Анодное окисление и катодное восстановление

 

Процессы электрохимического окисления и восстановления осуществляют в аппаратах, называемых электролизерами. Электролизеры применяются преимущественно на локальных установках для удаления из сточных вод цианидов, роданидов, соединений азота, сульфидов, фенолов, спиртов, альдегидов, кетонов, меркаптанов и ряда других компонентов.

Рис. 4.21. Схема очистки сточных вод от цианидов методом анодного окисления: 1 – подача сточной воды; 2 – резервуар-усреднитель; 3 – бак для приготовления раствора поваренной соли; 4 – бак для приготовления щелочного реагента; 5 – электролизер; 6 – емкость очищенной воды; 7 – подача воды на повторную очистку; 8 – подача воздуха; 9 – источник постоянного тока

Методом анодного окисления обрабатываются сточные воды, содержащие цианистые соединения с концентрацией 100÷1000 мг/л, при расходе до 10 м³/ч [1, 6]. Принципиальная схема электрохимической очистки цианосодержащих сточных вод показана на рис. 4.21. Раствор поваренной соли подается для увеличения электропроводности воды (при этом цианиды дополнительно окисляются образующимся на аноде хлором), а раствор щелочи – для корректировки показателя рН до величины ≥ 10.

Электролизеры представляют собой стальные резервуары прямоугольной формы, открытые или со съемной крышкой. Резервуары разделены с помощью перегородок из синтетических материалов на несколько отсеков. В перегородках выполняются несколько рядов отверстий, суммарная площадь которых составляет 20÷30 % площади находящейся в воде части перегородки.

Сточные воды в электролизере движутся горизонтально вдоль поверхности электродов. Электролизер оборудуется приемной и сборной камерами, также отделенными от рабочего пространства дырчатыми перегородками. На дно аппарата в каждом отсеке укладываются перфорированные трубы из синтетических материалов для подачи сжатого воздуха, который, барботируя через жидкость, способствует ее перемешиванию.

В ванне электролизера размещаются электроды двух типов: стальные катоды в виде пластин толщиной 1÷2 мм и графитовые аноды в виде плит или стержней. Размеры стандартных графитовых плит составляют 1000×180×50 мм. Применяются также титановые аноды с металлооксидным покрытием (диоксид рутения, магнетит и др.). Ориентировочный срок службы графитовых анодов составляет 4÷5 месяцев. При обработке медьсодержащих сточных вод целесообразно использовать медные катоды для облегчения утилизации извлекаемой в виде катодного осадка меди.

При определении габаритов электролизера необходимо учитывать объем находящейся в нем воды, а также объем, занимаемый перегородками и электродами. Расстояние между соседними электродами составляет 40÷50 мм.

Катоды и аноды подвешиваются в электролизере на токопроводах, выполненных в виде медных или латунных стержней. Концы стержней фиксируются на соответствующих шинах, укладываемых на изоляторах вдоль бортов электролизера. Сечение проводников рассчитывается на максимальную токовую нагрузку.

Корпус электролизера должен быть защищен изнутри материалами, стойкими к воздействию хлора и его кислородных соединений, оборудован вентиляционным устройством для удаления выделяющегося газообразного водорода.

При величине тока в электрической цепи свыше 3000 А и необходимости отведения больших количеств газообразных продуктов электролиза рекомендуется устанавливать несколько электролизеров с автономными источниками питания.

Электролизеры могут быть аппаратами периодического и непрерывного действия. Величина рабочего тока, А, при работе электролизеров определяется по формулам:

 

– для аппаратов периодического действия:

 

,

(4.49)

 

– для аппаратов непрерывного действия:

 

,

(4.50)

где k_y – коэффициент удельного расхода электроэнергии, (А· ч)/г; при очистке сточных вод от цианидов принимается равным 2.06;

С_вх – концентрация удаляемых примесей в сточной воде, г/м³;

V_эл – объем ванны электролизера, м³;

Т – время пребывания сточных вод в электролизере (0.25÷0.5 ч);

Q – расход сточных вод, м³/ч;

η_эл – выход электролизера по току, при обезвреживании цианидов принимаемый равным 0.6÷0.8.

