Обеззараживание воды

      Для производства ГХН применяют бездиафрагменные электролизеры периодического или непрерывного действия, рассчитанные на электролиз концентрированных растворов, содержащих не менее 15 г/л хлорида натрия. Использование электролизеров периодического действия усложняет технологическую схему обработки воды вследствие дополнительного контроля параметров выходного продукта, поэтому более предпочтительно использовать электролизеры непрерывного действия. 

      Наиболее точно под это описание подходят вертикальные биполярные электролизеры. Они более компактны и позволяют экономить производственные площади. При их изготовлении требуется меньший расход конструкционных материалов. В процессе эксплуатации эти электролизеры отличаются большей простотой обслуживания, т.к. имеют незначительное количество точек контроля и регулирования [14]. 

      На  рис. 3 представлена конструкция биполярного электролизера для получения гипохлорита натрия. 

      Электролизер  включает прямоугольные биполярные электроды 1, которые закреплены в наклонных пазах 2 в двух вертикальных стойках 3 из диэлектрического материала. Верхний и нижний электроды соприкасаются со скошенными блоками 12, в которых размещены подвижные шайбы 10 и токоподводящая штанга 9. Электролизер заключен в корпус 13, выполненный из пластмассы. На корпус навинчены фланцы 8. Металлический кожух 11, состоящий из двух половин, скрепленных болтами 14, помещен снаружи корпуса, пластмассовые крышки 7 и дно 15 стягиваются болтами 17 с фланцами 8. Электролизер снабжен штуцерами 4 и 16 для вола питающего раствора хлорида натрия и вывода раствора гипохлорита. 

      Электролит  поступает в нижнюю часть электролизера  и проходит внутри него снизу вверх. К крайним электродам через токоподводящие штанги подводится электрический ток. Из штуцера в верхней части электролиза выводят раствор гипохлорита натрия.

Рис.3 Конструкция вертикального биполярного электролизера для получения гипохлорита натрия

      При использовании в качестве питающего раствора морской воды возможна пассивация электродов из-за отложения на них нерастворимых осадков. Для устранения явления пассивации предложена конструкция электролизера с вращающимися дисковыми электродами (рис. 4). 

      Электролизер  снабжен электромотором 1, на валу 2 которого закреплена пластина 8, соединенная с обеих сторон с титановыми пластинами 5 и 7. На пластине 7 укреплен набор титановых дисков 9. Электролизер помещен в корпус 4, а также анодная сторона титановых дисков 9 покрыта активным каталитическим слоем. Для обеспечения радиального движения электролита электролизер снабжен набором дисков 10, 14, выполненных из диэлектрического материала. Подвод тока к дисковым биполярным электродам осуществляют с помощью контактов 6 и 13, соединенных с титановыми пластинами 3 и 12. Питающий раствор подают через патрубок 15 и выводят через патрубок 11. Рабочее напряжение на электролизере составляет 90 В.  

Рис.4 Конструкция биполярного электролизера с вращающимися электродами

      В данном электролизере весь требуемый расход раствора хлорида натрия, необходимый для получения заданного количества гипохлорита натрия, протекает сквозь зазоры между электродами, поэтому указанные зазоры делают достаточно большими. При этом рациональное потребление электроэнергии на электролиз возможно только при использовании электролитов с высокой электрической проводимостью, то есть концентрированных растворов, содержащих не менее 15 г/л хлорида натрия. 

      Практический  выход гипохлорита натрия составляет не более 15% от содержания хлорида натрия в растворе. Таким образом, использование концентрированных растворов хлорида натрия во многих случаях представляется нерациональным, увеличивающим стоимость обработки воды, особенно в случае применения искусственно приготовленных растворов хлорида натрия [21]. 

      Решение данной проблемы заключается в использовании минерализованной воды, содержащей от 1,5 до 15 г/л хлорида натрия и добываемой на месте производства ГХН, в способе обработки воды, включающем введение в обрабатываемую воду раствора ГХН. Электролиз осуществляют в проточном режиме при коэффициенте перевода хлорида натрия в гипохлорит, равном 10 - 2%. При этом добываемую минерализованную воду закачивают в резервуар, из которого обеспечивают самотечную ее подачу в электролизер с заданным расходом. 

Рис.5 Технологическая схема прямоточного электролизера

1 – проточный  трубчатый электролизер

2 – блок питания

3 – емкость  приготовления концентрированного  раствора соли

4 – мешалка

5 – шаровой  вентиль

6 – регулировочные  клапаны

7 – насос дозатор соляного раствора

8 – сепаратор

9 – емкость  раствора гипохлорита натрия

10 – реле протока  жидкости

11 – манометр

12 – вентилятор

13 – реле протока  воздуха 

      Исследования  показали, что электролиз слабоконцентрированных растворов хлорида натрия (1,5 15 г/л) энергетически выгоден при коэффициенте перевода хлорида натрия в гипохлорит, близком к 10%. При значениях коэффициента перевода больше указанного проявляется нелинейная зависимость значения коэффициента перевода хлорида натрия в гипохлорит от величины энергозатрат на электролиз, т.е. процесс становится энергетически невыгодным. В то же время такой низкий коэффициент перевода может быть задан только при дешевом сырье для получения раствора хлорида натрия, которым является подземная минерализованная вода, добываемая на месте потребления ГХН. При уменьшении величины коэффициента перевода ниже указанной соответственно снижается экономичность процесса электролиза из-за излишнего расхода минерализованной воды.

 
 Самотечная  подача минерализованной воды на электролизер и проточный режим направлены на установление стационарного режима электролиза, что особенно важно для поддержания коэффициента перевода, близким к 10%, т.е. для энергетически выгодного электролитического производства ГХН из минерализованной воды с предлагаемым содержанием хлорида натрия. Использование подземной минерализованной воды, добываемой на месте производства ГХН, уменьшает по сравнению с известными способами расходы на перевозку и приготовление растворов хлорида натрия. 

