Метод и технические средства активного контроля параметров электрохимического процесса обработки воды ионами серебра

Интенсивные техногенные воздействия на природу вызвали значительное ухудшение химических и микробиологических показателей качества воды, которая становится непригодной для хозяйственных нужд и питья. Значения требуемых показателей качества воды заданы в нормативных документах (СанПиН 2.1.4.1074−01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.» и ГОСТ 287 482 «Вода питьевая»). Улучшают эти показатели за счет водоподготовки (кондиционирования воды), которую осуществляют различными способами и, в частности, с помощью электрохимической обработки воды ионами металлов, в процессе реализации которой может происходить ее очистка и /или обеззараживание [1−6].

Готовят водные растворы металлов в электролизере (электрохимической ячейке с электродами), обрабатывая воду электрическим током, при протекании которого ионы металла анода переходят в жидкость. В случае, когда растворяется анод из таких металлов как серебро, золото, медь в обработанной воде возникает эффект обеззараживания. Наиболее распространенным является обеззараживание воды с помощью ионов серебра. В зависимости от концентрации ионов серебра эта вода находит следующее применение:

— для питья или для заполнения плавательных бассейнов как альтернатива хлорированию, фторированию и озонированию. Диапазон допустимых значений концентрации ионов серебра в этом случае составляет от 0,0025 до 0,5 мг/дм3. При этом дополнительное положительное свойство ионов серебра выражается в способности консервировать воду на срок 6.12 месяцев без ухудшения ее орга-нолептических и микробиологических показателей;

— для приготовления антисептических растворов, используемых для санитарной обработки помещений, медицинского оборудования, инструмента. Величина диапазона составляет 0,25.5 мг/дм. Выгодно отличается от хлорирования отсутствием неприятного запаха;

— для приготовления высококонцентрированных лечебных препаратов широкого спектра действия. Указанный диапазон составляет от 1 до 50 мг/дм3.

Таким образом, видно, что диапазон требуемых значений концентрации ионов серебра в водных растворах является настолько широким, что его кратность превышает 104. Эти растворы находят все большее применение не только при во-доподготовке, но и в различных областях медицины, пищевой промышленности и т. п.

Актуальность проблемы получения и применения серебряной воды подтверждается многочисленными исследованиями, имеющими своей целью изучение свойств серебряной воды с дальнейшим расширением областй ее применения, повышение эффективности электрохимического процесса растворения серебра, разработку приборов (ионаторов) для ее получения. Особо следует выделить фундаментальные исследования в области электрохимической водоподготовки, выполненные после 30-х годов XX века Кульским Л. А., результаты которых изложены в его монографиях и ряде статей и реализованы на уровне изобретений.

В то же время требования к точности получения заданной концентрации ионов серебра становятся все более жесткими. Это обусловлено, во-первых, необходимостью обеспечения качества продукта в виде медицинских препаратов. Во-вторых, значения концентрации ионов серебра в воде регламентируются стандартами и санитарно-гигиеническими нормами, например, при производстве экологически чистой питьевой воды. В-третьих, снижение расхода растворяемых электродов из драгоценных металлов (серебра, золота) может дать существенный экономический эффект.

Трудности получения заданной концентрации ионов в ходе электрохимического процесса обусловлены его протеканием в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. Эти факторы определяются показателями качества исходной (обрабатываемой) воды, состоянием электродов и показателями, характеризующими заданный режим работы самого прибора, реализующего процесс растворения. Их влияние может стать причиной более чем 8.10-кратного снижения получаемого значения концентрации ионов серебра в воде от ее задаваемого уровня, что соответствует недопустимо высокой погрешности, приближающейся к 100%.

В силу изложенного является актуальным проведение исследований для разработки метода и средств контроля параметров электрохимического процесса растворения серебра для реализации в приборах нового поколения, осуществляющих обработку воды и выполненных на современной элементной базе с микропроцессорным управлением. Указанные исследования основываются на математическом и схемотехническом моделировании электрохимического процесса обработки воды. Использование моделей позволит выявить наиболее значимые факторы с оценкой их влияния на точность получения задаваемой концентрации ионов, обеспечить требуемые условия для реализации активного контроля, выбрать режим обработки воды и при необходимости корректировать его для компенсации негативного влияния дестабилизирующих факторов. Результаты исследований реализуются в приборах с техническими средствами контроля, имеющих различную производительность по объему обрабатываемой воды, расширенный диапазон задаваемой концентрации ионов серебра с обеспечением требуемой точности ее получения за счет реализации активного контроля параметров процесса обработки воды в режиме реального времени.

