Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

100
На практике на расход кислоты в основном влияет буферность раствора, поэтому экспериментальные данные расхода кислот ва- рьируют в довольно широких пределах.
Большинство компаний использует соляную или серную кисло- ты с расходом от 60 до 300 г/м
3 и поддержанием рН до 5,9 ед. Рас- сол можно частично рециркулировать, что позволит сократить рас- ход кислоты примерно в 3 раза.
Ограничением в применении электродиализа является невоз- можность удалить незаряженные компоненты, находящиеся в рас- творе.
Необходимость предварительной очистки воды и относитель- но низкая (до 50% в одну ступень) степень обессоливания на выхо- де из электродиализных аппаратов определили возможность ком- бинирования мембранной технологии с ионитным обессоливанием при обработке вод с повышенным исходным солесодержанием (бо- лее 500 мг/дм
3
).
В этом случае электродиализные аппараты вклю- чаются в схему после предочистки и перед ионообменными филь- трами, что позволяет сократить расход реагентов на ионообменную часть, и следовательно, резко уменьшить количество сбросов с
ВПУ. Применение электродиализных аппаратов для очистки с соле- содержанием менее 500 мг/дм
3
экономически не целесообразно.
При концентрации солей в камерах обессоливания ниже 200 - 300 мг/дм
3
резко возрастает расход энергии, что ограничивает глубину обессоливания воды указанными пределами.
Серьезным препятствием для глубокого обессоливания воды в технологии электродиализа являются:
- повышение электрического сопротивления в камерах с ро- стом степени обессоливания;
- перенос воды через мембраны в процессе осмоса;

101
- разложение воды при высоких плотностях тока;
- возможность образования осадков на мембранах в камерах концентрирования.
Ограничение плотности тока при электродиализе связано с яв- лением концентрационной поляризации, возникающей на ионитных мембранах. Суть этого явления заключается в том, что движение ионов через мембрану под действием электрического тока идет быстрее, чем в растворе, что приводит к падению концентрации около принимающей стороны мембраны и к повышению концентра- ции около отдающей стороны. Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация переносимого иона около принимающей стороны мембраны снижается до 0 и начинается перенос ионов H
+
и OH
-
, образовавшихся при электро- лизе воды. Этот процесс вызывает перерасход электроэнергии, не снижая солесодержания воды, и приводит к изменению pH среды, что может вызвать образование осадков на мембранах.
С учетом отмеченных ограничений оптимальный уровень сни- жения солесодержания обрабатываемой воды в одноступенчатых электродиализных аппаратах не превышает 40 - 50%.
5.4
Электродеионизация
Традиционный электродиализ имеет естественные ограниче- ния применимости в области разбавленных растворов. Принято считать, что область его рационального применения ограничивается получением растворов с солесодержанием 200–300 мг/л, т.е. соле- содержание исходной воды должно быть не менее 500 мг/л. Элек- тродеионизация позволяет обойти это ограничение путем исполь- зования в качестве концентратора солесодержания ионообменного наполнителя. При наличии слоя ионитов в камере повышается вы- ход по току, как катионов, так и анионов электролита независимо от

102 типа используемой насадки, то есть понижается сопротивление си- стемы, увеличивается предельная плотность тока и возрастает по- лезный перенос ионов.
Электродеионизация (ЭДИ, EDI, CEDI) – это процесс непре- рывной деминерализации воды с использованием ионообменных смол (смеси анионита и катионита), ионселективных мембран и по- стоянного электрического поля. Основной движущей силой процес- са ЭДИ является разность потенциалов постоянного электрического поля по обе стороны мембранного канала, заполненного ионооб- менной смолой.
Достоинство электродеионизации – это высокое качество вы- рабатываемой воды. Процентное содержание общих растворенных в воде веществ снижается более чем на 99%, удельная электропро- водность снижается более чем в 15 раз по сравнению с подавае- мой. Содержание общего органического углерода может умень- шиться на 50-90% в зависимости от состава органических веществ в воде и стадий предварительной очистки. Растворенный диоксид уг- лерода переводится в бикарбонат ион и выводится в виде раство- римого вещества. Удаление растворенного диоксида кремния со- ставляет 80-95% в зависимости от условий и режима работы. Обыч- но удельная электропроводимость очищенной воды составляет
0,06-
0,10 мкСм/см, содержание натрия 5-10 мкг/л, содержание кремнекислоты 10-20 мкг/л.
Процесс непрерывной электродеионизации используется главным образом для производства ультрачистой воды, обладаю- щей электрическим сопротивлением в диапазоне от 8 до 17 МОм•см
(
теоретический предел 18,2 МОм•см) непосредственно из воды с общим солесодержанием 1 - 20 мг/л.
Технология электродеионизации имеет ряд преимуществ:

