BILANTUL DE ENERGIE SI TENSIUNE LA MODIFICAREA ELECTROTEHNOLOGICA A PARAMETRILOR FIZICO-CHIMICI AI APEI

Rezumat: Lucrarea data are ca scop studiul bilantului de energie si tensiune la modificarea electrotehnologica a parametrilor fizico-chimici ai apei. Se analizeaza legitatile conversiei energiei electrice in electrolizoare cu membrana inerta si cationselectiva. In rezultat sunt prezentate dependentele si concluziile utile la elaborarea unor instalatii electrotehnologice de conditionare a apei pentru diferite procese tehnologice din agricultura si energetica.

Cuvinte cheie modificarea electrotehnologica parametri fizico-chimic ai apei

BALANCE OF ENERGY AND COMPONENTS OF VOLTAGE DURING THE ELECTROTECHNICAL MODIFICATION OF PHYSICOCHEMICAL PARAMETERS OF WATER

Abstract: The paper is dealing with results of theoretical and experimental investigations related to the balance of energy and voltage distribution in units for electrochemical units for water treatment. The electrical energy conversion mechanism in electrochemical units equipped with ionic selective membrane is analyzed.

The obtained results could be used for design of electrochemical units for the water conditioning for diverse technological processes in agriculture and biotechnology.

Key words: Water conditioning.

Introducere

Tratarea electrica a apei este insotita de decurgerea unor fenomene fizico-chimice complexe: disocierea moleculelor de apa; degajarea oxigenului, clorului si hidrogenului, hidroliza sarurilor, si alte fenomene de transport ce urmeaza legi specifice si constituie cauza variatiei indicelui de hidrogen, pH, potentialului de oxido-reducere, Eh, concentratiei de saruri, C, si gaze pO₂, pCl₂, temperaturii apei, t [1, 2].

Realizarea acestui proces in instalatii electrotehologice cu/fara membrana ionselectiva/inerta cu scopul modificarii parametrilor fizico-chimici ai apei (pH, Eh, C, pO₂, pCl₂, t) in corespundere cu valorile lor optime in cadrul unor tehnologii concrete prin intermediul parametrilor electrici de regim (U, I, Q, D) constituie modificarea electrotehnologica a apei [3, 4].

Schema electrica echivalenta a unei instalatii monopolare legate la o sursa de curent continuu pentru modificarea electrotehnologica a apei prezinta un circuit, cu urmatoarele componente (Fig. 1): R_a (c_a), R_c (c_c) - rezistenta (conductivitatea), respectiv, din compartimentul anodic si catodic; r_a, C_a; r_c, C_c - rezistenta si capacitatea interfetei anod-electrolit si catod-electrolit; R_d - rezistenta membranei;

U_a, U_c - caderea de tensiune, respectiv, in compartimentul anodic si catodic

Tensiunea aplicata la o instalatie electrotehnologica monopolara pentru modificarea parametrilor fizico-сhimici ai apei este determinata de urmatoarele componente:

U = E_t + j_c j_a + I R (1)

unde:

E_t - potentialul teoretic de disociere a apei, E_t = 1.23 V;

j_c - supratensiunea de degajare a hidrogenului la catod, V;

j_a - supratensiunea de degajare a oxigenului la anod, V;

I R - caderea de tensiune in electrolit, V;

Pentru a realiza disocierea izotermica a unui mol de apa este necesara o cantitate de 68372 calorii produse de o energie electrica echivalenta, aceasta corespunzand unei tensiuni de 1.48 V aplicata la electrozi. In cazul cand la electrozii unei instalatii electrotehnologice este aplicata o tensiune U, ea va fi parcursa de un curent I. Astfel, puterea se va determina conform relatiei:

W = 0.86 U I, kcal/h (2)

O parte din ea va fi consumata pentru disocierea isotermica a apei si poate fi calculata cu relatia:

W_ch = 0.86 E_t I, kcal/h (3)

O alta parte a puterii utilizate va fi convertita in energie termica , iar valoarea ei va fi determinata de relatia:

W_t = ( j_c j_a + I R) I, kcal/h (4)

Astfel bilantul energetic al instalatiilor electrotehnologice de tratare electrica a mediilor lichide poate fi reprezentat prin expresia:

W = (W_ch + W_t ), kcal/h (5)

Scopul cercetarilor teoretico-experimentale este studiul bilantului de energie si tensiune la modificarea electrotehnologica a unor parametrilor fizico-chimici ai apei in instalatii de electroliza cu membrane ionselective sau inerte.

