Введение к работе
Актуальность проблемы. Многие традиционные способы очистки и деминерализации природных вод уступают электромембранной технологии с экономической и экологической точек зрения. Электродиализ разбавленных растворов электролитов вызывает в настоящее время повышенный интерес.
Развитие и совершенствование метода электродиализа требует создания новых конструкций электродиализных аппаратов (ЭД), оптимизации работы известных, оценки срока службы ионообменяых материалов. Решение этих задач связано с проблемами получения точной информации о характеристиках ЭД и разработкой методов их прогнозирования в широком диапазоне гидродинамических и электрических режимов эксплуатации.
В настоящее время нет единой теории электродиализа, а существуют разноуровневые теоретические модели процесса и множество разрозненных эксперимеетальных данных о работе ЭД различных конструкций, при помощи которых можно иногда находить массообменные характеристики отдельных аппаратов в узком интервале параметров, определяющих условия их работы. Такое положение вещей во многом связано с отсутствием единого подхода к получению этих характеристик, что в свою очередь, вызвало недостатком знаний о механизмах массопереноса ионов соли и продуктов диссоциации воды при "сверхпредельных" токовых режимах. В то же время, внедрение электромембраиных технологий в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства диктует необходимость рассчитывать технико-экономические показатели процесса электродиализа в широком диапазоне режимов эксплуатации аппаратов.
Работа выполнялась в соответствии с научными программами "Университеты России" 1995-1996 г и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) №96-03-32780; №98-03-0334, а так же Федеральной Целевой НТП Миннауки РФ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения". 1999-2000 г.
Цель работы заключается в том, чтобы:
-выявить основные факторы, определяющие скорость массопереноса ионов соли в каналах ЭД при "сверхпредельных" токовых режимах деминерализации разбавленных растворов;
- разработать регламент тестирования ЭД для получения информации о массообменных характеристиках аппаратов при произвольных значениях операционных параметров проведения процесса;
-разработать имитационную модель ЭД для прогнозирования работы аппаратов различной конструкции на модельных и природных водах.
Научная новизна.
1.Проведена количественная оценка вклада эффектов экзальтации предельного тока и сопряженной конвекции в «сверхпредельцый» массоперенос катионов и анионов соли соответственно через катионообменную и анионообменную мембрану каналов обессоливания (КО) Показано, что соотношение вкладов этих эффектов зависит от каталитической активности ионогенньос групп по отношению к реакции диссоциации воды. Установлено, что в диапазоне линейных скоростей протока \'=0 2-1.3 см/с и концентраций І*10"3-5*!0"2 М раствора NaCI для каждой из мембран, образующих КО, одинаковым степеням «запредельности» (отношение общего тока в системе к току начала интенсивной диссоциации воды) соответствуют близкие
величины отношений электронейтральной части диффузионного слоя (6') к диффузионному слою, определенному при токе начала интенсивной диссоциации воды
(So).
-
Методика тестирования электродиализаторов развита для исследования массообменных характеристик многосекционных аппаратов при обессоливании многокомпонентных растворов.
-
Разработана имитационная модель ЭД,. предназначенная для получения информации о массообменных характеристиках различных мембранных каналов обессоливания при произвольных режимах их эксплуатации. Получены выражения, описывающие массоперенос в каналах обессоливания в широком диапазоне плотностей токов и скоростей протока для растворов, содержащих NaCl или NaHCOj, а также многокомпонентных растворов, содержащих СГ, НСОз" и гЧОз'-ионы.
Практическая значимость.
1. Показано, что использование при "сверхпредельных" токовых режимах анионообменных мембран с низкой каталитической активностью ионогенньк групп по отношению к реакции диссоциации воды позволяет увеличить массоперенос анионов в два раза по сравнению с традиционно используемыми мембранами МА-40.
. 2. Проведено сравнение массообменных характеристик и определены области применения основных типов электродиализаторов, предназначенных для деминерализации разбавленных растворов (мембранные пакеты, сформированные мембранами с гладкой или профилированной поверхностью, содержащие наполнитель в виде инертных сепараторов и (или) моносдоя иошгга).
-
Предложена схема расчета эксплуатационных затрат на обессоливание воды. Проведен технико-экономический анализ ЭД на основе конвективно-диффузионной модели и использовании экспериментальных данных. Определены закономерности влияния на этот процесс конструктивных особенностей ЭД и операционных параметров электродиализа.
-
Результаты тестирования электродиализаторов, полученные аппроксимационные зависимости и комплекс программ для ШМ PC, используемых для расчета массообменных характеристик крупногабаритных ЭД, позволили существенно модифицировать информационно-вычислительную систему "Электродиализ-Меиеджер" в область прогнозирования массообменных характеристик различных типов ЭД при заданных условиях проведения процесса.
5. . Найдены оптимальные параметры процесса ЭД обессоливания
природной воды, прошедшей предварительную обработку на электрохимическом
умягчителе непрерывного действия. Технологический регламент передан для
широкого внедрения генеральному заказчику (Главное Военно-медецинское
управление х/д №503 "Полевая ЭД установка ПЭДУ-01"- Шифр "Прогноз".) для
использования в полевых установках получения апирогенной и деионизованной воды.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод оценки вкладов эффектов экзальтации и сопряженной конвекции в «сверхпредельный» массоперенос ионов соли, основанный на использовании для расчетов известных выражений, найденных из решения системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона и экспериментально определяемых потоков Н* и ОН" ионов, полученных для мембран с различной каталитической активностью ионогенных групп по отношению к реакции диссоциация воды.
-
Регламент тестирования ЭД. Имитационная модель расчета их массообменных характеристик при произвольных режимах проведения процесса электродиализа. Рекомендации и пакет прикладных программ для расчета
массообменных характеристик ЭД, предназначенных для обессоливания бинарных и многокомпонентных растворов.
3. Схема расчета эксплуатационных затрат на электродиализ растворов электролитов. Закономерности влияния конструктивных особенностей ЭД и операционных параметров процесса на стоимость обессоленной воды.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на ежегодных конференциях по мембранной электрохимии "Ионообменные мембраны от синтеза к примененшо"( г.Краснодар, 1996-1999 г.), VBI Всероссийской, конференции "Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов", Воронеж, 1996 г, International. Conference "European Desalination Society. Second Annual Meeting Desalination", Genoa, Italy , 1996, Всероссийской научной конференции МЕМБРАНЫ-98, International conference on membrane science and tecnology (ICMST 98), 1998, Beijing, China, International. Conference "European Desalination Society. Second Annual Meeting Desalination", Las Palmas, Gran Canarian, 1999.
Публикации, По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структур» работы. Введение, пять глав, выводы, список дитературы^Й^наим), 2 приложения. Работа изложена на /Є9 стр., содержит 26 рисунка и // таблицы.