103
•
Является неэнергоемким процессом;
•
Является непрерывным процессом;
•
Достаточно низкие затраты на обслуживание;
•
Не требуется химических реагентов для регенерации.
Электродеионизация является экологически чистым процес- сом, поскольку количество образующихся стоков минимально, а концентрат по общему солесодержанию чище исходной воды и мо- жет быть направлен в голову процесса.
5.4.1
Технология процесса электродеионизации
Электродеионизация состоит из трех процессов:
- ионный обмен, при котором растворенные в исходной воде ионы, проходя через слои ионообменных смол, адсорбируются на зернах катионита и анионита, в соответствии с условиями термоди- намического равновесия и массопереноса;
- непрерывный отвод ионов через слои ионита и ионселектив- ные мембраны в зону концентрата;
- непрерывная регенерация ионита ионами водорода и гидрок- сила, полученными в результате электролиза молекул воды под воздействием постоянного тока.
Электродеионизация происходит в специальном модуле EDI или CEDI (модуль электродеионизации, ячейка электродеиониза- ции), который представляет собой сложную комбинацию из высоко- качественных ионообменных смол (катионита и анионита), анионо- обменных и катионообменных мембран, помещенную между анодом и катодом. Подаваемая вода распределяется на три потока. Одна часть проходит через каналы электродов, а две другие через кана- лы очистки и концентрирования, представляющие собой слои кати- онита и анионита, разделенные между собой анионной и катионной мембранами.

104
Эти смешанные слои задерживают примеси растворенные в исход- ной воде. Под воздействием электрического поля катионы направ- ляются через катионитовую мембрану к катоду, а анионы - к аноду.
Этот процесс ускоряется за счет катионной и анионной мембран и смешанного слоя ионообменных смол, так как возникает большой градиент концентраций из-за поглощения переносимых ионов смо- лой. Одновременно с процессами обмена и переноса ионов проис- ходит процесс восстановления (регенерации) смол. Этот процесс осуществляется за счет непрерывного образования на катоде и аноде ионов гидроксила (OH+) и ионов водорода (H-). Ионопрони- цаемые мембраны препятствуют проникновению катионов к катоду, а анионов к аноду. В результате чего все ионы концентрируются и сбрасываются в дренаж. Таким образом, модули электродеиониза- ции сочетают в себе преимущества быстроты и эффективности ионного обмена с отсутствием трудоемкой и опасной для здоровья и окружающей среды стадии регенерации ионообменных смол кисло- той и щелочью.

105
При эксплуатации EDI-ячеек эффективность использования потребляемой мощности, направляемой непосредственно на про- цесс обессоливания низка. Обычно на перенос ионов солей расхо- дуется только 10-20 % от мощности протекающего электрического тока. Остальная часть используется на разложение воды для про- ведения регенерации ионообменных смол. Именно со столь малой эффективностью использования потребляемой мощности для EDI- ячеек связано то обстоятельство, что EDI-процесс становится дей- ствительно практичным только для исходной воды, общее солесо- держание которой не превышает значения 100 мг/л.
Поскольку слой ионообменных смол в EDI-ячейках по суще- ству является своеобразной фильтрующей перегородкой (с доста- точно высоким рейтингом фильтрации) и на настоящее время не придумано никакого метода ее промывки, исходная вода, подавае- мая на EDI-ячейки должна иметь очень низкий уровень содержания взвешенных частиц.
Ремонт EDI-ячейки очень затруднен, т.к. ячейки заполняются смолой в процессе сборки. На сегодняшний день не найдено ника- кого эффективного способа для выгрузки и загрузки смолы даже после ее демонтажа. EDI-ячейка должна быть вначале разобрана, затем удален слой смолы, а затем повторно собрана. Это процесс неизбежно приводит к повреждению мембран.
Это означает только одно: для гарантированной эффективной и долговременной работы EDI-ячеек следует использовать предва- рительную очистку исходной воды (желательно обратный осмос).
5.4.2
Требования к качеству обрабатываемой воды
Качество исходной воды перед электродеионизацией очень жестко регламентируется:

106
Показатель
Значение
Эквивалент электропроводности, включающий CO
2
и силикаты
< 40 мкСм/см
Источник воды питания
Пермеат обратного осмоса
Температура
5
– 45 о
С
Давление на входе
1,4
– 7 бар
Максимальное содержание хло- ра (Cl
2
)
<
0,02 мг/дм
3
Железо (Fe)
< 0,01 мг/дм
3
Марганец (Mn)
<
0,01 мг/дм
3
Сульфиды (S-)
<
0,01 мг/дм
3
pH
4 - 11
Жесткость (в расчете на CaCO
3
)
<
1,0 мг/дм
3
Растворенные органические со- единения (в расчете на С)
< 0,5 мг/дм
3
Силикаты (SiO
2
)
<
1,0 мг/дм
3
Удалению растворенного углекислого газа перед ЭДИ прида- ется очень большое значение, так как в ЭДИ он удаляется незначи- тельно, и в результате вносит в электропроводность полученной воды больший вклад, чем другие ионы. Содержание СО
2
не должно превышать 5 мг/л.
При нарушении качества исходной воды по солям происходит не только ухудшение состояния ячейки ЭДИ, но и резко снижается качество вырабатываемой воды, в этом отличие от ионного обмена, где кратковременное увеличение солесодержания исходной воды приводит лишь к снижению фильтроцикла.
В большинстве случаев наибольшая опасность отложения не- растворимых солей реализуется на анионообменной мембране со стороны камеры концентрата. Действительно, попадающие сюда

107 ионы Ca
2+
и Mg
2+
мигрируют к анионообменной мембране. Рядом с мембраной существует высокая концентрация ионов ОН
–
, движу- щихся через анионообменную мембрану к аноду, что увеличивает pH у поверхности мембраны, способствуя возникновению здесь идеальных условий для отложения нерастворимых солей. Соотно- шение пермеат/концентрат устанавливается таким образом, чтобы избежать образование карбоната кальция на анионообменных мем- бранах. Обычно EDI-системы эксплуатируются с эффективностью использования исходной воды 95%, т.е. 95% от исходной воды яв- ляется продуктом (пермеатом) и только 5% концентратом.
Модули электродеионизации имеют два основных варианта исполнения: в виде фильтр-пресса и рулонных элементов.
5.4
.3 Конструкции модулей электродеионизации
Плоскорамные аппараты наиболее широко распространены и хорошо себя зарекомендовали. В фильтр-прессных электродеиони- заторах непрерывного действия, например, серии E - CELL фирмы
«Osmonics» или серии LX фирмы «Ionpure» каждый модуль содер- жит состоит из С-каналов концентрата, D-каналов фильтрата и 2 приэлектродных E-каналов электролита. Каналы (камеры) разделе- ны плоскими катионообменными и анионообменными мембранами.

108
Принципиально другим вариантом исполнения ЭДИ-модулей являются рулонные элементы фирмы «Omexell», подразделения
«Dow Water Solutions». Такие элементы более компактны, герметич- ны, не содержат многочисленных прокладок.
Рулонный модуль представляет собой центральный катод, от- носительно небольшой площади, вокруг которого в виде спирали
(рулона) намотаны катионитная и анионитная мембраны, разделен- ные слоем смеси ионитов и сетчатыми разделительными проклад- ками. Анод размещен вокруг всего рулона.
Исходная вода поступает в модуль снизу и по спиральному в сечении D-каналу поднимается вертикально вверх через смесь ионообменных смол между двумя ионообменными мембранами.
Содержащихся в воде ионы солей сорбируются на смеси ионитов и вода обессоливается. На выходе из D-канала получается деионизо- ванная вода. Через элемент по радиусу пропускается постоянный

109 ток, расщепляющий некоторое количество молекул воды на ионы H
+
и OH
–
, которые непрерывно регенерируют ионообменную смолу.
Под действием электрического поля ионы солей, проходя через ионообменные мембраны, оказываются в спиральном С-канале, из которого они и удаляются через верхнюю часть центральной трубки потоком концентрата, который организуется путем вынужденной циркуляции специальным насосом. Поток, омывающий анод, выво- дится отдельно.
При выборе между плоскорамными и рулонными элементами следует учитывать следующие преимущества и недостатки рулон- ных и плоскорамных модулей:
-
Рулонный модуль надежно герметизирован с помощью верх- ней и нижней крышек, что устраняет проблемы с протечками, харак- терными для плоскорамных конструкций;
-
В отличие от плоскорамных систем EDI, рулонные модули не нуждаются в операциях затягивания гаек и болтов при установке и их подтягивания для предотвращения протечек в процессе эксплуа- тации;
-
Недостатком рулонных электродеионизационных модулей является наличие турбулизующей сетки, приводящей к резкому по- вышению гидравлического сопротивления межмембранного канала, что связано со значительным увеличением энергетических затрат.
Кроме того, для рулонных элементов существуют ограничения по максимальному расходу питающего раствора и минимальному рас- ходу концентрата. При работе вне этих пределов могут быть разру- шены мембраны, или на них образуются отложения. При увеличе- нии скорости потока воды выше указанного возникают нерасчетные продольные усилия в мембранном элементе, а уменьшение расхода концентрата означает и уменьшение тангенциальной скорости воды