При электролизе протекает множество электрохимических реакций, и выход электролизера по току характеризует ту часть используемого электричества, которая приходится на долю интересующей реакции.

Суммарная площадь поверхности анодов, м², вычисляется по формуле:

 

,

(4.51)

где i_ан – анодная плотность тока, А/м², зависящая от вида удаляемых примесей (при удалении цианидов – 100÷150 А/м², тринитротолуола – 200÷600 А/м²).

 

Общее число анодов:

 

,

(4.52)

где f_ан – площадь поверхности одного анода, м².

Площадь поверхности катодов принимается равной площади поверхности анодов.

Найденная величина рабочего тока является параметром, позволяющим подобрать тип выпрямителя тока (источника электропитания). Характеристики типовых выпрямительных агрегатов, используемых для электрохимической очистки воды, представлены в приложении 22.

 

Электрокоагуляция

 

Процессы электрокоагуляции возникают при электролизе сточных вод с использованием металлических (стальных или алюминиевых) анодов, подвергающихся электролитическому растворению. Вследствие растворения анодов вода обогащается соответствующими ионами, которые в нейтральной или слабощелочной среде образуют гидроксиды. В результате происходит процесс коагуляции, аналогичный обработке воды солями железа и алюминия. Однако в отличие от реагентного метода при электрокоагуляции не происходит насыщения очищаемой воды сульфатами и хлоридами.

При наличии в воде тонкодиспергированных примесей в процессе электрокоагуляции происходят и другие химические и физико-химические явления:

– электрофорез;

– катодное восстановление растворенных органических и неорганических веществ;

– химические реакции между катионами железа и алюминия и некоторыми присутствующими в воде анионами (фосфатами, сульфидами и др.) с образованием нерастворимых осадков;

– флотация дисперсных примесей пузырьками образующихся при электролизе газов.

Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами используются для очистки маслоэмульгированных сточных вод. Они могут быть аппаратами как периодического, так и непрерывного действия, жидкость в которых движется, преимущественно, в горизонтальном направлении.

Корпус электрокоагулятора имеет прямоугольную форму и снабжен герметичной крышкой. В корпусе установлена электродная система и устройство для удаления пены. Днище корпуса имеет уклон в сторону выпуска воды. Аппараты непрерывного действия дополнительно снабжаются устройствами рассредоточенного впуска и выпуска воды и устройством для поддержания постоянного уровня воды. Кроме подводящих, отводящих и сливных патрубков электрокоагуляторы должны оборудоваться присоединительными фланцами для подключения к вентиляционной системе удаления водорода. Для обеспечения безопасности работа электрокоагулятора должна быть сблокирована с работой вентилятора: при остановке вытяжного вентилятора автоматически должна прекращаться работа электрокоагулятора [6].

Корпус электрокоагуляторов изготавливают из углеродистой стали с последующим нанесением на внутреннюю поверхность защитного покрытия (например, из винипласта или эпоксидных смол).

Электродный блок выполняется в виде параллелепипеда и располагается равномерно по объему аппарата. Толщина электродов составляет 4÷8 мм, расстояние между соседними электродами – 12÷15 (не более 20) мм. Объем жидкости над электродами не должен превышать 20 % общего объема электрокоагулятора. Токопроводы к электродным блокам должны быть изолированы от жидкости и корпуса аппарата.

Пена с поверхности воды может удаляться сдуванием или при помощи механических устройств.

В соответствии с [1] концентрация эмульгированных масло- и нефтепродуктов в сточных водах при обработке их методом электрокоагуляции не должна превышать 10 г/л. При более высоких концентрациях необходимо предварительное разбавление предпочтительно кислыми стоками. Остаточная концентрация примесей – не более 25 мг/л.

