Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 180
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
4
Диффузионные мембранные процессы (дегазация)
Мембранная дегазация - фазоинверсионный мембранный про- цесс освобождения жидкостей от растворѐнных газов за счѐт пере- носа через мембрану молекул газа.
Системы мембранной дегазации воды предназначены для снижения содержания практически всех растворенных в воде газов
— кислорода, углекислого газа, азота, метана, сероводорода, радо- на и т.д. Наиболее актуальны вопросы дегазации воды при созда- нии систем водоподготовки для паровых и водогрейных котлов, в пищевой промышленности, при получении особо чистой воды для микроэлектроники и медицины, в системах подготовки воды для производства льда.
Преимущества мембранных дегазаторов:
- модульный дизайн позволяет изменять производительность установок и степень извлечения газа как в меньшую, так и в боль- шую сторону в зависимости от потребностей;
- низкие эксплуатационные затраты;
- стабильно высокое и устойчивое качество водоподготовки;
- широкий диапазон расходов, большой модельный ряд;
- компактность и небольшой вес;
- простота монтажа и эксплуатации;
- отсутствие химических реагентов в процессе дегазации;
- отсутствие прямого контакта фаз (газа и жидкости) и связан- ных с этим проблем смешения и необходимости дальнейшего раз- деления;
- отсутствие проблемы загрязнения одной фазы другой;
- экологичность.
80
В зависимости от конкретной задачи (качество исходной воды, необходимый расход воды, требуемая глубина дегазации, наличие и стоимость энергоносителей на объекте, наличие и стоимость инертных газов и т.д.) возможны различные варианты организации процесса дегазации:
- с прокачкой газа-носителя (воздуха или азота, инертных га- зов) через контактор;
- с созданием вакуума внутри полых волокон;
- комбинированный вариант, когда с одной стороны в волокна подается газ, а с другой поддерживается вакуум с помощью водо- кольцевого вакуум-насоса.
Основой мембранных дегазаторов служат мембранные контак- торы — половолоконные модули с гидрофобными мембранами из полипропилена или полиолефина. Внутри мембранных волокон находится газовая фаза, а вода подается в межволоконное про- странство контакторов противотоком по отношению к газовой фазе.
Поток жидкости подается под более высоким давлением, чем газ. За счет своей гидрофобности мембрана остается непроницаемой для воды, а растворенные в воде газы, за счет разницы парциального давления, диффундируют из воды в газовую фазу.
4.1
Принцип действия мембранных контакторов
Принцип действия мембранных контакторов состоит в диффу- зионном переносе растворенных газов в поток инертного газа- носителя или вакуум через поры гидрофобной мембраны по гради- енту химического потенциала. Система газ – жидкость является двухфазной дисперсной системой. Жидкая и газообразная фазы от- делены друг от друга поверхностью раздела - гидрофобной мем- браной. Перенос компонента из одной фазы в другую обусловлен
81 разностью химических потенциалов это- го компонента в разных фазах. При от- сутствии равновесия между фазами в двухфазной среде возникает массопе- редача. Дегазация какого-либо газа осуществляется благодаря тому, что парциальное давление этого газа в воз- духе ( или десорбирующем газе, вакуу- ме) меньше равновесного, соответ- ствующего концентрации газа в обрабатываемой воде в соответ- ствии с законом Генри-Дальтона.
Мембрана в данном случае организует поверхность раздела фаз и играет роль барьера для воды (вода не проходит через мем- брану, т.к. она не смачивается) и позволяет развить большую меж- фазную поверхность. В этом отличие мембран дегазации от других мембран (ультрафильтрационных, обратноосмотических): в мем- бранах дегазатора отсутствует поток жидкости сквозь поры мембра- ны. Ультрапористые мембраны с размером пор 0,03–0,05 мкм изго- тавливаются из полимера, например, полипропилена, обладающего высокой гидрофобностью, которая позволяет изолировать поток во- ды от газовой фазы. Для наибольшей плотности упаковки мембран используются модули с половолоконными микропористыми мем- бранами.