Цель работы — исследование и разработка метода и технических средств активного контроля параметров электрохимического процесса обработки воды ионами серебра для улучшения метрологических и технических характеристик приборов-ионаторов серебра.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проведение классификационного анализа и оценки влияния факторов на точность получения заданной концентрации ионов серебра в процессе электрохимического растворения.

2. Разработка математических и схемотехнических моделей электрохимической ячейки для определения показателей электрохимического процесса обработки воды, необходимых и достаточных для реализации активного контроля его параметров.

3. Разработка метода активного контроля параметров электрохимического процесса обработки воды для компенсации негативного влияния факторов на точность получения заданной концентрации ионов серебра.

4. Создание макетов и образцов приборов с техническими средствами контроля, предназначенных для обработки воды ионами серебра и имеющих улучшенные метрологические и технические характеристики.

Краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены основные способы электрохимической обработки воды и, в частности, электрохимического обеззараживания воды ионами серебра и приборов для его реализации. Обоснованно выбран как наиболее перспективный процесс растворения серебра при пропускании импульсного тока через электродную ячейку. Проведен обзор схемотехнических и математических моделей процесса и методов нахождения параметров полученных моделей.

Вторая глава посвящена разработке схемы замещения электрохимической ячейки и математических моделей, описывающих процессы изменения напряжения на электродах ячейки в статическом и динамическом режимах для случаев постоянного и импульсного тока, проходящего через ячейку. Произведена оценка параметров, входящих в схемотехническую и математические модели. Оценена погрешность расчетов по полученным моделям.

Результаты классификационного анализа факторов, влияющих на точность получения заданной концентрации ионов серебра излагаются в третьей главе. С помощью предварительного отсеивающего эксперимента число факторов сокращено до пяти наиболее значимых. Для получения аналитического выражения, связывающего эти факторы с концентрацией ионов серебра, используется аппарат планирования и проведения факторного эксперимента. Выполнен анализ адекватности полученной регрессионной модели электрохимического процесса и показана ее пригодность для корректировки режимов электрохимического процесса обработки воды с различным химическим составом.

В четвертой главе особое внимание уделяется разработке метода и средств активного контроля параметров воды. Рассмотрены достоинства и недостатки существующих методов контроля, применяемых в электрохимии. Раскрывается суть предложенного метода контроля на базе хронокондуктометрических измерений скорости изменения проводимости воды между электродами. Доказана применимость этого метода для реализации активного контроля. На основе его результатов с помощью полученной аппроксимированной зависимости определяются корректирующие поправки режима электрохимического процесса растворения серебра для снижения погрешности получения задаваемой концентрации ионов серебра. Приведена структура ионатора со средствами контроля.

В пятой главе излагается предложенная методика расчета основных элементов и режимов работ ионаторов серебра, базирующаяся на результатах теоретических исследований. Там же описывается установка для проведения факторных экспериментов и определения параметров схемотехнической модели электрохимической ячейки, а также примеры практической реализации разработанных приборов для обеззараживания воды и приготовления лечебных препаратов.

Выводы к главе 5.

1. Разработана методика расчета основных узлов ионаторов серебра дискретного и проточного типов действия с использованием полученной регрессионной модели электрохимического растворения серебряных электродов с учетом химического состава воды и ее температуры.

2. Создана экспериментальная установка для серебрения воды и отработана методика проведения факторного эксперимента, а также получения и обработки временных зависимостей напряжения на электродах для проведения процедуры идентификации параметров схемы замещения электрохимической ячейки.

3. Разработан макет ионатора серебра дискретного типа действия с корректором режима обработки воды за счет регулирования тока через ячейку, что при различной степени засоленности исходной воды обеспечило требуемую точность получения заданной концентрации ионов серебра за счет активного метода контроля на основе хронокондуктометрических измерений.