Площадь анодов электрокоагулятора, м², определяется по формуле:

 

,

(4.53)

где Q – производительность аппарата, м³/ч;

q_эл – удельный расход электричества, (А· ч)/м³, допускается принимать по табл. 4.4;

i_ан – анодная плотность тока, равная 80÷120 А/м².

Величина рабочего тока, А:

 

.

(4.54)

 

Количество анодов определяется по выражению (4.52), общее число электродов:

 

.

(4.55)

 

Ширина электродного блока, м:

 

,

(4.56)

где b – расстояние между электродами, м;

δ – толщина электродных пластин, м.

 

Ширина электрокоагулятора, м:

 

,

(4.57)

где b ₁ = 0.02÷0.03 м – расстояние между крайними электродами и стенками аппарата.

Объем электродного блока состоит из объема электродов и объема жидкости в межэлектродном пространстве: V_бл = V_эл + V_ж.

Объем жидкости, м³:

 

.

(4.58)

 

Объем электродной системы, м³:

 

.

(4.59)

 

Длина ребра электродного блока (условно имеющего форму куба) может быть найдена из выражения:

 

.

(4.60)

 

Масса электродной системы, кг:

 

,

(4.61)

где ρ_Al = 2700 кг/м³ – плотность алюминия.

 

Рис. 4.22. Схема к определению размеров электрокоагулятора

Если масса электродного блока превышает 50 кг, то следует устанавливать несколько последовательных блоков. При установке блоков в ванне электрокоагулятора зазоры b ₂ между ними составляют 40÷70 мм. Зазоры b ₃ между блоками и торцевыми стенками, а также днищем аппарата находятся в пределах от 20 до 70 мм. С учетом установочных зазоров, длина ванны электрокоагулятора составит (см. рис. 4.22):

 

,

(4.62)

где N_бл – количество электродных блоков.

 

Высота уровня воды в ванне, м:

 

,

(4.63)

где h_бл – высота электродного блока, м;

h – высота жидкости над электродами, м.

 

Объем ванны электрокоагулятора, м³:

 

.

(4.64)

 

При определении габаритной высоты аппарата необходимо учитывать необходимость установки в верхней его части устройства для удаления пены. Габаритная длина определяется с учетом размеров впускной и сборной камер.

Расход металлического алюминия при очистке маслосодержащих сточных вод определяется по удельному показателю q_Al (см. табл. 4.4).

Расчет производительности вытяжной вентиляционной системы производят исходя из количества выделяющегося водорода, при этом производительность вентилятора, м³/ч, определяется по формуле:

 

,

(4.65)

где q_H – удельное количество выделяющегося при электролизе водорода, л/м³, которое допускается принимать по табл. 4.4.

 

Таблица 4.4

Технологические параметры для расчета электрокоагуляторов

Параметр	Содержание масел, г/м^3
qэл, (А· ч)/м^3
qAl, г/м^3
qH, л/м^3

 

Степень очистки сточных вод от нефтепродуктов, масел и жиров методом электрокоагуляции составляет 55÷99 % [5].

Электрокоагуляторы со стальными электродами применяются для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности от шестивалентного хрома и других металлов при расходе сточных вод не более 50 м³/ч. При этом концентрация шестивалентного хрома должна быть не более 100 мг/л, исходное общее содержание ионов цветных металлов (цинка, меди, никеля, кадмия, трехвалентного хрома) – не более 100 мг/л, концентрация каждого из ионов металлов – не более 30 мг/л. Минимальное общее солесодержание сточных вод должно составлять 300 мг/л, концентрация взвешенных веществ до 50 мг/л.

Обработка воды ведется в слабокислой или нейтральной среде. При одновременном наличии в сточных водах ионов шестивалентного хрома, меди и цинка значения водородного показателя должны составлять [1]:

4÷6 – при концентрации хрома 50÷100 мг/л;

5÷6 – при концентрации хрома 20÷50 мг/л;

6÷7 – при концентрации хрома менее 20 мг/л.