4.2
Конструкция мембранного контактора
Конструктивно наиболее часто встречающийся мембранный контактор «Extra Flow» выглядит следующим образом:
82
При формировании модуля контактора производится связыва- ние волокон в «направленные листы», которые затем скручиваются вокруг перфорированного центрального коллектора. После того, как волокна оказываются, таким образом, «закрученными» вокруг кол- лектора, концы волокон зажимают, отрезают по длине и фиксируют в концевом картридже. Особая конструкция концевых картриджей и создает пучок волокон, располагающийся параллельно центральной распределительной трубе. Картридж затем вставляется в напорный корпус и производится герметизация каналов. Полученная таким образом конструкция по своему устройству аналогична кожухотруб- ному теплообменнику. Жидкая фаза (обрабатываемая вода) проте- кает в таком аппарате снаружи полых волокон («межтрубное про- странство»), а газовая фаза внутри микропористых полых волокон
(«трубное пространство»).
Ввод и вывод жидкости осуществляется в торцах мембранного модуля, а протекание жидкости в межволоконном пространстве ор- ганизовано радиально. Для этого в пучке мембранных волокон име- ется срединная перегородка и центральная перфорированная труба
83 разделена заглушкой пополам на распределяющую и собирающую части. Подаваемая в распределительную часть вода движется в направлении к периферии и, обогнув у стенки корпуса среднюю пе- регородку, направляется в собирающую половину, которая соеди- нена с патрубком вывода воды. Длина пути жидкости в результате равна двум радиусам контактора.
Площадь дегазации на единицу объема у мембранных дегаза- торов на порядок выше, чем у традиционных технологий, таких как насадочные колонны, вакуумные и термические деаэраторы. Увели- ченное соотношение площади и объема ведет к значительному уменьшению габаритов системы с таким же уровнем производи- тельности. Установки мембранной дегазации собираются из мем- бранных модулей, имеющих площадь мембран от 0,18 до 220 м
2
Производительность единичных модулей варьирует в пределах 30 л/ч – 90 м
3
/ч. Изменяя проток воды через модули и глубину вакуума
(или скорость продува инертным газом) можно регулировать оста- точную концентрацию растворенных газов в воде.
Контакторы могут соединяться по потоку воды как параллель- но – для увеличения производительности, так и последовательно – для повышения степени удаления газов. Реализованы схемы, где контакторы соединены последовательно – по дегазируемой воде и параллельно – по воздушной фазе; при этом воздух может прокачи- ваться только через ряд контакторов (как правило, первых по ходу движения воды), а в остальной части создается вакуум. Кроме того, модульное исполнение позволяет, при необходимости достаточно легко производить реконструкцию с увеличением мощности систе- мы.
84
Типичная схема декарбонизации (удаления углекислого газа):
4.3
Требования к рабочему газу и питающей воде
Для стабильной работы МД при использовании воздуха в каче- стве рабочего газа к нему предъявляют следующие требования:
- не должен содержать масла;
- температура воды и воздуха не должна превышать 30 °С;
- должен быть подвергнут фильтрации на фильтре с рейтингом
0,2 мкм (для общепромышленного применения 1,0 мкм).
Категорически запрещается использовать воздух при наличии свободного хлора в воде.
При использовании инертного газа в качестве рабочего тела:
- температура воды и газа не должна превышать 30 °С;
- должны быть удалены свободные хлор, озон и любые другие окисляющие вещества.
В этом случае допустимо использование воды, содержащей 1 мг/л свободного хлора. Для уменьшения окисления мембраны, необходимо поддерживать постоянный состав газа, особенно во время включения и выключения потока воды.
85
Если по какой-либо причине мембрана вышла из строя, вода может перетечь в газовую фазу мембраны. Это происходит потому, что давление жидкости всегда должно быть выше, чем у газовой фазы. Для предотвращения повреждения установки должен быть установлен датчик падения давления или расхода воды на выходе установки.
Так как водяной пар и другие летучие компоненты проходят через мембрану, продувочный газ насыщается водяными парами. В зависимости от температуры окружающей среды на выходе из газо- вой трубы может выделяться конденсат. Поэтому выходная труба должна иметь уклон по отношению к контактору,
чтобы отводить этот конденсат от контактора за пределы трубопровода.
4.4
Критерии применения установок дегазации
Так выглядит промышленная установка дегазации:
В системах приготовления деионизированной воды на финиш- ных операциях глубокого обессоливания с использованием как ион-
86 ного обмена на фильтрах смешанного действия, так и мембранного метода электродеионизации удаление растворенной в воде угле- кислоты является очень важной операцией.
В фильтрах смешанного действия наличие углекислоты резко снижает продолжительность фильтроцикла и качество получаемой воды. В установках электродеионизации концентрация углекислоты в питающей воде оказывает сильное влияние на электропровод- ность пермеата.
