Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей проблемой в сфере социального благополучия населения является снабжение его доброкачественной питьевой водой, безопасной в эпидемиологическом отношении. Это обусловлено высоким бактериальным и вирусным загрязнением источников водоснабжения, неудовлетворительным состоянием разводящей водопроводной сети.
На протяжении всего XX века и до сих пор хлор остается наиболее эффективным веществом для обеззараживания воды, благодаря эффекту его последействия, гарантирующему бактериальную безопасность обработанной воды в течение длительного времени. Потенциальная опасность для жизни и здоровья людей, связанная с хранением и применением хлора, вызвала необходимость поиска и практического внедрения иных методов хлорирования. Наиболее безопасным и малотоксичным для человека хлорсодержащим реагентом признан электролитический гипохлорит натрия, получаемый в бездиафрагменных электролизерах непосредственно на месте потребления, для чего требуются поваренная соль, вода и электроэнергия.
Наметившаяся в последние годы и активно развивающаяся тенденция, направленная на массовое применение гипохлорита натрия вместо хлора, привела к повышенной конкурентоспособности предлагаемых разработок и расширению круга специалистов и предприятий, занимающихся этой проблемой, но, к сожалению, не всегда имеющих опыт в такого рода деятельности. Последние научно-технические форумы и выставки «Питьевые воды России» (2007 г.), «Экватэк-2008» показали, что рекламируемые на рынке потребителей электролизные установки не учитывают в полной мере весь спектр проблем, возникающих при их эксплуатации.
Это подтверждает актуальность проведения исследований особенностей процессов бездиафрагменного электролиза хлоридных растворов и на их основе совершенствования технологических параметров установок получения электролитического гипохлорита натрия, определяющих надежность, экологическую безопасность и экономическую эффективность обеззараживания воды.
Работа выполнена в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» по госбюджетной теме «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод Южного региона страны с учетом экологических требований» (Гос. per. № 01.9.40001739) и является частью исследовательской работы научной школы ЮРГТУ (НПИ) «Технология очистки природных и сточных вод».
Цель работы - совершенствовать технологические параметры установок получения электролитического гипохлорита натрия в местах его потребления и внедрить их в практику обеззараживания воды.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ современного состояния обеззараживания воды электролитическим гипохлоритом натрия;
создание математических моделей непроточного и проточного электролиза на базе экспериментального изучения влияния химического состава и концентрации растворов хлоридов, продолжительности непроточного электролиза, расхода электролита при проточном режиме на выход гипохлорита натрия, образование осадка на катоде, содержание компонентов выделяющейся газовой смеси, технологические и технико-экономические показатели процесса;
комплексная оценка эффективности методов реверса электрического тока и декарбонизации воды, используемой для приготовления солевых растворов, на образование катодного осадка;
разработка рекомендаций по совершенствованию технологических параметров установок получения электролитического гипохлорита натрия и подтверждение их соответствия в производственных условиях;
эколого-экономическая оценка предложенной технологии обеззараживания воды электролитическим гипохлоритом натрия.
Основная идея работы состоит в установлении параметрических зависимостей бездиафрагменного электролиза растворов хлоридов и на их основе разработке экономически обоснованных технических решений и рекомендаций по совершенствованию технологических параметров установок получения электролитического гипохлорита натрия для обеззараживания воды.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования, моделирование изучаемых процессов, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ и сертифицированных программ «Microsoft Excel» и «Mathcad Professional».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических методов анализа, метрологически аттестованным оборудованием, и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований с результатами эксплуатации в производственных условиях при доверительной вероятности 0,95 и относительной погрешности Д=±10 %, а также с результатами других авторов, патентной чистотой разработанного технического решения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
получены математические модели в виде уравнений полиномиальной регрессии, адекватно описывающие процессы электролиза растворов хлоридов в непроточных и проточных режимах;
выявлена взаимосвязь окислительно-восстановительных реакций в водных растворах хлоридов с технологическими параметрами в установках непроточного и проточного типов, обеспечивающими оптимальные технико-экономические показатели электролиза;
теоретически обоснован новый метод снижения образования катодных осадков при электролизе на основе предварительной декарбонизации воды для приготовления солевых растворов, подтвержденный экспериментально;
усовершенствована методика предотвращения образования осадков на катоде при реверсе электрического тока и определены граничные условия ее применения в условиях заданных концентраций солевых растворов.
Практическое значение работы:
— разработаны рекомендации по совершенствованию технологических
параметров установок получения электролитического гипохлорита натрия,
определяющие экологическую безопасность, экономичность и надежность
обеззараживания воды;
предложены технологические схемы электролизных установок на сооружениях водоподготовки и определены границы их рационального применения в зависимости от требуемой производительности по активному хлору и качества применяемой соли;
разработаны рекомендации по выбору метода декарбонизации воды, используемой для приготовления солевых растворов (известкование, подкисление с аэрацией, хлор-анионирование);
разработана установка для получения электролитического гипохлорита натрия с узлом декарбонизации воды, техническая новизна которой подтверждена патентом РФ на полезную модель № 32482.
Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации диссертационной работы использованы при разработке проектно-сметной документации «Электролизная ОСВ-1 ОАО «ПО Водоканал г. Ростова-на-Дону» и внедрены в технологию обеззараживания питьевой воды на Центральных водопроводных очистных сооружениях г. Ростова-на-Дону.
На защиту выносятся:
установленные параметры бездиафрагменного электролиза растворов хлоридов (располагаются в убывающем порядке по степени влияния на образование активного хлора: концентрация хлоридов, продолжительность непроточного электролиза или расход электролита при проточном режиме, химический состав солевого раствора) могут быть положены в основу разработки технологического регламента эксплуатации установок получения электролитического гипохлорита натрия для совершенствования их технических и экономических показателей;
повышение надежности и экономичности при электролизе растворов хлоридов достигается разработанным методом декарбонизации исходной водопроводной воды для приготовления солевых растворов, обеспечивающим снижение образования катодных осадков при использовании соли с примесями кальция;
- математические модели процессов непроточного и проточного
режимов электролиза позволяют разработать установки получения
электролитического гипохлорита натрия с усовершенствованными
7 технологическими параметрами работы, учитывающие требуемую производительность по активному хлору и качество используемых солии воды.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 1998-2009 г.г.); заседаниях научно-технического совета ООО НПП «Экофес» (г. Новочеркасск, 1998-2009 г.г.); научно-практической конференции «Проблемы строительства и инженерной экологии»* посвященной 70-летию строительного факультета ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2000 г.); III Международной научно-практической конференции «Техновод-2006», посвященной 10-летию промышленного производства и использования оксихлоридного коагулянта «ОХА» в России (г. Кисловодск, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 8 работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК России, и 1 патенте РФ на полезную модель.