      Подземная вода одного месторождения имеет постоянные физико-химические характеристики: химический состав (в том числе концентрация хлорида натрия), температуру, давление и пр. Это позволяет упростить систему контроля за параметрами электролиза и систему подачи раствора, обеспечив электролиз в проточном самотечном режиме. Соответственно на выходе электролизера будет раствор ГХН заданной концентрации, пригодный для употребления без дополнительного контроля. При этом отпадает необходимость в специальном контрольном оборудовании, упрощается обслуживание станций водоподготовки. Экологическая чистота подземной воды позволяет использовать ее для получения гипохлорита натрия, пригодного для обработки питьевой воды без дополнительной очистки. 

      Однако подземные минерализованные воды в качестве исходного электролита могут использоваться только в тех случаях, когда вблизи очистных сооружений имеется пробуренные скважины многоцелевого назначения. Поэтому на большинстве объектов, где невозможно использовать природные рассолы, нашли распространение установки, работающие на растворах поваренной соли. Технологические схемы таких электролизных установок могут быть как прямоточными, так и с системой рециркуляции. 

      Расход  поваренной соли у прямоточных установок, как правило, несколько больше, чем у рециркуляционных. Однако их конструктивное оформление и условия эксплуатации значительно проще, поэтому их используют в основном на объектах небольшой пропускной способности. В последнее время прямоточные схемы находят распространение и на очистных сооружениях со значительной суточной потребностью в активном хлоре. В этих схемах используются электролизеры с окисно-металлическими анодами, способными эффективно работать даже при концентрации раствора поваренной соли 12 – 25 г/л. 

      Известно, что при прохождении электрического тока через раствор хлорида натрия происходит образование гипохлорита натрия и выделение водорода, который в виде пузырьков поднимается вверх, увлекая за собой раствор хлорида натрия. Подъемная сила этих пузырьков увеличивает скорость течения раствора хлорида натрия в межэлектродных зазорах, тем самым затягивая его из околодонного потока в межэлектродные зазоры между пластинчатыми электродами, которые значительно меньше расстояний между электродными кассетами. При этом в потоке над пластинчатыми электродами будет собираться продукт электролиза - гипохлорит натрия. 

      Чем меньше величина межэлектродных зазоров, тем более энергетически эффективен процесс электролиза хлорида натрия. Однако минимальная величина межэлектродных зазоров ограничена условием обеспечения протекания через них раствора хлорида натрия, а также технологическими возможностями выполнения плоских поверхностей пластинчатых электродов. Экспериментально было обнаружено, что в интервале величин межэлектродных зазоров от 1 до 3 мм обеспечивается протекание раствора хлорида натрия между пластинчатыми электродами с минимально возможным гидравлическим сопротивлением и, кроме того, указанный межэлектродный зазор может быть достигнут без опасности соприкосновения поверхностей электродов из-за технологических дефектов. Наличие значительно более широких чем межэлектродные зазоры каналов между электродными кассетами, объединяющими пластинчатые электроды, а также канала вдоль дна емкости, обеспечивающего равномерную подачу раствора хлорида натрия ко всем электродным кассетам с пластинчатыми электродами, позволяет пропускать через электролизер в ламинарном режиме с наименьшим гидравлическим сопротивлением весь расход раствора хлорида натрия, требуемый для получения заданного количества ГХН. 

      Простота  и надежность работы электролизных  установок, а также заинтересованность потребителей в применении безопасного  электрохимического метода обеззараживания  воды привели к созданию огромного  числа самых разнообразных по конструкции электролизеров. Они отличаются видом включения электродов (биполярные и монополярные), выполнением и размещением электродов (коаксильное и плоскопараллельное) и по другим конструктивным признакам. При создании электролизных установок большой единичной мощности предпочтение отдается плоскопараллельному размещению электродов. В таких электролизерах электролит проходит по синусоидальному пути через ряд биполярных ячеек. Электроды могут быть расположены вертикально или под небольшим углом к вертикали. Применяются также конструкции с горизонтальными электродами [14].  

      Лучшим  зарубежным образцом установок является «Sanilec», разработанная фирмой «Diamond Shamrock Corporation». Установка может работать как при использовании поваренной соли, так и морской воды [15]. 

      Установка «Sanilec», работающая на поваренной соли (рис.6) состоит из электролизера, выпрямителя, системы автоматической подачи рассола, емкостей для хранения рассола и гипохлорита натрия, умягчителя воды и элементов автоматического контроля за показателями работы. Электролизер выполнен в виде корпуса прямоугольного сечения с расположенным в нем электродным пакетом. Аноды – малоизнашивающиеся стабильные электроды с активным покрытием из окислов драгоценного металла, катоды – титановые. Все аппараты изготовлены из таких коррозионно-устойчивых материалов, как титан, нержавеющая сталь, фторопласт и т.п. 

       Рис.6 Общий вид установки «Sanilec» 

      Установка работает следующим образом. В растворном баке приготовляется концентрированный раствор поваренной соли, который насосом подается в смеситель, где разбавляется водой до 3%-ного содержания NaCl, а затем – в электролизер. Полученный гипохлорит натрия поступает в газоотделитель, собирается в емкости-хранилище и оттуда дозируется в обрабатываемую воду. Концентрация активного хлора в готовом продукте в среднем составляет 8 г/л. При необходимости она может быть несколько увеличена. 

      На  получение 1 кг активного хлора расходуется 3,5 кг соли, 5,5 кВт*ч электроэнергии и 125 л воды. Фирмой разработано несколько модификаций установок производительностью от 9 до 90 кг активного хлора в сутки.