В связи с тем, что на мембранах обратного осмоса свободная углекислота практически не удаляется, необходима ее дегазация.
Необходимый способ дегазации выбирается на основе технико- экономического расчета. При высокой щелочности исходной воды целесообразней декарбонизацию проводить на мембранных дегаза- торах, а не химическим способом, т.к. при высоких дозировках едко- го натра возрастает нагрузка на электродеионизацию и стоимость обработки воды. Дегазатор может устанавливаться либо между двух ступеней обратного осмоса, либо непосредственно перед электро- деионизацией или ФСД.
При поступлении в дегазатор пермеата с установки обратного осмоса, содержащего около 25 мг/л CO
2
, на одной ступени дегаза- ции при достаточном расходе воздуха концентрация CO
2
может быть уменьшена до величины меньше 3 мг/л.
Если мембранный контактор размещается между предвари- тельной фильтрацией и системой обратного осмоса для удаления
CO
2
из воды, то при увеличении pH воды после прохождения воды через контактор (это происходит при удалении растворенного CO
2
из воды), нерастворенные вещества (коагулянты, соли жесткости) могут осаждаться на поверхности мембраны. Осадок будет препят- ствовать нормальному переносу газа через мембрану, и эффектив-
87 ность контактора при удалении газа будет снижена. Этот процесс обратим с помощью чистки контактора раствором кислоты, напри- мер, 3% раствором ортофосфорной кислоты.
Для предотвращения биологического загрязнения мембран при их простое необходимо либо заполнить систему азотом с газо- вой стороны и поддерживать давление азота 0,07 – 0,14 кгс/cм
2
в течение всего простоя, либо заполнить систему с водной стороны метабисульфитом натрия 2 г/л на весь период простоя.
5
Электромембранные процессы
Электромембранными в водоподготовке называются про-
цессы разделения, движущей силой которых является разность
электрических потенциалов, заставляющая ионы солей двигать-
ся к электродам и разделяться, проникая через специальные мем-
браны.
Обессоленная вода – дилюат (диллюат, диализат), получается на стороне подаваемого потока, а концентрат образуется с той сто- роны мембраны, куда переходят ионы. Этим электромембранные процессы принципиально отличаются от баромембранных (напри- мер, от обратного осмоса), в которых движущей силой процесса разделения является перепад давления, обессоленная вода полу- чается после ее прохождения через мембрану, а концентрат остает- ся на стороне подаваемого потока.
5.1
Свойства мембран применяемых в электромембран-
ных процессах
Из приведенного сравнения следует, что характер мембран, используемых в этих двух типах процессов, принципиально разли- чается. Мембраны для электромембранных процессов должны быть непроницаемыми для молекул воды и селективно пропускать или
88 катионы, или анионы солей. По этой причине такие мембраны назы- вают ионоселективными, ионитными или ионообменными.
Кроме химической устойчивости, механической прочности и стабильности размеров, мембраны должны обладать следующими качествами:
-
Высокой ионной селективностью, то есть быть ничтожно про- ницаемыми по отношению к ионам того же знака, что и фиксирован- ный ион мембраны. Селективность, выражаемая числом переноса противоиона в мембране, уменьшается с увеличением концентра- ции раствора, находящегося в контакте с мембраной;
-
Высокой электрической проводимостью в наиболее разбав- ленных растворах, получающихся в процессе обессоливания. Этот фактор влияет на омическое сопротивление электродиализной ячейки;
-
Ничтожной скоростью свободной диффузии электролита при разности концентраций, ожидаемой в процессе. Диффузия соли че- рез мембрану действует в сторону, противоположную электролити- ческому переносу ионов, который является целью процесса, поэто- му снижает эффективность. Свободная диффузия определяется разностью концентраций с двух сторон мембраны; когда эта раз- ность увеличивается, скорость диффузии повышается. На величину диффузии влияет селективность мембран: чем выше селективность, тем меньше относительное увеличение диффузии для данной раз- ности концентраций;
-
Низкой осмотической проницаемостью. Ионитовые мембраны проявляют аномальные осмотические свойства в системах электро- лита; наиболее простой эффект заключается в том, что в системе электролита они обладают ненормально высоким осмотическим по- током по сравнению с системой неэлектролита.
89
Выбор толщины ионитной мембраны является компромиссом между желанием ее уменьшить для понижения электросопротивле- ния и необходимостью обеспечения механической прочности и ста- бильности при неравномерном распределении гидравлического давления в камерах деминерализации и концентрирования.