При наличии в сточных водах ионов шестивалентного хрома, никеля и кадмия:

5÷6 – при концентрации хрома свыше 50 мг/л;

6÷7 – при концентрации хрома менее 50 мг/л.

При отсутствии в воде ионов шестивалентного хрома и наличии ионов меди, цинка и кадмия водородный показатель должен быть больше 4.5, ионов никеля – больше 7.

Корпус аппаратов представляет собой прямоугольный резервуар, облицованный изнутри кислотостойким материалом (полипропиленом, полиизобутиленом и др.). Электрокоагуляторы оборудуются вытяжными вентиляционными устройствами (например, бортовыми отсосами). Днище коагуляторов целесообразно выполнять с небольшим (до 5º) уклоном в сторону выпуска сточных вод.

В практике наибольшее распространение получили электрокоагуляторы с помещенными в них блоками плоских пластинчатых электродов, расположенных вертикально. Движение сточных вод в аппарате осуществляется вдоль поверхности пластин в горизонтальном или вертикальном направлении. Впуск и выпуск воды осуществляется через приемную и выпускную камеры, отделенные от рабочего пространства электрокоагулятора дырчатыми перегородками.

Катоды и аноды изготавливаются из низкоуглеродистых сталей (Ст. 3, Ст. 4 и т. п.), толщина электродов 3÷6 мм, первоначальное расстояние между соседними электродами должно составлять 5÷10 мм. Рекомендуемая длина электродных пластин составляет 0.6÷1.0 м, высота – 0.3÷0.6 м. Электроды собираются в виде блоков на общей раме и подключаются к катодной и анодной шинам. Для предотвращения короткого замыкания пластины в двух-трех местах по высоте разделяются прокладками из диэлектрика (винипласта, текстолита и пр.). Масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг.

При наличии в сточных водах только одного компонента величина рабочего тока, А, определяется по формуле:

 

,

(4.66)

где Q – производительность аппарата, м³/ч;

C_вх – исходная концентрация удаляемого компонента, г/м³;

q_эл – удельный расход электричества, необходимый для удаления из сточных вод 1 г иона, (А· ч)/г, принимаемый по табл. 4.5.

 

Таблица 4.5

Технологические параметры для расчета электрокоагуляторов

со стальными электродами

 

Параметр	Удаляемый компонент
Cr^6+	Zn^2+	Ni^2+	Cd^2+	Cu^2+
qэл, (А· ч)/г	3.1	2÷2.5	4.5÷5	6÷6.5	3÷3.5
qFe, г/г	2÷2.5	5.5÷6	2.5÷3	3÷3.5	4÷4.5

 

При наличии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока надлежит определять по формуле (4.66), причем в формулу подставлять значения С_вх и q_эл для шестивалентного хрома. При суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока, определяемую по формуле (4.66), следует увеличивать на 20 %, а величины С_вх и q_эл принимать для одного из компонентов, для которого произведение этих величин является наибольшим.

Общая площадь поверхности анодов определяется по формуле (4.51), при этом анодная плотность тока в зависимости от концентрации ионов металлов принимается по табл. 4.6.

Расход металлического железа для обработки сточных вод Q_Fe, кг/сут, при наличии в них только одного компонента надлежит определять по формуле:

 

,

(4.67)

где Q_cym – суточный расход сточных вод, м²/сут.;

q_Fe – удельный расход железа, г/г (см. табл. 4.5);

k_эл – коэффициент использования материала электродов, в зависимости от толщины электродных пластин принимаемый равным 0.6÷0.8.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа для обработки сточных вод надлежит определять по формуле (4.67), в которую подставляются значения С_вх и q_Fe для шестивалентного хрома.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа надлежит определять по формуле (4.67) с коэффициентом 1.2, а С_вх и q_Fe относить к тому из компонентов сточных вод, для которого произведение этих величин является наибольшим.