4. Созданы образцы ионаторов серебра дискретного и проточного типа действия со средствами активного контроля и с уменьшенной погрешностью получения заданной концентрации ионов серебра до 20%, эффективность использования которых подтверждена имеющимися актами о внедрении.

5. Для решения задачи автоматизации процесса обработки воды ионами серебра разработан индуктивный датчик расхода «ДРВ-1» совместно с крыльчатым счетчиком воды, имеющий выход в виде импульсного сигнала, используемого для поддержания и коррекции режима обработки воды в ионаторах проточного типа с учетом результатов активного контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные теоретические исследования, подтвержденные испытаниями и внедрением образцов приборов для обработки воды ионами серебра, позволили получить следующие основные результаты.

1. Предложена схемотехническая модель электрохимической ячейки, полученная на основе обработки сигнала на ее электродах, давшая возможность.

— провести анализ отдельных составляющих напряжения на электродах ячейки с учетом физических особенностей электрохимического процесса обработки воды и исследовать характер изменения этого напряжения в статическом и динамическом режимах работы прибора при постоянном и импульсном токах, проходящих через ячейку;

— выполнить идентификацию параметров элементов ячейки и оценить их влияние на процесс запуска ионатора по его функциональной модели, а также выявить и смоделировать эффект модуляции сопротивления воды между электродами.

2. Разработаны на основе метода суперпозиции математические модели в виде систем дифференциальных и разностных уравнений, позволившие.

— численно проанализировать влияние первичных параметров на составляющие напряжения на электродах и оценить характеристики переходных процессов в приборе при постоянном и импульсном токах через ячейку;

— учесть нелинейный характер процессов изменения отдельных составляющих напряжения на электродах ячейки;

— выбрать продолжительность обработки воды и временной интервал для реализации активного контроля параметров электрохимического процесса ее обработки.

3. По результатам отсеивающего и полного факторного экспериментов.

— проведена оценка значимости факторов, среди которых наиболее влияющими на точность получения заданной концентрации ионов серебра являются: содержание хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов в исходной воде, температура воды, частота следования импульсов тока через воду, напряжение на электродах электрохимической ячейки;

— получена регрессионная математическая модель исследуемого электрохимического процесса, учитывающая влияние выявленных значимых факторов на выход серебра по току и позволившая определять корректирующие поправки режима обработки воды с известным солевым составом.

4. Предложен метод активного контроля, заключающийся в оценке скорости изменения напряжения на электродах электрохимической ячейки и давший возможность.

— проводить электрохимический процесс обработки воды с различным солевым составом в соответствии с заданными требованиями к метрологическим и техническим характеристикам прибора;

— разработать и реализовать алгоритм активного контроля параметров электрохимического процесса обработки воды с использованием полученной аппроксимированной зависимости выхода серебра по току от скорости изменения напряжения на электродах ячейки;

— выбирать и изменять с помощью разработанного корректора режим электрохимической обработки воды для снижения погрешности получения заданной концентрации ионов серебра.

5. По результатам теоретических исследований разработана методика расчета основных узлов приборов для обработки воды ионами серебра с учетом их назначения, солевого состава исходной воды и требуемого режима ее обработки.

6. Создан экспериментальный макет установки для проведения факторного эксперимента и синтеза схемы замещения ячейки по результатам обработки сигнала на ее электродах. В соответствии с полученными рекомендациями разработаны образцы ионаторов серебра с техническими средствами контроля, внедренные на предприятиях и в лечебных учреждениях Санкт-Петербурга и прошедшие государственную сертификацию. Они используются для приготовления лечебных препаратов и обеззараживания воды для питья и лечебных и плавательных бассейнов и при этом обеспечивают требуемую концентрацию ионов серебра в диапазоне от 0,0025 до 50 мг/дм при различной степени засоленности исходной воды в пределах ПДК, заданных в нормативной документации, с погрешностью до 15.20%, сниженной в 3.4 раза, если ее сравнивать с погрешностью, имевшей место до применения предложенного в работе метода активного контроля.