Селективность ионообменных мембран, т.е. способность про- пускать ионы с зарядом одного знака, обусловлена наличием в них фиксированных ионогенных групп, электрическое поле которых пре- пятствует прохождению через мембрану ионов с зарядом того же знака, что и заряд иона, фиксированного в полимерной матрице мембраны.
Мембраны подразделяются по знаку пропускаемых ионов на катионитные (или катионитовые, катионообменные), анионитные
(или анионитовые, анионообменные) и биполярные, а по способу получения – на гетерогенные и гомогенные.
В гетерогенных мембранах отсутствует сплошная фаза ионо- обменного компонента; перенос ионов осуществляется через кон-
90 такты между частицами ионита или через раствор, присутствующий между частицами, или обусловлен двумя этими факторами. Гетеро- генные ионитные мембраны получают смешением тонкоизмельчен- ного ионита с пленкообразующим инертным неэлектропроводным связующим веществом (полиэтилен, полистирол, полипропилен, по- ливинилхлорид, каучук) с последующим каландрированием, или формованием смеси в тонкие пленки или листы, и запрессовывани- ем в них упрочняющих сеток из стойкого в кислотах и щелочах ис- кусственного волокна.
В гомогенной мембране ионообменный компонент образует сплошную фазу по всей структуре. Большинство гетерогенных мем- бран, которые обладают достаточной механической прочностью, обычно отличаются низкими электрохимическими параметрами. С другой стороны, мембраны, которые содержат достаточно крупные ионообменные частички, что значительно улучшает электрохимиче- ские свойства, проявляют низкую механическую прочность. Следо- вательно, гомогенные мембраны обычно более предпочтительны.
5.2
Классификация электромембранных процессов
Существует несколько основных электромембранных процес- сов, которые могут охватить широкий спектр задач, связанных с очисткой, выделением, получением, разделением различных ве- ществ:
Электродиализ. Это процесс переноса ионов через мембрану под действием электрического поля, приложенного к мембране.
Скорость переноса ионов может изменяться подбором соответству- ющей силы тока. Такой перенос может осуществляться против гра- диента концентрации.
Диффузионные мембранные процессы (дегазация)
Мембранная дегазация - фазоинверсионный мембранный про- цесс освобождения жидкостей от растворѐнных газов за счѐт пере- носа через мембрану молекул газа.
Системы мембранной дегазации воды предназначены для снижения содержания практически всех растворенных в воде газов
— кислорода, углекислого газа, азота, метана, сероводорода, радо- на и т.д. Наиболее актуальны вопросы дегазации воды при созда- нии систем водоподготовки для паровых и водогрейных котлов, в пищевой промышленности, при получении особо чистой воды для микроэлектроники и медицины, в системах подготовки воды для производства льда.
Преимущества мембранных дегазаторов:
- модульный дизайн позволяет изменять производительность установок и степень извлечения газа как в меньшую, так и в боль- шую сторону в зависимости от потребностей;
- низкие эксплуатационные затраты;
- стабильно высокое и устойчивое качество водоподготовки;
- широкий диапазон расходов, большой модельный ряд;
- компактность и небольшой вес;
- простота монтажа и эксплуатации;
- отсутствие химических реагентов в процессе дегазации;
- отсутствие прямого контакта фаз (газа и жидкости) и связан- ных с этим проблем смешения и необходимости дальнейшего раз- деления;
- отсутствие проблемы загрязнения одной фазы другой;
- экологичность.
80
В зависимости от конкретной задачи (качество исходной воды, необходимый расход воды, требуемая глубина дегазации, наличие и стоимость энергоносителей на объекте, наличие и стоимость инертных газов и т.д.) возможны различные варианты организации процесса дегазации:
- с прокачкой газа-носителя (воздуха или азота, инертных га- зов) через контактор;
- с созданием вакуума внутри полых волокон;
- комбинированный вариант, когда с одной стороны в волокна подается газ, а с другой поддерживается вакуум с помощью водо- кольцевого вакуум-насоса.
Основой мембранных дегазаторов служат мембранные контак- торы — половолоконные модули с гидрофобными мембранами из полипропилена или полиолефина. Внутри мембранных волокон находится газовая фаза, а вода подается в межволоконное про- странство контакторов противотоком по отношению к газовой фазе.