 

Таблица 4.6

Величина анодной плотности тока при работе

электрокоагуляторов со стальными электродами

Суммарная концентрация удаляемых ионов, мг/л	До 80	80÷100	100÷150	150÷200
Анодная плотность тока, iан, А/м^2

 

При расчете электрокоагуляторов определяются общая поверхность и количество электродов, конструктивные размеры и число электрокоагуляторов, а также величина тока в электрической цепи. Размеры аппаратов определяются по приведенной выше схеме. При этом продолжительность пребывания сточных вод в электрокоагуляторе должна быть не более 3 минут, а скорость движения воды в межэлектродном пространстве – не менее 3 см/с.

При оптимальных параметрах процесса степень очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов методом электрокоагуляции составляет 90÷95 % [5].

 

Электродиализные установки

 

Электродиализ – процесс сепарации ионов, осуществляемый в многокамерном аппарате (электродиализаторе) под действием постоянного электрического тока, направленном перпендикулярно плоскости мембран. Данный метод можно использовать как для опреснения соленых вод, так и для удаления растворенных солей из производственных стоков.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Через такую систему пропускается постоянный ток, под воздействием которого катионы, двигаясь к катоду («–»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми. Анионы, двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся электрическим током в соседние камеры (рис. 4.23).

Мембраны для электродиализаторов изготавливают в виде гибких листов прямоугольной формы и в виде рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол. Основные свойства промышленно выпускаемых ионитовых мембран приведены в приложении 23.

Рис. 4.23. Схема процесса электродиализа: К – катионитовые мембраны; А – анионитовые мембраны; 1 – выход газообразного водорода; 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразного кислорода и хлора; 4 – выпуск обессоленной воды; 5 – выпуск концентрированного рассола

Различают электродиализаторы прокладочного типа, которые имеют горизонтальную ось электрического поля и пропускную способность 2÷20 м³/ч (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000, «Родник-3»), и лабиринтного типа, имеющие вертикальную ось электрического поля и производительность 1÷25 м³/ч (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25). Аппараты прокладочного типа состоят из чередующихся обессоливающих и рассольных камер, образованных прокладками-рамками из диэлектрика и отделенных друг от друга ионитных мембран. Рамки электродиализных камер изготовляют из полиэтилена, клингерита, паронита, резины, поливинилхлорида толщиной 0.7÷1 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассола обычно образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется торцевыми плитами с помощью стяжных болтов, гидравлических и винтовых домкратов Усилие сжатия должно в 2÷3 раза превышать давление рабочей жидкости. Катод и анод аппарата с изолированными тоководами монтируются в торцевых плитах.

Электродиализный аппарат производительностью 25 м³/ч (рис. 4.24) состоит из 128 корпусных рамок, выполненных из винипласта, между которыми поочередно проложены ионитовые мембраны марки МК-100 и МА-100. Толщина рамок составляет 3 мм. Внутри рамок уложена гофрированная сетка, которая обеспечивает зазор между мембранами иодновременно служит турбулизатором потока воды. Электроды изготовлены из титана с платиновым покрытием толщиной 1÷3 мкм, соединительные трубы – из полиэтилена. Опреснительная установка, состоящая из четырех аппаратов, рассчитана на обессоливание воды с солесодержанием от 3÷6 до 0.8÷1 г/м³.

Рис. 4.24. Эпектродиализный аппарат (разрез): 1 – штуцер; 2 – токовод; 3 – изолятор; 4 – прижимная плита; 5 – прокладка; 6 – электродная рамка; 7 – электрод; 8 – дистанционирующая сетка; 9 – катионитовая мембрана; 10 – анионитовая мембрана

Технические характеристики электродиализных аппаратов представлены в приложении 24. Оптимальная область применения электродиализаторов – при концентрации солей в воде 3÷8 г/л [3].

Для эффективной работы аппаратов необходимо осуществлять промывку приэлектродных камер для предохранения крайних мембран от разрушения продуктами электролиза (Cl₂, ClO^-). Промывной раствор (или рассол) подается в камеры по самостоятельной системе.

