В статье рассматриваются современные способы регулирования рН технологических жидкостей и встречающиеся при этом проблемы. Для решения проблем стабильности процесса подкисления и подщелачивания предложена установка, основанная на электрохимической корректировке pH до заданного значения. Предлагаемое техническое решение позволяет производить электрокоагуляцию, подкисление и подщелачивание жидкости без применения химических реагентов.
Ключевые слова: показатель рН, регулирование, реагенты, электрохимическая обработка, мембрана
Во многих технологических процессах (например, при подготовке стекол к нанесению защитных плёнок) используются жидкости, к уровню pH которых предъявляются жесткие требования. При колебаниях уровня кислотности нарушается качество получаемого продукта, поэтому проблема автоматического регулирования уровня pH является актуальной.
Многие ученые и инженеры предпринимали попытки разработки систем обработки технологических жидкостей в промышленных и сельскохозяйственных процессах для регулирования pH (подготовка промывочных вод; очистки промышленных стоков; процессы приготовления каустической соды, получения хлора, обработки молочной сыворотки; подготовка воды для использования в сельском хозяйстве и системах водоснабжения).
В большинстве предлагаемых процессов используются химические реагенты [1–5]. В частности, при подготовке воды к осветлению [2] регулирование кислотности производится с помощью дозирования щелочных или кислотных растворов. В системах контроля выращивания растений в закрытом грунте [3] также предлагается автоматический дозатор растворов щелочи и кислоты с концентрацией 20–30 %.
В [4] предлагается способ автоматического регулирования pH водных растворов за счет изменения подачи кислоты или щелочи в реактор-смеситель. Этот способ ориентирован в основном на применение в технологических процессах, где требуется постоянное поддержание величины pH. К таким процессам относятся, например, производство хлора, каустической соды и других продуктов с помощью электролиза водного раствора NaCl, очистка производственных сточных вод и др. Схема осуществления процесса показана на рис. 1. Система автоматического регулирования основана на использовании линеаризации нелинейной характеристики pH-метра (зависимости величины pH от концентрации кислоты или щелочи).
Использование данного способа обеспечивает достаточную точность поддержания заданной величины pH и позволяет при электролизе раствора NaCl уменьшить напряжение на ваннах и увеличить выход по току.
Несмотря на разнообразие способов дозирования химических реагентов, их использование, как правило, приводит к большим неудобствам в работе по следующим причинам:
‒ образование больших количеств твердого осадка в результате изменения кислотности;
‒ нарушения работы дозаторов из-за забивания отверстий;
‒ необходимость подготовки растворов реагентов определенной концентрации;
‒ неточности в прогнозировании и получении значений кислотности.
Рис. 1. Схема процесса автоматического регулирования pH водных растворов: а — на примере подкисления анолита; б — на примере подщалчивания анолита; 1 — напорный бак, 2 — реактор-смеситель; 3 — pH-метр; 4 — регулятор pH, 5 — вычислительный блок
Альтернативой реагентным системам регулирования pH являются электрохимические системы, в которых жидкость протекает через межэлектродные промежутки, разделенные мембранами [6–9]. Одним из наиболее ярких примеров такой системы является запатентованный в США «Способ регулирования pH водных растворов» [9]. Предлагаемая в данном патенте система обеспечивает процесс регулировки кислотности в потоке жидкости путем электродиализа. Электродиализ осуществляется в ячейках, ограниченных мембранами различного типа (биополярные и ионоселективные мембраны). Система может применяться для раздельного или одновременного подкисления и подщелачивания водных растворов. Рассмотрим принцип действия системы на примере подкисления раствора (рис. 2).
Рис. 2. Устройство для подкисления раствора с помощью электродиализа: А — анод, К — катод, 1 — катион-проницаемая мембрана, 2 — биполярная мембрана (2а — анион-проницаемая поверхность, 2б — катион-проницаемая поверхность), 3 — катодное отделение, 4 — среднее отделение, 5 — анодное отделение
Ячейка разделена мембранами 1 и 2 на три части: катодное 3, среднее 4 и анодное 5 отделения. Катодное и анодное отделение оба содержат необходимый электролит, а среднее отделение — обрабатываемый раствор. Биполярная мембрана 2 расположена так, что анион-проницаемая поверхность 2а обращена к аноду А, а катион-проницаемая поверхность 2б — к катоду. В процессе работы между анодом и катодом протекает электрический ток. При диссоциации воды из водного раствора в биполярной мембране 2 гидроксильные ионы перемещаются в электролит в анодном отделении 5, а ионы водорода — в среднее отделение 4, тем самым подкисляя содержащийся там раствор и понижая его pH.
Для процесса подщелачивания в качестве электролитов используются хлористый калий, гидроксид калия, соляная кислота, а для подкисления гидроксид калия, хлорид натрия и т. д.
Были разработаны и другие аналогичные системы для электродиализного разделения воды с помощью обратноосмотических и биполярных мембран предназначенные как для изменения кислотности, так и для предотвращения осаждения соли.
Несмотря на достоинства электродиализных методов при их использовании возникают некоторые проблемы. Они связаны с возникающей в результате обработки дестабилизацией электролитической жидкости, имеющей заданный pH. Кроме того, такие системы имеют низкую эффективность из-за высокой энергоемкости, неравномерности изменения кислотности по всему объему, разрушения жидкости в зоне расположения электрода, низкой точности кислотных изменений и невысокой экологической надежности процесса.