Поток жидкости подается под более высоким давлением, чем газ. За счет своей гидрофобности мембрана остается непроницаемой для воды, а растворенные в воде газы, за счет разницы парциального давления, диффундируют из воды в газовую фазу.
4.1
Принцип действия мембранных контакторов
Принцип действия мембранных контакторов состоит в диффу- зионном переносе растворенных газов в поток инертного газа- носителя или вакуум через поры гидрофобной мембраны по гради- енту химического потенциала. Система газ – жидкость является двухфазной дисперсной системой. Жидкая и газообразная фазы от- делены друг от друга поверхностью раздела - гидрофобной мем- браной. Перенос компонента из одной фазы в другую обусловлен
81 разностью химических потенциалов это- го компонента в разных фазах. При от- сутствии равновесия между фазами в двухфазной среде возникает массопе- редача. Дегазация какого-либо газа осуществляется благодаря тому, что парциальное давление этого газа в воз- духе ( или десорбирующем газе, вакуу- ме) меньше равновесного, соответ- ствующего концентрации газа в обрабатываемой воде в соответ- ствии с законом Генри-Дальтона.
Мембрана в данном случае организует поверхность раздела фаз и играет роль барьера для воды (вода не проходит через мем- брану, т.к. она не смачивается) и позволяет развить большую меж- фазную поверхность. В этом отличие мембран дегазации от других мембран (ультрафильтрационных, обратноосмотических): в мем- бранах дегазатора отсутствует поток жидкости сквозь поры мембра- ны. Ультрапористые мембраны с размером пор 0,03–0,05 мкм изго- тавливаются из полимера, например, полипропилена, обладающего высокой гидрофобностью, которая позволяет изолировать поток во- ды от газовой фазы. Для наибольшей плотности упаковки мембран используются модули с половолоконными микропористыми мем- бранами.
4.2
Конструкция мембранного контактора
Конструктивно наиболее часто встречающийся мембранный контактор «Extra Flow» выглядит следующим образом:
82
При формировании модуля контактора производится связыва- ние волокон в «направленные листы», которые затем скручиваются вокруг перфорированного центрального коллектора. После того, как волокна оказываются, таким образом, «закрученными» вокруг кол- лектора, концы волокон зажимают, отрезают по длине и фиксируют в концевом картридже. Особая конструкция концевых картриджей и создает пучок волокон, располагающийся параллельно центральной распределительной трубе. Картридж затем вставляется в напорный корпус и производится герметизация каналов. Полученная таким образом конструкция по своему устройству аналогична кожухотруб- ному теплообменнику. Жидкая фаза (обрабатываемая вода) проте- кает в таком аппарате снаружи полых волокон («межтрубное про- странство»), а газовая фаза внутри микропористых полых волокон
(«трубное пространство»).
Ввод и вывод жидкости осуществляется в торцах мембранного модуля, а протекание жидкости в межволоконном пространстве ор- ганизовано радиально. Для этого в пучке мембранных волокон име- ется срединная перегородка и центральная перфорированная труба
83 разделена заглушкой пополам на распределяющую и собирающую части. Подаваемая в распределительную часть вода движется в направлении к периферии и, обогнув у стенки корпуса среднюю пе- регородку, направляется в собирающую половину, которая соеди- нена с патрубком вывода воды. Длина пути жидкости в результате равна двум радиусам контактора.
Площадь дегазации на единицу объема у мембранных дегаза- торов на порядок выше, чем у традиционных технологий, таких как насадочные колонны, вакуумные и термические деаэраторы. Увели- ченное соотношение площади и объема ведет к значительному уменьшению габаритов системы с таким же уровнем производи- тельности. Установки мембранной дегазации собираются из мем- бранных модулей, имеющих площадь мембран от 0,18 до 220 м
2
Производительность единичных модулей варьирует в пределах 30 л/ч – 90 м
3
/ч. Изменяя проток воды через модули и глубину вакуума
(или скорость продува инертным газом) можно регулировать оста- точную концентрацию растворенных газов в воде.
Контакторы могут соединяться по потоку воды как параллель- но – для увеличения производительности, так и последовательно – для повышения степени удаления газов. Реализованы схемы, где контакторы соединены последовательно – по дегазируемой воде и параллельно – по воздушной фазе; при этом воздух может прокачи- ваться только через ряд контакторов (как правило, первых по ходу движения воды), а в остальной части создается вакуум. Кроме того, модульное исполнение позволяет, при необходимости достаточно легко производить реконструкцию с увеличением мощности систе- мы.
