Компьютерная модель процесса барботирования анолита озоном в анодной камере проточного электролизера воды для получения дезинфицирующих растворов на пасеке
Компьютерная модель процесса барботирования анолита озоном в анодной камере проточного электролизера воды для получения дезинфицирующих растворов на пасеке
Аннотация
В современном пчеловодстве существует тенденция к применению экологически чистых средств для профилактики и лечения болезней пчел. В настоящий момент существует несколько электротехнологий позволяющих получать средства дезинфекции для обработки пчелиных ульев. Среди них можно выделить технологии озонирования и получения электроактивированных растворов методом диафрагменного электролиза воды, в частности анолита. Существуют исследования, объединяющие эти две технологии для увеличения дезинфицирующих свойств анолита, которым опрыскивают улья и пчелиный инвентарь. Вначале получают анолит, а затем барботируют его озоном. Но установки для получения электроактивированных растворов, насыщенных озоном, имеют малую производительность – до 0,4-0,5 л в течение 15-20 минут. При этом процесс обработки 20 пчелиных ульев с учетом времени на получение растворов занимает около 5 часов. При этом количество приготовлений раствора составляет не менее 5 раз. Сократить время на приготовление растворов до 1-2 минут, а значит и время на обработку ульев, можно путем использования проточного диафрагменного электролизера воды. Для этого требуется вначале провести компьютерное моделирование процесса барботажа анолита в анодной камере установки с целью интенсифицировать процесс массопередачи озона в раствор. В статье рассматривается разработанная компьютерная модель данного процесса в ПО Comsol Multiphysics, на базе уравнений Навье-Стокса и закона Генри. В статье даны значения коэффициента массопередачи и константы Генри для рассматриваемого случая. Приведены результаты моделирования и показаны варианты дальнейшего совершенствования технологии.
1. Введение
Широко применение электроактивированных водных растворов в сельском хозяйстве. Они могут быть использованы как в растениеводстве для полива растений, изменения рН почвы, замачивания семян, растворения гербицидов и т.п., так и в животноводстве для поения молодняка КРС и даже в пчеловодстве для обеззараживания ульев и поения пчел
, , , , . Такое разнообразное применение обусловлено не только тем, что вода играет важную роль во многих сельскохозяйственных процессах, но и свойствами электроактивированных растворов. В ходе диафрагменного электролиза воды получаются два водных раствора: анолит и католит. Первый обладает дезинфицирующими свойствами, низкими значениями рН от 2,7 до 7 и высоким ОВП, значения которого могут достигать свыше +1000 мВ. Католит, напротив, обладает восстановительными свойствами, высоким рН от 7 до 12, а также отрицательными значениями ОВП, которые могут достигать -1000 мВ и менее.Высокая значимость данной технологии для АПК требует совершенствования электрооборудования для ее проведения. Для получения вышеописанных растворов используются различные варианты диафрагменных электролизеров. Они бывают двух видов: непроточные или так называемые бытовые и проточные. Первые имеют низкие массогабаритные показатели, не требуют высоких затрат электроэнергии и, как следствие, обладают низкой производительностью. Проточные электролизеры, напротив, имеют высокую производительность, но при этом потребляют в десятки раз больше электроэнергии. Бытовые электролизеры хорошо изучены и процессы, протекающие в них достаточно хорошо описаны в
. Там же приведена компьютерная модель наиболее часто используемого диафрагменного непроточного электролизера «Ива», который использовался для получения анолита, как дезинфицирующего средства, используемого на пасеке для дезинфекции ульев. При этом получаемый электроактивированный раствор перед использованием барботировался озоном для увеличения дезинфицирующих свойств. К недостаткам установки описанной в относятся низкая производительность – до 0,5 л в течение 15-20 минут, а также последовательная комбинация технологий электролиза и озонирования, что увеличивает время получения дезинфицирующего средства. По нашему мнению, использование проточной установки существенно увеличит производительность. При этом возможно одновременное использование применяемых технологий, что также ускорит время получения дезинфицирующего раствора для проведения профилактических и лечебных мероприятий на пасеке.Цель исследования – разработать компьютерную модель в ПО Comsol Multiphysics, описывающую процесс массопередачи озона в воду при диафрагменном электролизе воды для совершенствования технологии получения экологически чистых дезинфицирующих растворов на пасеках.
2. Материалы и методы исследования
Геометрическая модель предлагаемой установки показана на рис. 1. В ней осуществляется подача исходной воды в анодную камеру электролизера, представляющую из себя зигзагообразный канал, одновременно с подачей озона через специальный тройник на входе.
Рисунок 1 - Изображения геометрической модели электролизера для получения дезинфицирующих растворов на пасеке: общий вид (а) и вид сбоку с размерами указанными в метрах (б)
Примечание: 1 – зигзагообразный канал анодной камеры; 2 – отверстие для выхода анолита; 3 – отверстие для подачи озоновоздушной смеси; 4 – отверстие для подачи исходной воды
Для описания процесса барботирования анолита озоном необходимо рассмотреть: поле скоростей газа и воды; массопередачу газа из пузырьков в жидкость. Поток газа и воды через анодную камеру можно описать с помощью уравнений Навье-Стокса. Учитывая небольшой расход воды – до 1,5 л/мин и зная из геометрической модели установки диаметр выходного отверстия – 19 мм (рис. 1), можно определить число Рейнольдса Re. При указанный параметрах установки и стандартных условиях оно будет равно Re = 1672. Таким образом, поток через установку будет ламинарным и для несжимаемой среды
:где φl – объемная доля воды, м3/м3; ρl – плотность воды, кг/м3; ul – скорость воды, м/с; p – давление, Па; g – сила свободного падения, м/с2; μl – динамическая вязкость жидкости, Па·с; Т – температура, К; I – единичный вектор; ug – скорость газа, м/с; φg – объемная доля газа, м3/м3; ρg – плотность газа, кг/м3.
