Важнейшим показателем процесса электрохимической очистки сточных вод является удельный расход электроэнергии, т.е. расход электроэнергии, необходимый для достижения требуемой степени очистки единицы объема. Удельный расход электроэнергии постоянного тока определяется по формуле:
(2.100)
где W - удельный расход электроэнергии, Вт-ч на 1 л или кВт-ч на 1м3 стока; I- ток, А; τ - продолжительность электродиализа, ч; Еобщ - напряжение на электродиализаторе, В; Q - объем сточной жидкости, обрабатываемый за время t, л или м3.
Для снижения удельного расхода электроэнергии необходимо по возможности исключить протекание побочных процессов, чтобы практически все количество электричества It расходовалось на получение целевого продукта, т.е. чтобы выход по току основной электродной реакции был равен или близок к 100 %. Общее напряжение на электродиализаторе Eобщ можно представить в виде следующей суммы
Еобщ=φa +φк +ηa +ηк + Еэл + Ек + Еконт + Ем ,
(2.101)
где φа и φк - равновесные потенциалы анода и катода; ηa и ηк - перенапряжение на аноде и катоде; Еэл - падение напряжения на преодоление электрического сопротивления электролита (в случае многокамерного электродиализатора); Еа и Ек - падение напряжения в анолите и католите; Еконт - падение напряжения в контактах, подводящих ток к электродам; Ем - падение напряжения в мембране.
80
Равновесные потенциалы электродов (φа и φк) определяются протекающими на них реакциями, зависят от состава и температуры анолита и католита. Для расчетов обычно принимают равными 1-1,5 В.
Величины перенапряжения электродных реакций (ηа и ηк) зависят от плотности тока, материала электродов, состояния их поверхности, состава электролита, температуры электролиза и обычно не превышают 1В. Падение напряжения в электролите Еэл, зависит от состава и концентрации электролита, конструкции рамок и прокладок, количества ячеек (см. подразд. 2.6.2).
Потери напряжения в анолите и католите (Еa и Ек) зависят от конструкционного исполнения электродных камер, материала электродов, динамического режима и плотности тока. Для наиболее распространенного случая, когда плоские электродные поверхности расположены параллельно друг другу, потери напряжения определяются по формуле
E = i·ρ·l·k
(2.102)
где i - плотность тока, А/см2; ρ - удельное сопротивление электролита, Ом·см; l - расстояние между электродом и мембраной, см; k - коэффициент увеличения удельного сопротивления электролита в следствие газонаполнения (> 1).
Газонаполнение электролита определяется соотношением скоростей образования газовых пузырьков и удаления их из раствора. Оно возрастает с увеличением плотности тока, высоты электродов, при уменьшении расстояния между электродами, увеличении вязкости раствора. Существуют формулы для расчета электропроводности при различном газонаполнении [135].
Падение напряжения в мембране Ем складывается из собственного омического сопротивления мембраны и мембранного потенциала. Последний обычно не превышает 10 мВ, поэтому для двух- и трехкамерных установок может не учитываться.
Омическое падение напряжения на мембране составляет 0,2-1,0 В и определяется составом и температурой растворов, конструкцией ячеек, плотностью тока.
Падение напряжения в металлических проводниках и контактах Еконт зависит от их конструкции и обычно не превышает 0,1 В.
Таким образом, напряжение на электролизере зависит главным образом от плотности тока, материала электродов, состава раствора, температуры, конструкции электродиализатора.
Выбор оптимальных режимов работы электродиализатора
Удельные затраты электроэнергии, поток ионов через мембраны и степень концентрирования кислоты и щелочи связаны прямой пропорциональностью, а эффективность использования тока, капитальные затраты и затраты на замену мембран обратно пропорциональны плотности тока. Следовательно, для каждого конкретного случая существует определенное оптимальное значение плотности тока [110, 136-138].
81
Широкому распространению электродиализа препятствуют относительно высокие затраты электроэнергии. По имеющимся литературным данным, эти затраты изменяются в пределах от 1 до 1500 кВт·ч/м3 [122, 136, 260].
Выход по току (эффективность тока) зависит от свойств мембран и оценивается соотношением:
(2.103)
где t- и t+ - числа переноса ионов в соответствующих мембранах; F - число Фарадея; D - коэффициент диффузии.
Для отдельной камеры выход по току может быть определен по формуле:
(2.104)
где 26,8 - количество ампер-часов, необходимых для переноса 1г-экв вещества; V - объем камеры, м; Сн и Ск - начальная и конечная концентрации обрабатываемого раствора, г-экв/м3; τ - продолжительность процесса, ч.
Обменная производительность мембран по удаляемому иону, г/м2 ч
(2.105)
При анализе имеющейся литературы по вопросу влияния различных факторов на технико-экономические показатели при электродиализе вод все действующие факторы условно можно разделить на три группы, зависящие от 1) конструкции аппарата, 2) условий проведения процесса и 3) природы раствора. К первой группе относятся: тип аппарата, межмембранное расстояние, конструкции рамок, материал электродов, тип используемых мембран. Ко второй группе относятся: гидродинамическая обстановка в камерах аппарата, плотность и форма тока. Третья группа факторов: состав электролита, вид ионов, переносимых через мембрану, разность концентраций в камерах электролизера.
Традиционно совершенствование электродиализаторов связывается с оптимизацией межмембранного расстояния и формы сепаратора, турбулизующего поток жидкости в канале [52, 56, 211-216].
Анализ влияния остава раствора, природы растворенного вещества, а также свойств мембран и механизма транспорта ионов содержится в фундаментальных работах [13, 52-57, 82, 114], в которых приводятся уравнения, связывающие величины падения напряжения на мембране с интенсивностью потока ионов и индивидуальными характеристиками ионов и мембран. При сравнении процессов электродиализа с постоянной и
82
переменной полярностями электродов [140] пришли к выводу, что периодическое изменение полярности способствует снижению образования осадков. Использование других форм тока, отличных от постоянного, позволяет снизить затраты электроэнергии, увеличить обменную производительность и селективность мембран [46-50, 141-142].
83