84
Типичная схема декарбонизации (удаления углекислого газа):
4.3
Требования к рабочему газу и питающей воде
Для стабильной работы МД при использовании воздуха в каче- стве рабочего газа к нему предъявляют следующие требования:
- не должен содержать масла;
- температура воды и воздуха не должна превышать 30 °С;
- должен быть подвергнут фильтрации на фильтре с рейтингом
0,2 мкм (для общепромышленного применения 1,0 мкм).
Категорически запрещается использовать воздух при наличии свободного хлора в воде.
При использовании инертного газа в качестве рабочего тела:
- температура воды и газа не должна превышать 30 °С;
- должны быть удалены свободные хлор, озон и любые другие окисляющие вещества.
В этом случае допустимо использование воды, содержащей 1 мг/л свободного хлора. Для уменьшения окисления мембраны, необходимо поддерживать постоянный состав газа, особенно во время включения и выключения потока воды.
85
Если по какой-либо причине мембрана вышла из строя, вода может перетечь в газовую фазу мембраны. Это происходит потому, что давление жидкости всегда должно быть выше, чем у газовой фазы. Для предотвращения повреждения установки должен быть установлен датчик падения давления или расхода воды на выходе установки.
Так как водяной пар и другие летучие компоненты проходят через мембрану, продувочный газ насыщается водяными парами. В зависимости от температуры окружающей среды на выходе из газо- вой трубы может выделяться конденсат. Поэтому выходная труба должна иметь уклон по отношению к контактору,
чтобы отводить этот конденсат от контактора за пределы трубопровода.
4.4
Критерии применения установок дегазации
Так выглядит промышленная установка дегазации:
В системах приготовления деионизированной воды на финиш- ных операциях глубокого обессоливания с использованием как ион-
86 ного обмена на фильтрах смешанного действия, так и мембранного метода электродеионизации удаление растворенной в воде угле- кислоты является очень важной операцией.
В фильтрах смешанного действия наличие углекислоты резко снижает продолжительность фильтроцикла и качество получаемой воды. В установках электродеионизации концентрация углекислоты в питающей воде оказывает сильное влияние на электропровод- ность пермеата.
В связи с тем, что на мембранах обратного осмоса свободная углекислота практически не удаляется, необходима ее дегазация.
Необходимый способ дегазации выбирается на основе технико- экономического расчета. При высокой щелочности исходной воды целесообразней декарбонизацию проводить на мембранных дегаза- торах, а не химическим способом, т.к. при высоких дозировках едко- го натра возрастает нагрузка на электродеионизацию и стоимость обработки воды. Дегазатор может устанавливаться либо между двух ступеней обратного осмоса, либо непосредственно перед электро- деионизацией или ФСД.
При поступлении в дегазатор пермеата с установки обратного осмоса, содержащего около 25 мг/л CO
2
, на одной ступени дегаза- ции при достаточном расходе воздуха концентрация CO
2
может быть уменьшена до величины меньше 3 мг/л.
Если мембранный контактор размещается между предвари- тельной фильтрацией и системой обратного осмоса для удаления
CO
2
из воды, то при увеличении pH воды после прохождения воды через контактор (это происходит при удалении растворенного CO
2
из воды), нерастворенные вещества (коагулянты, соли жесткости) могут осаждаться на поверхности мембраны. Осадок будет препят- ствовать нормальному переносу газа через мембрану, и эффектив-
87 ность контактора при удалении газа будет снижена. Этот процесс обратим с помощью чистки контактора раствором кислоты, напри- мер, 3% раствором ортофосфорной кислоты.
Для предотвращения биологического загрязнения мембран при их простое необходимо либо заполнить систему азотом с газо- вой стороны и поддерживать давление азота 0,07 – 0,14 кгс/cм
2
в течение всего простоя, либо заполнить систему с водной стороны метабисульфитом натрия 2 г/л на весь период простоя.
5
Электромембранные процессы
Электромембранными в водоподготовке называются про-
цессы разделения, движущей силой которых является разность
электрических потенциалов, заставляющая ионы солей двигать-
ся к электродам и разделяться, проникая через специальные мем-
браны.