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов:

– аппаратов предварительной подготовки воды;

– собственно электродиализных установок;

– кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха;

– фильтров, загруженных активированным углем (БАУ или АГ-3) и бактерицидных установок.

Существуют следующие технологические схемы электродиализных установок:

1. Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного значения до заданного за один поход (рис. 4.25, а). Преимуществами данной схемы являются неограниченная производительность ЭДУ, минимальная протяженность трубопроводов, минимальное количество запорно-переключающей арматуры, оптимальные условия работы электродиализатора, минимальный расход электроэнергии, простота автоматизации. Недостатком является чувствительность ЭДУ к изменениям расхода и состава воды;

 

 

2. Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания (рис. 4.25, б). Преимущество данной схемы заключается в том, что состав и температура исходной воды влияют только на производительность ЭДУ. Недостатки – большее количество трубопроводов и арматуры большее энергопотребление, непрерывное изменение плотности тока в электродиализаторе, что препятствует работе мембран в равновесных условиях и делает процесс очистки трудно контролируемым;

3. Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия, в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается к потребителю (рис. 4.26, а). Преимуществом данной схемы являются непрерывный выход дилюата, возможность обработки воды практически при любых концентрациях, работа мембран в одних и тех же равновесных условиях, легкость контроля и автоматизации ЭДУ, а также простота их эксплуатации. Недостатки – наибольший расход электроэнергии, циркуляционные системы «дилюат – рассол» имеют различные расходы;

 

Рис. 4.26. Технологические схемы электродиализных установок: а) циркуляционной непрерывного действия: 1 – подача сточной воды; 2 – рабочие баки; 3 – рассольный бак; 4 – выпуск рассола; 5 – выпуск дилюата; 6 – электродиализатор; 7 – рециркуляция рассола; 8 – насосы; 9 – рециркуляция сточной воды и дилюата; 10 – выпуск рассола из электродиализатора; 11 – выпуск обессоленной воды; б) с последовательной схемой движения потоков: 1 – подача промывной воды в рассольные ячейки; 2 – подача воды на обессоливание; 3 – электродиализатор; 4 – выход обессоленной воды; 5 – выход рассола

4. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. При этом вода проходит по порядку все камеры дилюатной системы, а рассол – все камеры рассольной системы (рис. 4.26, б). Преимущества этой схемы – непрерывность процесса, высокий процент удаления соли за один проход через аппарат, постоянные напряжение и ток, наличие только двух электродов. Недостатки – большая площадь мембран на единицу обрабатываемой воды, необходимость высокого давления воды на входе в аппарат, сильное влияние на работу ЭДУ расхода воды, сопротивления и селективности мембран.

Выбор технологической схемы ЭДУ производится на основании технико-экономического расчета. При производительности установок свыше 300÷500 м³/сут. по обессоленной воде рациональным считается использование прямоточных технологических схем.

Объем инженерного расчета ЭДУ зависит от наличия промышленно выпускаемых электродиализаторов или рабочих чертежей аппаратов с хорошо отработанной конструкцией и стандартными деталями. Создание нового электродиализатора – весьма сложный и довольно продолжительный процесс [7].

Даже при наличии электродиализного аппарата созданию ЭДУ должны предшествовать экспериментальные исследования, целью которых является определение исходных данных для проектирования и определение оптимальных условий проведения технологического процесса обессоливания. В распоряжении проектировщика должны быть исходные данные о выходе по току при электродиализе. Он зависит от концентрации солей и, как правило, выше для разбавленных растворов (например, при обработке природных вод выход по току падает с 90 % до 80 % при увеличении солесодержания с 10 до 50 мг-экв/л).

