1.Електроліз води. Процеси на електродах . Умови промислового електролізу. Будова та характеристика електролізерів.
Наиболее простой способ разложения воды на Н2 и О2 электрохимический метод. Он основан на принципиальном отличии электролиза от химических процессов. Только электролиз позволяет проводить про-сы восстановление (на К) и окисления (на А). В одном аппарате получают газы высокой чистоты. Чистая вода харак-ся малой электрической проводимостью ( при Т=298К, к=6.2*10-8 Ом-1*см-1).
Основными процессами на электродах электролиза воды как в кислых, так и в щелочных растворах :на К –восстановление воды с выделением водорода, на А- окисление воды с выделением О2:
На К 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН- Е0Н2О/Н2= -0.828
На А 2ОН – 2е = 0.5О2 + Н2О, Е0Н2/Н2О=0.401
Суммарная Н2О + 2F= Н2+1/2О2, Е0=1.229В.
В промишленном єлектролизе работают с электролитами в виде растворов KOH b NaOH, в которых стойкие материалы : железо, никель, нержавеющая сталь и др. Кон-ю щелочи в эликтролите определяют так чтоб последняя имела електропроводность, близкую к мах.
Электролиз проводят в диафрагмовых электролезерах , в которых для разделения газов применяется пористая асбестовая диафрагма.
Электролезеры для электролиза вода делят на две группы: монополярные и биполярные. В монополярных електролизерах каждый электрод работает монополярно (только как анод только как катод). По способу разделения газов электролизеры бывают бездиафрагмовые и диафрагмовые. Последнее время в основном применяются диафрагмовые электролезеры.
Электролезер ФВ-500 М выполнен в виде агрегата, что содержит всю вспомогательную аппаратуру для первичной обработки (охлаждения и промывания газов), поддержка теплового,гидравлического и концентрационного режимов работы єлектролизера.Он состоит из следующих основних частей:
-стяжных плит;
- средней камеры;
-газосборщика О2 и Н2;
-холодильники-конденсаторы;
-фильтра электроолита;
-брызгоуловитель.
Собственно электролезер состоитиз 160 ячеек. Они расположены по обе стороны средней камеры. Каждая ячейка состоит из диафрагмовой рамы, диафрагмы, биполярного электрода, выносных перфорированных анодов и катода, каналов для отвода Н2, О2, подачи электролита.
2. Ионообменный метод регенерации
Несмотря на широкое распространение метод этот сравнительно молодой. И востребованность его все более увеличивалась с увеличением требований промышленных объектов, особенно энергетических, к качеству потребляемой воды.
Ионообменный метод имеет и свой набор недостатков: нужны реагенты для регенерации ионитов, возникают сточные воды, отнюдь не идентичные качеству природной воды. , можно перечислить условия, при которых ионообменный метод мог бы стать идеальным:
если бы ион натрия (при умягчении воды) был бы двухвалентным, как ионы кальция и магния; если бы гранула (зерно) ионита представляла собою молекулу;
- если бы горизонтальное сечение ионитного фильтра было бы как можно меньше - по размерам желательно,как молекула;
если бы регенерационный раствор (при умягчении воды - раствор хлорида натрия) не содержал бы никаких примесей, в том числе кальция и магния;
если бы...(кажется, достаточно).
По мере продвижения регенерационного раствора сверху вниз через слой ионита концентрационный напор - разность концентраций между ранее задержанными ионитом ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора (например, натрия) становится все меньше и меньше.
В конце своего пути «слабый» регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содержащего некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вытеснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходимого качества.
Технология противоточного ионирования со взвешенным (плавающим) слоем ионита в восходящем потоке обрабатываемой воды также воплощена в конструкциях системы АМ БЕРПАК фирмы «Ром и Хаас». Этой технологии присущи примерно те же достоинства и недостатки, как и технологии Швебебет.
Противоточное фильтрование с блокировкой слоя ионита воздухом или - чаще водой (так, например, устроена конструкция ВНИИАМа) сохра няет основные преимущества этого вида ионирования: хорошее качество обработанной воды, малый расход реагентов. В этой конструкции обрабатываемая вода проходит слой ионита сверху вниз.
Однако в фильтре требуются большие объемы воды для удерживания регенерируемого зажатого слоя ионита в восходящем потоке раствора реагента. Фильтр нельзя заполнить полностью иони-том: нужно свободное пространство над средним распределительным устройством, т.к. это пространство заполняется ионитом во время взрыхления слоя.
Ионообменные смолы- нерастворимые синтетические высокомолекулярные (полимерные) соединения способные вступить в реакции обмена с ионами раствора. С помощью ионообмена можно извлечь из воды до 90 % ионов аммония, нитратов и фосфатов. Ионообменный материал это гранулированные или синтетические смолы которые способны извлекать из воды путем обмена их на ионы другого типа, но с тем же электрохимическим зарядом. Ионные смолы подразделяют на сильные и слабые катиониты и аниониты. То есть они способны улавливать из воды ионы различных веществ и впитывать их в себя отдавая в замен запасные ранее иониты.
Вода из разных источников уникальна по своему составу, и почти всегда не идеальна, если ее не обработать. Для того чтобы сделать ее пригодной для использования в промышленности или питья, вода должна пройти специальную подготовку, в процессе которой она освобождается от вредных примесей. В зависимости от требований, предъявляемых к воде, это может быть декарбонизация или деминерализация. Ионообменные смолы , благодаря своей ультрачистоте и производительности, создают условия для простой, экономичной и эффективной водоподготовки.
Технология изготовления ионообменных смол мало изменилась со времени разработки первых синтетических стирольно-дивинилбензольных смол в 40-х годах прошлого столетия. Производство смол в перемешиваемых реакторах приводит к образованию смолы с полидисперсным распределением размеров частиц. И хотя разработка новых смол ограничивалась этим производственным процессом, технология применения ионного обмена продолжала развиваться с внедрением, например, фильтров смешанного действия, с чередующимися слоями и с зажатыми слоями. С целью преодоления недостатков полидисперсного распределения размеров гранул и получения изделий, отвечающих постоянно возрастающим требованиям к технологическим процессам, в которых используются ионообменные смолы, эти смолы приходилось сортировать и просеивать.
Преимуществами ионообменного процесса являются низкие эксплуатационные расходы. Требуется очень малое количество энергии, регенерант недорогой и если правильно поддерживать слой смолы то он может продержаться многие годы. Однако есть ряд ограничений, которые должны быть приняты во внимание на стадии проэктирования.
Серная кислота- это наиболее дешевый регенерант катионита для деминерализации и используемые тогда, когда это возможно. Некоторые используемые воды содержат высокое количество кальция, и при использовании данной кислоты в ходе регенерации может сформироваться осадок сульфата кальция.