Обессоленная вода – дилюат (диллюат, диализат), получается на стороне подаваемого потока, а концентрат образуется с той сто- роны мембраны, куда переходят ионы. Этим электромембранные процессы принципиально отличаются от баромембранных (напри- мер, от обратного осмоса), в которых движущей силой процесса разделения является перепад давления, обессоленная вода полу- чается после ее прохождения через мембрану, а концентрат остает- ся на стороне подаваемого потока.
5.1
Свойства мембран применяемых в электромембран-
ных процессах
Из приведенного сравнения следует, что характер мембран, используемых в этих двух типах процессов, принципиально разли- чается. Мембраны для электромембранных процессов должны быть непроницаемыми для молекул воды и селективно пропускать или
88 катионы, или анионы солей. По этой причине такие мембраны назы- вают ионоселективными, ионитными или ионообменными.
Кроме химической устойчивости, механической прочности и стабильности размеров, мембраны должны обладать следующими качествами:
-
Высокой ионной селективностью, то есть быть ничтожно про- ницаемыми по отношению к ионам того же знака, что и фиксирован- ный ион мембраны. Селективность, выражаемая числом переноса противоиона в мембране, уменьшается с увеличением концентра- ции раствора, находящегося в контакте с мембраной;
-
Высокой электрической проводимостью в наиболее разбав- ленных растворах, получающихся в процессе обессоливания. Этот фактор влияет на омическое сопротивление электродиализной ячейки;
-
Ничтожной скоростью свободной диффузии электролита при разности концентраций, ожидаемой в процессе. Диффузия соли че- рез мембрану действует в сторону, противоположную электролити- ческому переносу ионов, который является целью процесса, поэто- му снижает эффективность. Свободная диффузия определяется разностью концентраций с двух сторон мембраны; когда эта раз- ность увеличивается, скорость диффузии повышается. На величину диффузии влияет селективность мембран: чем выше селективность, тем меньше относительное увеличение диффузии для данной раз- ности концентраций;
-
Низкой осмотической проницаемостью. Ионитовые мембраны проявляют аномальные осмотические свойства в системах электро- лита; наиболее простой эффект заключается в том, что в системе электролита они обладают ненормально высоким осмотическим по- током по сравнению с системой неэлектролита.
89
Выбор толщины ионитной мембраны является компромиссом между желанием ее уменьшить для понижения электросопротивле- ния и необходимостью обеспечения механической прочности и ста- бильности при неравномерном распределении гидравлического давления в камерах деминерализации и концентрирования.
Селективность ионообменных мембран, т.е. способность про- пускать ионы с зарядом одного знака, обусловлена наличием в них фиксированных ионогенных групп, электрическое поле которых пре- пятствует прохождению через мембрану ионов с зарядом того же знака, что и заряд иона, фиксированного в полимерной матрице мембраны.
Мембраны подразделяются по знаку пропускаемых ионов на катионитные (или катионитовые, катионообменные), анионитные
(или анионитовые, анионообменные) и биполярные, а по способу получения – на гетерогенные и гомогенные.
В гетерогенных мембранах отсутствует сплошная фаза ионо- обменного компонента; перенос ионов осуществляется через кон-
90 такты между частицами ионита или через раствор, присутствующий между частицами, или обусловлен двумя этими факторами. Гетеро- генные ионитные мембраны получают смешением тонкоизмельчен- ного ионита с пленкообразующим инертным неэлектропроводным связующим веществом (полиэтилен, полистирол, полипропилен, по- ливинилхлорид, каучук) с последующим каландрированием, или формованием смеси в тонкие пленки или листы, и запрессовывани- ем в них упрочняющих сеток из стойкого в кислотах и щелочах ис- кусственного волокна.
В гомогенной мембране ионообменный компонент образует сплошную фазу по всей структуре. Большинство гетерогенных мем- бран, которые обладают достаточной механической прочностью, обычно отличаются низкими электрохимическими параметрами. С другой стороны, мембраны, которые содержат достаточно крупные ионообменные частички, что значительно улучшает электрохимиче- ские свойства, проявляют низкую механическую прочность. Следо- вательно, гомогенные мембраны обычно более предпочтительны.
5.2
Классификация электромембранных процессов
Существует несколько основных электромембранных процес- сов, которые могут охватить широкий спектр задач, связанных с очисткой, выделением, получением, разделением различных ве- ществ:
Электродиализ. Это процесс переноса ионов через мембрану под действием электрического поля, приложенного к мембране.
Скорость переноса ионов может изменяться подбором соответству- ющей силы тока. Такой перенос может осуществляться против гра- диента концентрации.