Влияние напряжённости электрического поля на энергоэффективность процесса электродиализа

Введение . Основой развития различных направлений АПК является производство продукции зерновых культур. Его состояние во многом определяет продовольственную безопасность РФ и стабильность её экономики.

В функционировании и развитии различных биологических объектов поступление вода имеет определяющее значение. Вопросам повышения эффективности воздействия воды на биофизические процессы посвящены многочисленные исследования, результаты которых опубликованы в российских и зарубежных изданиях [1, 2, 3].

Электроактивированные водные растворы с середины прошлого века по настоящее время находят всё более широкое применение в технологиях сельскохозяйственного производства [4, 5, 6]. Эти водные растворы не оказывают на окружающую среду и человека аллергического, канцерогенного и токсического действий. Электроактивированная вода оказывает дезинфицирующее действие на микроорганизмы и стимулирует прорастание семян [7]. Применение электродиализных установок экономически выгодно: по результатам их практического применения, затраты на приобретение электродиализных установок окупаются примерно за два года.

Водородный показатель ( рН ) является важнейшим параметром электроактивирован-ных водных растворов практически во всех технологических процессах промышленного производства и АПК [8]. Для снижения себестоимости продукции необходимо осуществлять процесс электродиализа при возможно меньших энергозатратах. Энергопотребление производственных процессов определяется технологическими параметрами процесса электродиализа и конструкцией самой электродиализной установки [9, 10].

Энергопотребление характеризуется таким показателем технологического процесса, как энергоёмкость ( Э ). Энергоёмкость равна затратам энергии на получение единицы произведенной продукции и определяется по формуле (1):

U⋅I⋅τ

Э_{уд .} =             , Вт·ч/м³,     (1)

Vэар где I - сила потребляемого тока, А;

U - напряжение на электродах, кВ;

τ - время процесса электродиализа, ч;

V эар. - объём электроактивированного водного раствора, м³.

В работе экспериментально исследовалось влияние напряжённости ( Е ) электрического поля в рабочем объёме установки на энергоёмкость ( Э ) и время ( τ ) протекания процесса электродиализа водного раствора.

Методика исследований . Эксперименты проводились на непроточной диафрагменной электродиализной установке, разработанной и изготовленной в лабораториях АзовоЧерноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зернограде (рисунок 1). Схема электроактиватора приведена на рисунке 2.

Конструкционные параметры установки:

– высота электрода из нержавеющей стали, м – 0,40;

– ширина электрода из нержавеющей стали, м – 0,50;

– межэлектродное расстояние, м – 0,40;

– мембрана Toray8 TMG20-240, м2 – 0,2.

Схема для контроля параметров процесса электродиализа приведена на рисунке 3. Сила тока и напряжение измерялись цифровыми мультиметрами класса точности 1,0%.

Рисунок 1 – Экспериментальная установка

Figure 1 – Experimental setup

Рисунок 1 – Схема опыта: 1 – рабочая площадь мембраны; 2 – электроды

Figure 1 – Experiment scheme: 1 – membrane working area; 2 – electrodes

к потребителю to consumer

Рисунок 3 – Схема контроля параметров процесса электродиализа

Figure 3 – Scheme of control of parameters of the electrodialysis process

Измерение водородного показателя элек-троактивированного водного раствора в анодной и катодной камерах установки осуществлялось с помощью рН-метра типа РН-009(I). Заданная величина напряжённости электрического поля устанавливалась и поддерживалась во время опыта стабилизацией напряжения на электродах установки.

Энергоёмкость процесса электродиализа с учётом изменения водородного показателя определялась по формуле (2):

Е⋅L⋅I⋅τ

^{уд . =} S ⋅ ∆ pH ⋅ V ^, м             э ар .

где S м – площадь мембраны, м²;

τ – время, с;

L – межэлектродное расстояние, м;

Δ рН=(рН К -рН О ) – изменение водородного показателя.

Результаты исследований и их обсуждение . Результаты опыта приведены в таблице и графически изображены на рисунках 4 и 5.

Зависимость параметров процесса электродиализа от напряжённости электрического поля

Dependence of the parameters of the electrodialysis process on the strength of the electric field

рН к	I , А	U , B	Е , В/м	Э уд , кВт ⋅ ч/м3	V , м3	τ , мин
10,0/9,0	10,0	325	811	23,3/12,2	90 ⋅ 10-3	42/22
10,0/9,0	8,0	286	716	22,8/10,6	90 ⋅ 10-3	58/27
10,0/9,0	6,0	232	581	22,0/8,9	90 ⋅ 10-3	84/34
10,0/9,0	4,0	157	392	20,7/5,3	90 ⋅ 10-3	191/49
10,0/9,0	2,0	89	223	18,7/2,7	90 ⋅ 10-3	615/90

Рисунок 4 – Зависимости энергоёмкости процесса электродиализа водного раствора от напряжённости электрического поля

Figure 4 – Dependences of the energy consumption of the electrodialysis process of an aqueous solution on the strength of the electric field

Рисунок 5 – Зависимости длительности процесса электродиализа водного раствора от напряжённости электрического поля

Figure 5 – Dependences of the duration of the electrodialysis process of an aqueous solution on the strength of the electric field

Анализ результатов эксперимента показал, что зависимости энергоёмкости и времени процесса электродиализа водопроводной воды от напряжённости электрического поля имеют нелинейный характер. Начиная с напряжённости электрического поля 550 В/м, изменения этих характеристик процесса электродиализа при необходимом для технологических процессов значении водородного показателя рНк =10,0 существенно замедляются.

Замедление увеличения энергоёмкости при напряжённости электрического поля выше 550 В/м можно объяснить ростом скорости диссоциации молекул и подвижности ионов в результате повышения температуры воды в рабочих камерах электродиализной установки. Из формул (1) и (2) следует, что при фиксированном значении напряжённости электрического поля в рабочем объёме для снижения энергоёмкости следует увеличивать рабочую площадь мембраны.

Выводы. На основе результатов эксперимента можно сделать следующие выводы:

– проводить процесс электродиализа воды и водных растворов при напряжённости электрического поля 550–700 В/м;

– для увеличения производительности электродиализной установки в процессе электродиализа воды и водных растворов полностью использовать рабочую площадь мембраны (1, 2);

– можно применять полученные результаты при разработке конструкций электродиализных установок.