Анализ факторов, влияющих на энергоёмкость процесса электродиализа воды и её физические свойства

В настоящее время во многих технологических процессах сельскохозяйственного производства, промышленности и медицине требуется применение электродиализных установок для обработки воды [1–2]. В работах [3–5] рассмотрены возможные биофизические механизмы влияния активированной воды на биологические объекты и сделан ряд обоснованных предложений об использования активированной воды для решения фундаментальных и прикладных задач медицины, биологии, биотехнологии и сельского хозяйства [3]. Применение активированных растворов экономически выгодно: по многочисленным данным, приобретение электрохимической установки окупается всего за два года, а ее использование продлевает срок годности изделий на основе каучука и композиций на основе термопластических полиуретанов. Помимо этого неоспоримым достоинством активированных растворов является отсутствие аллергического, канцерогенного и токсического действия.

Однако применение электродиализных установок связано с необходимостью роста потребления электроэнергии. В связи с этим важное значение имеет уменьшение энергоёмкости процесса электродиализа воды. Ранее исследовалось влияние одного или двух факторов на энергоёмкость процесса электродиализа воды [6, 7].

Энергоёмкость процесса электродиализа зависит от многих факторов: напряжения на электродах, расстояния между электродами, времени нахождения элементарного объёма воды под воздействием электрического тока, электрических свойств воды, проницаемости мембраны и т.д. [8–9].

Учитывая высокий уровень априорной информации, можно выделить три значимых фактора:

• 1)    напряжение на электродах U , В;

• 2)    время нахождения элементарного объёма воды под воздействием электрического тока т, мин;

• 3)    расстояние между электродами L , мм.

Исследование влияния напряжения на электродах проводилось на непроточной электродиализной установке. Результаты исследований представлены в таблице.

№ п/п	Наименование показателя
	U , B	V , л	Т мин	L , мм	t , ° С	pH K	q, кВт - ч/л
1	100,0	1,8	1,0	137,0	22,0	10,8	15 - 10-4
2	140,0	1,8	1,0	137,0	24,0	11,1	39 - 10-4
3	180,0	1,8	1,0	137,0	26,0	11,3	48 - 10 —4

Энергоёмкость процесса определялась по выражению q = PQ,          (1)

где Р – потребляемая мощность, кВт;

Q – производительность установки, л/ч;

q – удельный расход электроэнергии кВт∙ч/л.

Анализ табличных данных показывает, что напряжение на электродах оказывает существенное влияние на энергоёмкость процесса. При этом изменение водородного показателя составляет всего 4,6%, в то время как удельный расход увеличивается в 3,2 раза. Следовательно, напряжение на электродах необходимо учитывать как значимый фактор при определении энергоёмкости процесса электродиализа воды.

■  1 - L=137 мм;     • 2 - L=370 мм;

Рис. 1. Зависимость удельного расхода энергии от производительности установки

Производительность установки Q, л/ч

• ■ 1 - L=137 мм; • 2 - L=370 мм;

Рис. 2. Зависимость водородного показателя рН от производительности установки

1 - L=137 мм;      2 - L=370 мм;

Рис. 3. Зависимость температуры электроактивированной воды от производительности установки

Влияние производительности установки и межэлектродного расстояния на энергоёмкость процесса электродиализа воды исследовалось при постоянном напряжении U =200 B и постоянном объёме воды V =3,0 л. Время обработки составляло: 1 мин (180 л/ч), 2 мин (90 л/ч) и 3 мин (60 л/ч). Результаты исследований представлены на рисунках 1…3.

Анализ этих зависимостей показывает, что с увеличением производительности, а также межэлектродного расстояния удельный расход энергии и температура электроактивированной воды уменьшаются (рис. 1, 3). Так, при изменении производительности установки от 60 до 180 л/ч при L =137 мм удельный расход энергии уменьшился с 10,5 - 10 -3 до 3,6 - 10 -3 кВт - ч/л, т.е. на 65%, а при L =370 мм удельный расход энергии уменьшился с 3,6 - 10 —3 до 1,0 - 10^-3 кВт - ч/л, т.е. - на 72%. При межэлектродном расстоянии L =137 мм и производительности 180 л/ч удельный расход равен 3,6 - 10^-3 кВт - ч/л, а при L =370 мм и той же производительности удельный расход равен 1,0 - 10^-3 кВт - ч/л, т. е. уменьшился на 72%.

Таким образом, на первый взгляд, можно сделать вывод, что для снижения удельного расхода энергии необходимо увеличивать межэлектродное расстояние. Однако основной технологический параметр (водородный показатель pH ) при этом уменьшается (рис. 2) с 10,75% до 8,25% и может быть не выполнено требование технологического процесса. Следовательно, определение удельного расхода энергии необходимо выполнять с учётом водородного показателя, т.е. по формуле

q = PI (Q -ApH),        (2)

где Р – потребляемая мощность, кВт;

Q – производительность установки, л/ч;

ЛрН= (ЛрН К - ЛрН Н ) - изменение водородного показателя.

В результате этого удельный расход энергии при L =137 мм и Q =180 л/ч составил q =0,92 - 10^-3 кВт - ч/л, а при L =137 мм и Q =180 л/ч - q =1,02 - 10^-3 кВт - ч/л, т.е. на 14,1% больше.

На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

– для снижения удельного расхода энергии и обеспечения необходимого зна- чения водородного показателя необходимо уменьшать межэлектродное расстояние;

– рассчитывать удельный расход энергии необходимо по формуле (2) .