Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологические аспекты бережливых производств. Учебно-методическое пособие
.pdf
электродиализом, подготовки воды в технологических процессах производства и многого другого.
Рис. 3.12. Электродиализная установка
Процесс электродиализа. Камеры образованы мембранами –
анионообменными (А) и катионообменными (К). Анионообменные
мембраны пропускают только анионы, катионообменные – только
катионы. Катионы перемещаются по направлению электрического
тока, проходя через катионообменные мембраны. Анионы перемещаются по направлению, противоположному направлению электрического тока.
Ионообменные мембраны, применяемые для электродиализа,
должны иметь высокую электропроводность и высокую проницаемость
для ионов. Кроме того, они должны обладать высокой селективностью,
умеренной степенью набухания и достаточной механической прочностью. Как правило, электрическое сопротивление на единицу поверхности ионообменной мембраны находится в пределах от 2 до 10 Ом/см2.
У поверхности мембраны концентрация катионов увеличивается со стороны концентрированного раствора и уменьшается со стороны разбавленного раствора.
Гетерогенные мембраны изготовляют путем смешивания технического ионообменника с раствором связующего полимера, например поливинилхлорида (ПВХ).
Гомогенные мембраны изготовляют из непрерывной гомогенной
пленки, в которой имеется активная группа (анионная или катионная).
Мембраны могут быть армированы и не армированы.
111
Для того чтобы рассчитать и спроектировать электродиализную
установку, необходимо знать:
− назначение установки (опреснение соленых вод для хозяй-
ственно-питьевых нужд, для промышленных нужд, обводнения пастбищ деминерализация пресных вод перед полным обессоливанием, частичное обессоливание сточных вод);
− полезную пропускную способность установки по пресной (ча-
стично обессоленной) воде Q, м3/сут; q, м3 /ч;
− характеристику водоисточника (возможность подачи воды на
собственные нужды установки, на предварительную обработку воды);
− полный физико-химический и бактериологический анализ ис-
ходной воды (для получения достоверной характеристики воды источника отбора проб воды и их анализ должны проводиться во все сезоны
года в течение длительного времени в соответствии с действующими
стандартами).
Расчет электродиализной установки.
1. Определяют степень опреснения исходной воды на установке:
Y
(3.65)
где Сн – общее содержание растворенных солей в исходной воде, мг/л;
Ск – солесодержание опресненной воды (согласно нормативам СанПиНа Ск = 1000 мг/л).
2. Пропускную способность электродиализатора определяют
по формуле, м3/ч:
(3.66)
где Qэ – пропускная способность электродиализатора, м3/ч;
75,1 – эквивалентная масса.
3. Отношение концентраций рассола и дилюата в конце длины
пути (лабиринта) потока в электродиализном аппарате:
(3.67)
где β – коэффициент массопереноса, β=1;
Y – степень опреснения исходной воды на установке;
112
Кс – степень допустимого концентрирования солей в рассольных
камерах при циркуляции рассола.
4. Ширина потока воды в прокладке (лабиринте) электродиализ-
ного аппарата, см:
(3.68)
где fбр – рабочая площадь мембран;
l
– длина канальца распределения в прокладке;
кан
Dк – длина распределительного коллектора в прокладке;
Кэк – коэффициент экранирования мембраны лабиринтно-сетчатой
прокладкой (полезная площадь);
L – длина пути потока (лабиринта).
5. Число дилюатных (рассольных) камер или соответственно
число рабочих ячеек в электродиализном аппарате:
(3.69)
где 11,57 – переводной коэффициент расхода из м3/сут в см3/с;
Qэ – пропускная способность электродиализатора (м3/сут);
m – ширина потока воды в прокладке (лабиринте) электродиализ-
ного аппарата;
d
– тип прокладки в электродиализном аппарате;
кос
v – скорость протекания воды в ячейке.
6. Необходимая площадь катионитовых (анионитовых) мем-
бран в одном аппарате, м2:
(3.70)
где nяч – число дилюатных (рассольных) камер или соответственно
число рабочих ячеек в электродиализном аппарате;
fбр – рабочая площадь мембран.
С учетом экранирования площадь катионитовых (анионитовых)
мембран:
(3.71)
где Кэк – коэффициент экранирования мембраны сетчатой прокладкой.
113
Эквивалентная электрическая проводимость исходной воды:
(3.72)
где x – удельная электрическая проводимость исходной воды.
8. Из условия критичности работы электродиализного аппарата
находим Cпр концентрацию раствора, соответствующую точке поляризации:
(3.73)
где T – t = 0,5 (разность чисел переноса ионов в мембране и в растворе)
по экспериментальным данным;
iкр – критическая плотность тока;
F – постоянная Фарадея, 96484,56 Кл/моль;
Dd – коэффициент диффузии, равный 1,5∙10–5 см2/с;
dкр – критическая толщина диффузионного слоя.
Падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата, В:
(3.74)
где X N – см. расчет по формуле (3.67);
XА XК X
– экспериментальные данные;
NaCl
F – постоянная Фарадея;
Т – температура исходной воды (К);
R = 8,314 Дж/ (К∙моль) – универсальная газовая постоянная;
XN – отношение концентраций рассола и дилюата в конце длины пути
(лабиринта) потока в электродиализном аппарате;
Спр – концентрация раствора, соответствующая точке поляризации;
d – толщина дилюатной (рассольной) камеры в электродиализном
аппарате;
δА = δК – толщина мембраны;
λ – эквивалентная электрическая проводимость исходной воды.
9. Напряжение на электродиализном аппарате, необходимое для
поддержания средней плотности тока в ячейке, В:
114
(3.75)
где Еэл – электродный потенциал, равный 4В;
U яч – падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата;
nяч – число дилюатных (рассольных) камер или соответственно
число рабочих ячеек в электродиализном аппарате.
10. Расход электроэнергии на обработку воды в электродиализной
установке, кВт/ч:
а) на деминерализацию
, (3.76)
где fнт = fбр∙kэк; (3.77)
U – напряжени на электродиализном аппарате, необходимое для поддержания средней плотности тока в ячейке;
i и Nэ – экспериментальные данные;
б) на подачу дилюата и рассола в электродиализный аппарат
W
– экспериментальные данные;
пер
в) суммарный расход электроэнергии
Wэ = W
опр
г) суммарный расход на обработку 1 м3 воды
где Q
– расход воды, опресняемой установкой, м3/ч.
уст
Пример решения задачи
+ W
пер
;
(3.79)
Задание. Рассчитать прямоточную электродиализную установку
ЭДУ-1000.
Исходные данные:
– пропускная способность Qэ = 1000 м3/сут;
– площадь отдельной мембраны fбр = 500 см2;
– длина пути потока L = 477 см;
115
– скорость протекания воды в ячейке V = 24 см/с;
– толщина мембраны δА=δК = 0,60 см;
– расход воды, опресняемой установкой Q=2000 м3/сут;
– общее содержание растворенных солей в исходной воде
Сн = 1418 мг/л;
– температура исходной воды Т= 17 °С;
– удельная электрическая проводимость исходной воды
x = 30,6∙10–4;
– выход по току ŋ = 0,87;
– толщина прокладки (сетчатая косого исполнения) в электродиализном аппарате d
= 0,12 см;
кос
– толщина дилюатной (рассольной) камеры в электродиализном
аппарате, dд = 0,12 см;
– длина канальца распределения в аппарате l
– диаметр распределительного коллектора в аппарате Dк = 2 см;
– коэффициент экранирования мембраны сетчатой прокладкой
Кэк = 0,704;
– солесодержание опресненной воды Ск = 1000 мг/л;
– степень допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола Кс = 4,2;
– степень опреснения исходной воды на установке Y = 0,705;
– критическая толщина диффузионного слоя đкр = 6,72·10–3;
– эквивалентная электрическая проводимость исходной воды
λ = 143,7.
Решение.
1. Определяют степень опреснения исходной воды на установке:
= 1 см;
кан
Y =
= 1.418.
2. Пропускная способность электродиализатора:
Qэ = 21,3 – 1000
7,984 м3/ч.
=
75,1
3. Отношение концентраций рассола и дилюата в конце длины
пути (лабиринта) потока в электродиализном аппарате:
116
.
4. Ширина оттока воды в прокладке (лабиринте) электродиализ-
см.
.
λ =
0,00306__
0,0213×10–3
= 143,7.
Cпр =
__ 8,78× 0,5__
= 3,033.
96484,56×0,15×10
–4
ного аппарата:
5. Число дилюатных (рассольных) камер или соответственно
число рабочих ячеек в электродиализном аппарате:
6. Необходимая площадь катионитовых (анионитовых) мембран
в одном аппарате:
Fбр = 838,826 × 500 = 419413м2.
С учетом экранирования, площадь катионитовых (анионитовых)
мембран:
7. Эквивалентная электрическая проводимость исходной воды
8. Толщину диффузионного слоя принимают 6,72∙10
9. Находим концентрацию раствора, соответствующую точке по-
ляризации:
FНТ = 838,826 × 0,704 = 295267 м2.
–3
см.
10. Падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппа-
рата с учетом экспериментальных данных: XА = 0,0029; XК = 0, 0036;
X
= 52∙10–4;
NaCl
117
Uяч =
W
опр
=
= 0,37
кВт/ч;
11. Напряжение на электродиализном аппарате, необходимое для
поддержания средней плотности тока в ячейке при Еэл= 4 В:
U = 838,826 × 0,35 + 4 = 297,589 В.
12. Расход электроэнергии на обработку воды в электродиализной
установке (кВт/ч):
а) на деминерализацию при Nэ = 4
fнт = 500∙0,704=0,352 м2
б) на подачу дилюата и рассола в электродиализный аппарат с учетом экспериментальных данных W
=11,3 кВт/ч;
пер
в) суммарный расход электроэнергии
0.37 + 11,3 = 11,67 кВт/ч;
г) суммарный расход электроэнергии на обработку 1 м3 воды
11,67/2000 = 0,0058 кВт/ч.
Вывод. Для опреснения 2000 м3/ч воды на прямоточной электро-
диализной установке ЭДУ-1000 необходимо затратить 11,67 кВт/ч
электроэнергии.
В табл. 3.21 и 3.22 приведены варианты заданий.
118
Таблица 3.21
№
ЭДУ
Qэ,
м3/сут
L, см
V,
см/с
δА=δК, см
Q,
м3/сут
Сн, мг/л
Т, °С
1
1000
1000
477
24
0,60
2000
1418
17 2 500
500
427
24
0,35
2000
1418
17 3 250
250
427
24
0,17
2000
1418
17 4 100
100
90
10
0,13
2000
1418
17 5 50
50
90
10
0,03
2000
1418
17
6
1000
1000
470
25
0.64
2500
1420
15 7 500
500
430
23
0,34
2100
1420
15 8 250
250
450
22
0,15
2100
1418
15 9 100
100
80 9 0.12
2100
1419
15
10
50
50
85 9 0,02
2050
1420
17
11
1000
1000
466
25
0,59
2080
1410
16
12
500
500
470
24
0,4
1900
1410
16
13
250
250
420
25
0,6
1900
1420
15
14
100
100
92
10
0,1
1900
1419
16
15
50
50
92 9 0,01
2000
1410
17
16
1000
1000
480
24
0,62
2200
1450
18
17
500
500
435
25
0,37
2020
1415
17
18
250
250
428
23
0,17
2070
1415
16
19
100
100
85 8 0,14
2070
1410
16
20
50
50
87
10
0,02
2010
1417
18
21
1000
1000
475
23
0,61
2030
1418
18
22
500
500
425
25
0,3
2015
1419
18
23
250
250
430
23
0,16
2020
1417
14
24
100
100
89
22
0,14
2010
1415
14
25
50
50
91 8 0,025
2010
1417
14
Параметр
Параметр
Площадь отдельной мембраны
fбр, см2
500
Длина канальца распреде-
ления в аппарате l
кан
, см
1
Удельная электрическая про-
водимость исходной воды x
30,6∙10-4
Диаметр распреде- литель-
ного коллек-
тора в аппарате,
Dк, см
2
Толщина прокладки (сетчатая
косого исполнения) в электро-
диализном аппарате
d
кос
, см
0,12
Коэффициент экранирова-
ния мембраны сетчатой
прокладкой К эк
0,704
Основные исходные данные по вариантам
Исходные данные для всех вариантов
Таблица 3.22
119
Окончание табл. 3.22
Параметр
Параметр
Толщина дилюатной (рассоль-
ной) камеры в электродиализ-
ном аппарате, dд, см
0,12
Солесодержание опреснен-
ной воды Ск, мг/л
1000
Степень допустимого концен-
трирования солей в рассоль-
ных камерах при циркуляции
рассола, Кс
4,2
Степень опреснения исход-
ной воды на установке Y
0,705
Критическая толщина
диффузионного слоя đкр
6,72·10
–3
Эквивалентная электриче-
ская проводимость исход-
ной воды, λ
143,7
Выход по току, ŋ
0,87
3 . 4 . Б и о л о г и ч е с к и е м е т о д ы о ч и с т к и с т о ч н ы х в о д
Состав сточных вод колеблется в значительных пределах, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора надежного и
эффективного метода очистки. Очистка сточных вод – это разрушение
или удаление из них определенных загрязняющих веществ.
Сточные воды, прошедшие механическую и физико-химическую
очистки, подлежат биохимической очистке. Направляемые на биохимическую очистку сточные воды, характеризуются величиной БПК и ХПК.
БПК – это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ за определенный промежуток времени (сут), в мг О
2
на 1 мг вещества. ХПК – химическая потребность в кислороде, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя,
необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся
в воде. ХПК также выражается в мг О
на 1 мг вещества.
2
Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрити сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование
биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко
окисляться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень
медленно.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]