Metodele si procedurile utilizate

Pentru studiul experimental al bilantului de tensiune si energie a fost utilizata o instalatie monopolara pentru tratarea electrica a apei cu doua compartimente, divizate de o membrana. Compartimentele au volume echivalente egale cu 75 ml. Electrozii cu suprafata activa de 25 cm² au fost amplasati vertical in compartimentele respective la distanta de 5 cm.

Pentru inregistrarea continua a variatiei caderii de tensiune dintre electrozii instalatiei electrotehnologice s-a utilizat un inregistrator cu banda de tip KCП.

Pentru experimente a fost utilizata apa de apeduct a or. Chisinau cu componenta ionica corespunzatoare: mg/l: HCO₃^- = 195.2, Cl^- = 71.0, SO₃^2- = 123.4, Ca²⁺ = 123.4, Mg²⁺ = 31.6, Na⁺ + K⁺ = 75.2. Parametrii fizico - chimici initiali ai apei au fost: pH = 6.8, χ₀ = 0.5 mS/cm, t = 20 ⁰C. Pe durata experimentelor au fost masurati urmatorii parametri: U - tensiunea aplicata la instalatia electrotehnologica; U_a, U_c - caderea de tensiune respectiv in compartimentul anodic si catodic al instalatiei electrotehnologice; I - curentul de electroliza, A; t_a, t_c - temperatura anolitului si catolitului, ⁰C; χ_0, χ_a, χ_c, - conductivitatea electrica initiala a apei, in compartimentul anodic si in compartimentul catodic respectiv, mS/cm

Rezultate si discutii

Datele experimentale obtinute si expuse in Tabelele 1, 2 ne indica ca dupa 25 min. de tratare electrotehnologica a probei de apa la o tensiune de 100 V valorile parametrilor fizico - chimici au atins urmatoarele valori: χ_a, = 1.8 mS/cm;       χ_c = 0.4.0.45 mS/cm; t_a = 65.70 ⁰C; t_c = 74.78 ⁰C.

Estimarile teoretico-experimentale au relevat faptul ca cea mai mare parte de energia electrica consumata de instalatia electrotehnologica este convertita in caldura.

In cadrul experientelor cu mentinerea a tensiunii la valoare constanta de 100 V, energia electrica convertita in energie termica constituie aproximativ 98.5 % si doar 1.48 % este consumata pentru disocierea electrochimica a apei (Tabelul 1). Acest raport nu s-a schimbat pe o durata electrolizei egala cu 25 min. Pe aceeasi durata de timp puterea electrica utilizata de instalatia electrotehnologica a crescut de la 14.2 W pana la 31.5 W.

Tabelul 1

Tensiunea aplicata, U, V	Curent de electroliza, I, mA	Durata electrolizei, τ, min.	Energia totala aplicata, W, W s	Energia electrochimica, Wch		Energia termica, Wt
				W s		W s

Bilantul de energie in procesul de tratare electrotehnologica a apei (U = 100 V; I = 200 mA)

Tabelul 2

Evolutia curentului , raportului U_c/U_a, , temperaturii (t_a, t_c), conductivitatii (χ_a, χ_c) la modificarea electrotehnologica a apei

In cazul cand valoarea curentului a fost mentinuta constanta pe durata electrolizei s-a inregistrat o usoara crestere a cotei de energie convertita in caldura. Astfel la un curent de electroliza egal cu 200 mA, s-a constata ca energia electrica consumata pentru promovarea reactiilor electrochimice la inceputul procesului de tratare electrica constituie 1.61 %, iar peste 25 min. atinge valoarea de 1.81%.

In cazul cand valoarea tensiunii este mentinuta constant la 100 V, valoarea curentului de electroliza variaza de la 120 mA pana la 315 mA respectiv la inceputul procesului de tratare electrica si peste 25 minute de electroliza (Tabelul 2).

In aceleasi conditii de experienta, temperatura atinge valori de 69 ⁰C in compartimentul anodic si 77 ⁰C in compartimentul catodic al instalatiei electrotehnologice. Deci procesul de evolutie a temperaturii in compartimentul catodic este mai intensiv decat in compartimentul anodic.