Для исключения указанных недостатков возникла необходимость разработки электролитической системы для регулирования pH водных растворов со следующими характеристиками: 1) повышенный уровень эффективности процесса изменения кислотности; 2) снижение удельного энергопотребления; 3) повышение экологической чистоты процесса; 4) повышение уровня точности процесса.
С учетом этих требованием автором был разработан способ регулирования pH водных растворов, основанный на электрохимической корректировке pH до заданного значения и его последующей стабилизации [9].
Система и процесс представляют собой комплексную интегративную и комбинированную конструкцию динамического электрохимического реактора, в которой нет подвижных частей и электроды электрохимических ячеек реактора изготовлены из углерод-углеродных композитных материалов с оболочками из углерод-углеродных композитных тканей и внутренним объёмом, представляющим собой углерод-углеродную композитную вату.
Процесс характеризуется предельно низким расходом энергии для работы и не имеет проблем с несанкционированным снижением электрического потенциала внутри потока во время всего рабочего цикла.
Длительность процесса в развитом восходящем потоке составляет не более 10 секунд и не зависит от диаметра трубопровода и количества компонентов в водном растворе.
В аппарате за счёт конфигурации и рабочих сечений внутренних каналов инициируются гидродинамические эффекты и эффекты рассеивания потока обрабатываемой жидкости с получением минимальной толщины сечения восходящего потока в межэлектродном пространстве. Такой эффект достигается за счет подачи раствора через канал, выполненный в виде U-образного сообщающегося сосуда, который разделяет раствор на две ветви. Раствор подаётся в межэлектродное пространство через сужение, повышающее скорость потока. Особенность электродной системы заключается в наличии у электродов периферийной кромки. По мере выхода раствора их зоны действия жидкость обтекает края электродов, подвергаясь таким образом воздействию краевого эффекта. Этим обеспечивается дополнительная стабилизация измененного pH жидкости. Таким образом, стабилизация происходит в течение гораздо большего периода времени по сравнению с известными методами химической или электрохимической модификации жидкостей.
Предлагаемая конструкция имеет возможность использования масштабного фактора для формирования расходов от 10 до 1000 литров в час. Аппарат может подключаться к системе последовательно и в случае необходимости — могут быть сформированы параллельные системы подключения нескольких аппаратов.
Таким образом, проведенные исследования позволили выявить недостатки существующих способов регулирования pH технологических жидкостей и разработать устройство для электрохимического регулирования и стабилизации pH с минимальными затратами энергии. Разработанная установка даёт возможность при одной и той же конфигурации, без применения химических реагентов, вести процессы электрокоагуляции в потоке, подкисления и подщелачивания воды для применения, например, при подготовке поверхностей стеклянных панелей, автомобильных стекол, панелей солнечных батарей к установке специальных плёнок.
Литература:
- Плохих И. В стремлении к чистоте (Эл. ресурс). URL: http://www.pool-magazine.ru/articles/pool-equipment/2557/
- Оборудование предочистки с осветлителями и его эксплуатация (Эл. ресурс). URL: http://twt.mpei.ac.ru/books/vve/CH2.4_pg1.htm. Дата обращения 14.10.2018.
- Регулятор pH Lite. Прибор управления уровнем кислотности (pН) раствора. URL: www.promgidroponica.ru/files/ Instrukcija_Reguljator_pH_Lite.pdf. Дата обращения 14.10.2018.
- Устройство для автоматического регулирования кислотности жидких продуктов [Текст]: Авторское свидетельство № 1285443 СССР: МПК G05D21/00 / Васин А. Н. и др.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный заочный институт пищевой промышленности. — № 3416152/28–13, заявл. 15.04.82; опубл. 23.01.87. Бюл. № 3
- Способ автоматического регулирования величины pH водных растворов [Текст]: Пат. № 2284048 РФ: МПК G05D21/00, C02F1/66 / Байназаров З. А. и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Каустик». — № 2004134297/15, заявл. 24.11.2004; опубл. 20.09.2006 Бюл. № 26
- Способ регулирования кислотности сыворотки в процессе электродиализа [Текст]: Пат. № 2515096 РФ: МПК B01D 61/42. Донских А. Н. и др.; патентообладатель ООО «Инновационные пищевые технологии». — № 2012145182/10, заявл. 24.10.2012; опубл. 10.05.2014 Бюл. № 13.
- Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов [Текст]: Пат. № 2658028 РФ: МПК C02F1/461 / Дмитриенко В.П.; заявитель и патентообладатель ООО «АкваГелиос».
- Process for adjusting the pH of an aqueous flowable fluid: Pat. US4936962A: Stratos E. Hatzidimitriu; Int. Cl. C25B 3/00; A23L 2/22 / Assignee FMC Corporation, Philadelphia. — Appl. No.: 317,328; Filed: Mar. 1, 1989; Date of Patent Jun. 26, 1990.
- Apparatus, program, system and process for in-flow increasing or decreasing the acidity of a fluid, including water and water solutions for surfaces of glass treatment, cleaning and disinfection. Patent US 62/628296. Priority date: 02/09/2018.