При расчете электродиализных аппаратов учитывают, что рабочая ячейка состоит из двух мембран (катионитовой и анионитовой) и двух камер (дилюатной и рассольной). Количество рабочих ячеек в установке для обессоливания воды рассчитывают по формуле [9]:

 

,

(4.68)

где Q – производительность установки, м³/ч;

Δ C – снижение концентрации солей в воде, г-экв/м³;

i_p – расчетная плотность тока, А/см²;

F – расчетная площадь мембраны, см²;

η_эл – выход по току, принимаемый не менее 0.8;

26.8 – количество ампер-часов, необходимое для переноса 1 г-экв соли.

Количество ячеек в каждом аппарате должно быть не более 200÷250. Общее число параллельно работающих электродиализных аппаратов в установках циркуляционного типа и в каждой ступени установок прямоточного типа:

 

.

(4.69)

 

Снижение солесодержания для циркуляционных установок определяется по выражению: Δ С = С ₀ – С ₁, где С ₀ и С ₁ – содержание солей в исходной и обессоленной воде; для прямоточных установок: Δ С = С_вх – С_вых, где С_вх и С_вых – концентрация солей в дилюате, входящем в аппарат на любой ступени (на 1-й ступени равна концентрации солей в исходной воде), и дилюате, выходящем из той же ступени (для последней ступени равна концентрации в обессоленной воде). В каждой ступени прямоточной установки С_вых =α · С_вх. Коэффициент снижения концентрации дилюата вычисляется по формуле:

 

,

(4.70)

где l – путь, проходимый в камере дилюатом, см;

d – толщина слоя дилюата, равная расстоянию между мембранами, см;

k^’ – коэффициент, учитывающий деполяризационные свойства прокладок-сепараторов. Для полихлорвиниловых прокладок, изготовленных методом просечки-вытяжки равен 2 · 10⁴, для капроновых плетеных прокладок – 3 · 10⁴.

Оптимальная расчетная плотность тока i_p определяется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов. Расчетные оптимальные плотности тока по ступеням прямоточной установки должны изменяться по соотношениям:

 

,

(4.71)

где i_n – плотность тока на i- ой ступени.

 

Напряжение на электродах электродиализных аппаратов, В:

 

,

(4.72)

где U_э – падение напряжения на электродах, принимаемое равным 3÷5 В;

Е_м – мембранный потенциал ячейки, В;

r_я – сопротивление ячейки, Ом.

Мембранный потенциал может быть вычислен с учетом концентрационной поляризации по формуле:

,

(4.73)

где φ и ψ – коэффициенты, зависящие от температуры (см. табл. 4.7)

С_р – расчетная концентрация рассола, мг-экв/л, принимаемая в 3÷4 раза больше солесодержания исходной воды;

С_д – расчетная концентрация дилюата, мг-экв/л.

 

Таблица 4.7

t, ºC
φ	0.084	0.086	0.087	0.089	0.090	0.091	0.093	0.095
ψ	0.079	0.080	0.081	0.083	0.084	0.085	0.086	0.088

 

Расчетная концентрация дилюата в любой ступени прямоточной многоступенчатой установки вычисляется по формуле (4.74), а в аппарате циркуляционной установки по формуле (4.75):

 

.	(4.74)
.	(4.75)

 

Сопротивление ячейки рассчитывают по формуле:

 

,

(4.76)

где δ – коэффициент увеличения сопротивления камеры сепаратором. При толщине прокладочных камер d = 0.1 см для сеток из ПВХ, изготовленных методом просечки-вытяжки принимается равным 1.54, для плетеных сепараторов из капрона – 1.48;

χ_д и χ_р – удельные электропроводности дилюата и рассола, Ом^-1 · см^-1;

ρ – удельное поверхностное сопротивление мембран, Ом · см².

Для обеспечения электродиализной установки постоянным током подбирается выпрямитель соответствующей мощности. Пригодные для использования в ЭДУ серийные выпрямители имеют выходное напряжение до 460 В и ток от 12 до 320 А [7]. Подробный расчет электродиализных установок весьма сложен и рассматривается в специальной литературе [14].

Принцип действия, устройство и порядок расчета электрофлотационных установок рассмотрен в п. 4.3.