Введение к работе
Актуальность работы. Железо в природных водах может находиться в виде ионов Fe2t, Fe3+ в широких пределах концентраций (5-800 мг/л), коллоидов (неорганические - Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS и органические), координационных соединений (главным образом, органические координационные соединения железа). Оно является нежелательной примесью, поскольку гидратируется в воде и выпадает в осадок в виде основных соединений, которые блокируют трубопроводы н запорную арматуру и, оседая на стенках коммуникаций, являются причиной подшламовой коррозии. В случае производства целевых продуктов из подземной воды - хлорида натрия и т.п., присутствие соединений железа ухудшают их внешний вид и качество.
В этой связи актуальна задача создания эффективного и экономичного способа, позволяющего в непрерывном режиме удалять ионы и соединения железа и других металлов, а также поддерживать рН воды в щелочной области. Особый интерес в данном случае представляют электрохимические методы, которые многими исследователями считаются перспективными.
Для проведения электролиза обычно используют диафрагменные или мембранные электролизеры (ДЭ), позволяющие за счет разделения межэлектродных пространств проводить разнообразные процессы на катоде и аноде и получать соответствующие целевые продукты, корректировать рН, а также, в случае использования ионообменной мембраны, осуществлять электродиализ. Кроме того, для предварительной очистки воды используют бездиафрагменные электролизеры - электрокоагуляторы (ЭК), в которых происходит растворение анода с последующим образованием малорастворимых продуктов, обладающих хорошей коагулирующей способностью.
ДЭ могут эксплуатироваться в режиме непрерывной работы относительно непродолжительное время, затем диафрагма (мембрана) . засоряется малорастворимыми продуктами электролиза (гидроксосоединения поливалентных ионов). Это приводит к дополнительным энергетическим затратам и вызывает остановку процесса. ЭК, работающие в непрерывном режиме, требуют специальной подготовки поступающей воды (предварительное изменение рН).
Целью настоящей работы является создание и выявление возможностей электролизера, который может совмещать в себе достоинства ДЭ и ЭК, но не имеет их недостатков.
Кроме того, необходимо создание математической модели, описывающей процессы массопереноса в электролизере.
Научная новизна. Впервые предложено использовать для обработки воды как в стационарном, так и в проточном режиме коаксиальный бездиафраг-менный электролизер (КБЭ), отличающийся от аналогов геометрической конфигурацией. Особенный интерес представляет использование явлений электро-флотаини н электрокоагуляции, проявляющихся в процессе прямого водородно-кислородного электролиза обрабатываемой системы. В этой связи на модельных растворах изучено поведение КБЭ с нерастворимыми и растворимыми анодами с использованием постоянного и импульсного тока высокой частоты.
Методом потенциодинамических поляризационных кривых изучено влияние анионного состава воды и электрических параметров процесса на анодное поведение алюминиевого электрода.
Показана возможность электрохимического удаления железа с помощью КБЭ из природной воды разных типов: поверхностной и подземной. Экспериментально установлен факт соосаждения некоторых микрокомпонентов: марганца, стронция, брома и ряда других.
Для получения более полного представления о возможностях КБЭ и оптимизации его работы на основе теории электрохимических диффузионных процессов создана математическая модель. Предложены дифференциальные уравнения, описывающие процессы диффузионного и конвективного массопереноса в КБЭ. Решения уравнений получены в аналитическом виде при заданных начальных и граничных условиях (решена краевая задача).
Проведено также численное моделирование процессов, протекающих в КБЭ, с помощью пакета конечно-элементного анализа ANSYS, сертифицированного в соответствии с международным стандартом качества ISO-9000.
Таким образом, в работе предпринята попытка решения новой научной задачи в области прикладной электрохимии, которая заключается в создании и использовании бездиафрагменного электролизера, позволяющего проводить
электрохимическую коррекцию рН воды и, одновременно, электрокоагуляцию мешающих примесей, например, соединений железа.
Практическая значимость работы состоит в создании электролизера для обработки воды и разработке методов его оптимизации, а так же некоторых рекомендаций по его использованию. Проведенные эксперименты показали, что КБЭ может быть применен для предварительной подготовки воды (осветление, удаление взвешенных веществ, соединений железа и некоторых других металлов, частичное понижение общей жесткости и т.д.).
По результатам проведенных исследований на защиту выносятся:
-
Математическая модель КБЭ, основанная на уравнениях конвективно-диффузионного массопереноса.
-
Экспериментальные данные о влиянии параметров постоянного и импульсного тока на процесс электролиза.
-
Экспериментальные данные о коррозионно- электрохимическом поведении алюминиевого анода в модельных растворах природной воды разного типа.
-
Способ электрохимического удаления соединений железа га природной воды с помощью предложенного электролизера.
Личное участие автора. Автор проанализировал состояние проблемы на момент начала исследования, сформулировал его цель, осуществил выполнение основной части экспериментальной работы, разработал теоретические основы предмета исследования н принял участие в обсуждении полученных результатов. Ключевые публикации по теме данной работы написаны лично диссертантом.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены на 52-й международной научно-технической конференции "Технические ВУЗы -республике" (Минск, 1997); 10-м, 11-м, 12-м научно-технических семинарах "Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика" (Казань, 1998-2000); на отчетных научных конференциях Казанского государственного технологического университета.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 8 публикациях, в том числе в статье в рецензируемом научном журнале,
4 информативных тезисах докладов на различных научных конференциях (одна из них - международная).
Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, четырех разделов экспериментальной части, включая главу о математическом моделировании электролизера, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.
Диссертационная работа изложена на 140 страницах, содержит 30 рисунков, 22 таблицы и библиографию из 205 наименований.
