ионообменными мембранами, принципиальная схема которого показана на рисунке 3.3.

-

1

2

3

4

H₂SO₄

анод; + катод; К - катионообменная мембрана; А - анионообменная мембрана.

Рисунок 3.3 – Мембранный электролизер

Процесс извлечения хлорида натрия из стока сопровождается получением гидроксида натрия и соляной кислоты,

Предлагаемая конструкция электролизера представляет собой фильтр-прессную сборку из ячеек, разделенных электродными пластинами. Каждая ячейка состоит из четырех камер, выполненных из паронита маки ПЭ ГОСТ 481-80. Камеры разделены ионообменными мембранами катионообменными К марки МК-40 и анионообменными А марки МА-40. Рабочая поверхность каждой мембраны равняется 0,533 м². Для предотвращения соприкосновения соседних мембран и создания турбулизации потоков в каждую камеру электролизера помешается сетка просечная растянутая из каландрированного винипласта.

Через камеры 2 прокачивается сточная вода. В анодных камерах циркулирует 5 % раствор H₂SO₄. Катодные камеры перед работой заполняются 4 % раствором NaOH, а камеры 3 – 3,5 % раствором HCl. Растворы NaOH и HCl, генерируемые в катодных камерах и камерах 3 аппарата соответственно, по мере накопления, собираются в соответствующих емкостях. Катодные пластины выполнены из стали 09Г2С. Анодные пластины выполнены из ОРТА. Катодные и анодные камеры соединены параллельно.

Предлагаемая принципиальная технологическая схема переработки сточных вод с целью извлечения из них хлорида натрия и получения гидроксида натрия и соляной кислоты представлена на рисунке 3.4.

Сточная вода после реагентной очистки собирается в емкости поз. Е-6, играющей роль усреднителя. Из емкости поз. Е-6 насосом поз. Н-7 сточная вода прокачивается через камеры 2 мембранного электролизера поз. Э-1, где происходит извлечение хлорида натрия. Гидроксид натрия, генерируемый в катодных камерах (камеры 1) электролизера поз. Э-1, по мере накапливания собирается в емкости поз. Е-8 откуда насосом поз. Н-8 перекачивается на склад. Соляная кислота, генерируемая в камерах 3 электролизера поз Э-1, по мере накапливания собирается в емкости поз. Е-9 откуда насосом поз. Н-9 подается на склад. Для создания проводимости в анодных камерах (камеры 4) электролизера в них циркулирует 5 % раствор серной кислоты.

УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ И НАИМЕНОВАНИЕ СРЕД

N	Поз	Наименование	Кол-во	Прим.
1	Е-6	Емкость	1	V=6м3
2	Е-7	Емкость	1	V=3м3
3	Е-8	Емкость	1	V=3м3
4	Е-9	Емкость	1	V=3м3
5	Э-1	Электролизер	1	Р=184 кВА
6	Н-7	Насос	1	Q=25м3/ч
7	Н-8	Насос	1	Q=10м3/ч
8	Н-9	Насос	1	Q=10м3/ч
9	Н-10	Насос	1	Q=5 м3/ч

Условное графическое обозначение	Наименование среды в трубопроводе	Прим.
	Сточная вода цеха № 29
	Очищенный сток цеха № 29
	Гидроксид натрия
	Соляная кислота

ЭКСПЛИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Рисунок 3.4 – Предлагаемая принципиальная технологическая схема переработки сточных вод

Исходные данные для расчета промышленного образца электролизера

Исходные данные, используемые при расчете промышленного образца мембранного электролизера, получены с использованием задания на НИР, объема сточных вод цеха №29 и экспериментальных результатов, полученных в лаборатории филиала УГНТУ в г. Стерлитамаке (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Исходные данные для расчета промышленного образца мембранного электролизера

Показатель	Значение
Объем стока, м3/час	15
Плотность тока, А/м2	100, 200, 300, 400
Выход по току, %	80
Рабочая поверхность мембраны, м2	0,533
Температура процесса, оС	15-40
Содержание NaCl в исходном стоке, кг/м3	6,11
Содержание NaCl в стоке после очистки, кг/м3	0,494
Концентрация NaOH в катодной камере, кг/м3	194,3
Концентрация HCl в 3 камере, кг/м3	69,2

Расчет числа рабочих ячеек в электролизере

Проектирование аппарата осуществляли на основе схемы четырехкамерного мембранного электролизера, представленной на рисунке 3.5.

К – катионообменная мембрана; А – анионообменная мембрана

Рисунок 3.5 – Принципиальная схема ячейки мембранного электролизера

Ячейка аппарата представляет собой четыре камеры, разделенные катионообменными и анионообменными мембранами. В крайних камерах расположены электроды.

Силу тока, необходимую для извлечения хлорида натрия из сточной воды рассчитывали по закону Фарадея с учетом начальной и конечной концентрации хлорида натрия в стоке, объема сточной воды и выхода по току процесса электролиза:

,

где: I – сила тока, А;

С_н – начальная концентрация хлорида натрия в стоке, кг/м³;

С_к – конечная концентрация хлорида натрия в стоке, кг/м³;

Q – объем сточной воды м³/ч;

F – число Фарадея 26,8 А·ч;

Э – эквивалент хлорида натрия, кг/моль;

η – выход по току.

Таким образом, для извлечения хлорида натрия из сточной воды до значения ПДК через электролизер необходимо пропустить ток 54672 А.

Для расчета количества рабочих ячеек в электролизере определим силу тока в ячейке аппарата в соответствии с экспериментальным значением мембранной плотности тока и рабочей поверхности ионообменной мембраны:

,

где: I₁ – сила тока в ячейке электролизера, А;

j – мембранная плотность тока, А/м²;

S – рабочая поверхность мембраны, м².

Количество рабочих ячеек в электролизере определим разделив данные, полученные в уравнении 1 на значения, полученные в уравнении 2:

,

где: N – количество рабочих ячеек.

Результаты расчета представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Сила тока в ячейке электролизера и количество рабочих ячеек

Плотность тока, А/м2	Сила тока в ячейке I1 А/м2	Количество ячеек, шт
100	53,3	1026
200	106,6	513
300	159,9	342
400	213,2	256

Количество рабочих ячеек в электролизере определяется мембранной плотностью тока. Так при мембранной плотности тока в аппарате равной 53,3 А/м² количество ячеек в электролизере, необходимое для извлечения хлорида натрия из стока равно 1026 шт., а при мембранной плотности тока в аппарате равной 213,2 А/м² количество ячеек в электролизере, необходимое для извлечения хлорида натрия из стока составило 256 шт.