Evolutia caderilor de tensiune in compartimentele instalatiei electrotehnologice a fost estimata ca raportul U_c/U_a. Astfel acest raport variaza de la 1.0 pana la 3.2 peste 8 minute de tratare electrica , iar peste 28 minute atinge cifra de 2.4.

Evolutia caderilor de tensiune in compartimentele instalatiei electrotehnologice monopolare dotate cu membrana inerta reprezinta o functie de conductivitatea electrica in aceste compartimente. Astfel conform datelor experimentale obtinute, valoarea conductivitatii electrice a catolitului s-a micsorat de la 0.5 mS/cm pana la 0.28 mS/cm in primele 10 min. de tratare electrica a apei la tensiunea de 100 V, dupa care se mareste pana la 0.45 mS/cm, insa ramane mai mica de aproximativ 3 ori decat conductivitatea electrica a anolitului.

Tabelul 3

Evolutia conductivitatii electrice apei din compartimentul anodic si catodic la tratare electrotehnologica (U = 100 V)

Evolutia caderilor de tensiune in compartimentele instalatiei electrotehnologice monopolare se pastreaza si in cazul utilizarii membranei cationselective. Astfel, au fost supuse tratarii electrice probe de ape de la fantanele de alimentare ale FAS din s. Bumbata, FAS Vadul lui Voda si apa de robinet din or. Chisinau.

Astfel la tratarea electrica a probelor de apa preluate din s. Bumbata, tensiunea dintre electrozi, variaza de la valoarea de 13 V pana la valoarea maxima de 19 V (Fig.2). Aceasta valoare este atinsa la trecerea unei cantitati specifice de electricitate egala cu 2000 C/l. La trecerea unei cantitati specifice de electricitate mai mare, valoarea tensiunii dintre electrozii instalatiei se micsoreaza fapt indicat de caracterul descendent al curbei de pe banda inregistratorului.

Aceiasi forma a curbelor de evolutie a tensiunii dintre electrozi s-a inregistrat si la tratarea electrica a apelor de la fantana de alimentare cu apa a FAS Vadul-lui-Voda si celei de apeduct din or. Chisinau. Astfel experimental s-a stabilit ca pentru atingerea valorii maxime de 39 V a tensiunii dintre electrozi la tratarea electrica a apei de la fantana de alimentare a FAS Vadul lui Voda este necesara o cantitate specifica de electricitate egala cu aproximativ 1000 C/l. Pentru atingerea valorii tensiunii maxime de 90 V la tratarea electrica a apei de apeduct din or. Chisinau sunt necesari circa 300.310 C/l.

Concluzii

Cea mai mare parte a energiei electrice consumate in procesul tratarii electrotehnologice a apei este consumata pentru sporirea temperaturii apei si doar o mica parte a ei este consumata pentru modificarea parametrilor fizico- himici pH, Eh, C, pO₂, pCl₂. Astfel la elaborarea unor electrotehnologii de tratare a apei este necesar de a amplasa instalatiile de electroliza in interiorul incintelor in care este utilizata apa tratata pentru sporirea eficientei tehnologice.

O particularitate a procesului de tratare electrotehnologica a apei este faptul ca temperatura apei in compartimentul catodic evalueaza mai dinamic in comparatie cu compartimentul anodic.

Caderea de tensiune in compartimentul catodic este mai mare decat in compartimentul anodic atat pentru instalatiile dotate cu membrana inerta, cat si cationselectiva. De aceia se recomanda ca in instalatiile de acest fel electrozii sa fie amplasati la distanta cat mai mica unul fata de altul pentru micsorarea caderilor de tensiune.

Evolutia caderii de tensiune in compartimentul catodic inregistreaza o valoare maxima dupa o durata anumita a electrolizei, direct proportionala cu nivelul de alkalinitate in probe de apa din diferite surse. Acest fapt poate fi utilizat pentru elaborarea unor metode electroanalitice pentru determinarea alkalinitatii apei.

Bibliografie

Spinu, V.; Stiopca, O., Dinamica variatiei parametrilor apei electrochimice activate // Culegere de lucrari stiintifice ale UASM, Vol.3, Chisinau, 1994, pag. 206-209

Spinu, V.; Stiopca O. Electrotehnologia conditionarii apei // Culegerea de lucrari ale UASM, Vol. 6. - Chisinau, 1998, pag. 114 - 119.