Скорость массопередачи mgl определяется в соответствии с законом Генри:
где k – коэффициент массопередачи, м/с; cp – равновесная концентрация озона в воде, моль/м3; – концентрация растворенного озона в воде, моль/м3; М – молярная масса озона, равная 47,998 г/моль; а – площадь поверхности раздела фаз на единицу объема, м2/м3.
где n – плотность пузырьков или количество пузырьков в объеме φg, 1/м3.
Равновесная концентрация озона в воде cp прямо пропорциональна давлению р в установке и обратно пропорциональна константе Генри H [Па·м3/моль]. В работе
указано, что для озона, растворяемого в воде коэффициент массопередачи k лежит в пределах от 2·10-3 до 3·10-3 м/с (в компьютерной модели принят равным 2,5·10-3 м/с), а константа Генри равна 0,22 кПа·л/мг или 10561,7 Па·м3/моль.Растворенный озон согласно
вступает в реакцию с ионами гидроксида и водой, в результате чего образуется дополнительный кислород, и гидропероксил. Данные химические реакции также необходимо учесть, т.к. насыщение воды кислородом важно в некоторых технологических процессах, например, при гидропонном выращивании растений, к тому же кислород, как и озон, тоже является хорошим окислителем (хоть и не таким сильным, как озон), что также способствует увеличению дезинфицирующих свойств получаемого раствора.Компьютерное моделирование проводилось в ПО Comsol Multiphysics. Для моделирования использовалось три физических интерфейса. Интерфейс "Laminar Flow" использовался для определения поля скоростей ul, ug и давлений p воды и пузырей газа в установке. Интерфейс "Transport of Diluted Species" использовался для расчета поля концентрации растворенного озона на выходе из установки. Также для учета химических реакций озона с водой и ионами гидроксида был задействован интерфейс "Chemistry". В качестве граничных условий были заданы стандартные гидродинамические условия Inlet, Outlet и Wall (рис. 2). Концентрация озона на входе в установку задавалось равной 2000 мг/м3, что соответствует концентрации получаемой от бытового электроозонатора.
Рисунок 2 - Изображение поверхностей (показаны синим цветом), на которых были заданы граничные условия
Примечание: 1 – Inlet; 2 – Outlet; 3 – Wall
Рисунок 3 - Фотография зигзагообразного канала одной из камер изготовленного проточного электролизера
3. Результаты исследований и обсуждение
В результате компьютерной обработки были получены поля концентраций растворенного в воде озона и образованного в результате химических реакций кислорода
при разном расходе раствора Q через анодную камеру. Так на рис. 4 показаны поля распределения
и
в установке через 2 минуты при Q = 0,75 л/мин. Наибольшие концентрации озона сосредоточены в начале установки и достигают при этом значений до 10·10-5 моль/м3. В остальной же части до самого выхода поле концентраций растворенного озона
равномерно и составляет 7,7·10-5 моль/м3, что соответствует 0,0037 мг/л. Концентрации кислорода
в установке составляют не более 10·10-6 моль/м3.
Рисунок 4 - Изображение поля концентраций озона cO3, растворенного в потоке воды в результате барботирования им потока анолита при расходе воды через анодную камеру Q = 0,75 л/мин через 2 минуты барботажа
Рисунок 5 - Графики изменения во времени средней концентрации растворенного озона cO3 на выходе из установки при различном расходе Q
Рисунок 6 - Фотография процесса измерения растворенного озона в полученном растворе при Q = 0,1 л/мин
Для увеличения концентрации озона в воде следует рассмотреть возможность интенсификации процесса его растворения в анолите. Исходя из полученных полей концентраций озона и кислорода
, дальнейшее увеличение длины канала анодной камеры электролизера не приведет к их увеличению. Для этого возможно использование насадок из мелкопористого материала для уменьшения диаметра пузырей газа (в компьютерной модели их диаметр был равен 3 мм исходя из геометрических размеров входного отверстия), что в свою очередь увеличит площадь поверхности раздела фаз а и тем самым увеличит массопередачу mgl согласно (2). Другим способом увеличения концентрации растворенного в воде озона является использование трубки Вентури вместо тройника на входе в анодную камеру.
4. Заключение
1. Разработана компьютерная модель процесса барботирования анолита озоном непосредственно в анодной камере проточного электролизера воды с целью быстрого получения дезинфицирующих растворов на пасеке. Модель основана на уравнения Навье-Стокса и законе Генри.
2. В результате компьютерного моделирования, а также экспериментальных исследований на разработанной проточной установке определено, что при расходе воды через анодную камеру электролизера 0,5-0,75 л/мин концентрации растворенного в анолите озона не превышают 9·10-5 моль/м3 (не более 0,005 мг/л). При этом время выхода на установившийся режим работы составляет 40-50 секунд, а время получения 0,5 л раствора составляет не более 2 минут, что в 7 раз быстрее, чем при использовании непроточной установки. Дальнейшее уменьшение расхода приводит к увеличению концентрации растворенного в анолите озона до 0,01 мг/л, но при этом значительно увеличивается время его получения.
3. Определено, что дальнейшее увеличение длины анодной камеры не ведет к увеличению растворенного в воде озона и для интенсификации процесса требуется либо уменьшение диаметра пузырей путем использования мелкопористых насадок в месте входа озона в воду, либо использование трубки Вентури для смешивания озона с водой.