Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

91
Электродеионизация. Это процесс непрерывной деминерали- зации воды с использованием ионообменных смол, ионселективных мембран и постоянного электрического поля. Основной движущей силой процесса ЭДИ является разность потенциалов постоянного электрического поля по обе стороны мембранного канала, запол- ненного ионообменной смолой.
Электросорбция. Этот процесс похож на электродиализ, но не является непрерывным. Набор мембран для этого процесса состоит из ряда сплющенных мембранных мешков, причем одна сторона мешка проявляет ка- тионо-, а другая – анионообменные свой- ства. При подаче электрического тока кати- оны, содержащиеся в исходной воде, омы- вающей мешок, переходят в него через сторону, проявляющую катионообменные свойства, а анионы – через другую сторону. Раствор, находящийся с внешней стороны мешков, обедняется солями, а раствор внутри мешков концентрируется. Сконцентрированный раствор может быть затем удален из мембранных мешков путем изменения направления приложенного постоянного тока на противоположное. Здесь не тре- буется ни прокладок, ни коллекторов для растворов.
5.3
Электродиализ
Электродиализ является основополагающим электромембран- ным процессом и используется для решения самых различных за- дач:

92
Очистка неэлек- тролитов от ми- неральных при- месей
Очистка от солей растворов и водных смесей органических соединений и веществ:
- сывороток, аминокислот, витаминов, молока;
- сахара, патоки и полупродуктов их производства;
- соков, латексов, фотографических эмульсий, целлюлоз- ной пульпы, чѐрного щелока.
Деминерализация глицерина, органических кислот, мономе- ров, полупродуктов органического синтеза.
Очистка вод и водных раство- ров электроли- тов
Обессоливание растворов электролитов.
Деминерализация сточных вод (производств аммиачной се- литры, гальванических, травильных, бытовых).
Подготовка воды для теплоэнергетики.
Очистка радиоактивных сточных вод.
Концентрирова- ние растворов
Концентрирование сточных вод, содержащих ценные компо- ненты (редкие и драгоценные металлы для последующего их извлечения), растворов солей урана.
Конверсия сбросных карбонат-сульфатных растворов.
Концентрирование растворов электролитов перед выпаркой.
Концентрирование радиоактивных вод.
Процессы об- мена
Получение кислот и щелочей из солей, например, NaOH и муравьиной кислоты из формиата натрия; золя кремниевой кислоты из силиката натрия; бромисто-водородной кислоты из бромида аммония.
Регенерация кислот из кислых травильных растворов с по- мощью электродиализных установок.
Процессы фракциониро- вания
Отделение многовалентных катионов от одновалентных.
Разделение белковых гидролизатов на аминокислотные фракции; разделение аминокислот.
Изменение ионного состава жидкостей, например, соотноше- ния Са:Nа в молоке.
Электродиализом называется процесс удаления из раствора ионов растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные к этим ионам, в постоянном электри- ческом поле.
При наложении постоянного электрического поля на раствор диссоциировавших на ионы веществ
(электролитов) возникает направ- ленное движение ионов растворен- ных солей, а также ионов Н
+
и ОН
–
Причем катионы движутся к катоду,

93 а анионы – к аноду. Если раствор разделить парой специальных ионоселективных мембран и при этом катионитообменную мембра- ну расположить со стороны катода, а анионообменную – со стороны анода, катионы и анионы из межмембранного пространства будут уходить к электродам, а ионы из приэлектродных областей останут- ся там вследствие почти полной непроницаемости мембран для ионов другого знака. Вода в межмембранном пространстве будет обессоливаться, а у электродов концентрации ионов будут увеличи- ваться. Замыкание цепи электрического тока достигается за счет обмена электронами между электродами и раствором. Это приводит к выделению водорода вблизи катода и кислорода или хлора вблизи анода. Наработка Н
+
и ОН
–
ионов приводит к электрической нейтра- лизации подходящих к электродам ионов. Одновременно с этим происходит обогащение прианодного пространства кислотой, а при- катодного щелочью. Таким образом, из исходной воды получается три потока: обессоленная вода (дилюат), щелочной и кислый кон- центраты (католит и анолит).
Если между электродами расположить большое количество пар катионообменных и анионообменных мембран и организовать подачу в межмембранные пространства очищаемого раствора, то под действием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, смогут свободно проникать через катионообменные мем- браны К , но будут задерживаться анионообменными мембранами А
, а анионы, двигаясь к аноду, пройдут через анионооб-менные мем- браны А, но задержатся в катионообменными мембранами К. В ре- зультате этого из четного ряда камер ионы будут выведены в смеж- ный (нечетный) ряд камер, поэтому вода в четных камерах обессо- лится, а в нечетных произойдет концентрирование. Так осуществ- ляется разделение исходного раствора на обессоленную воду в

94 четных ячейках и концентрированные растворы – в нечетных ячей- ках, а также на католит и анолит в приэлектродных участках.
Главное преимущество процесса электродиализа с ионитовы- ми мембранами заключается в том, что все ионы, удаленные из ка- мер обессоливания, или диализата, не должны обязательно выде- ляться на электродах, а могут собираться в камеры концентрирова- ния, которые граничат со следующими камерами обессоливания.
Число камер, которые можно поместить между электродами в многокамерной ячейке, ограничено только инженерными соображе- ниями, такими, например, как максимально достижимое падение напряжения через ячейку, размеры аппаратов, прочность системы и гидродинамические факторы, связанные с равномерным распреде- лением жидкости по всем камерам и по поверхностям мембран.
Электродиализные аппараты конструируются по типу фильтр- пресса и включаются в схему водоприготовления последовательно или параллельно в зависимости от условий применения. Чередова- ние обессоливающих и рассольных камер обеспечивается рамками- прокладками из диэлектрика (паронит, полиэтилен и т.п.) толщиной
0,7
– 1,0 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассо- ла образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется с помощью торцевых плит. Внут- ри камер укладывается гофрированная сетка, которая дистанциони- рует мембраны и одновременно служит турбулизатором потока во- ды. Исходная вода, используемая в электродиализных установках, требует предварительной обработки с тем, чтобы свести к миниму- му возможность образования осадков в камерах из взвешенных ча- стиц, коллоидных частиц, шлама из твердой фазы CaCO
3
и Mg(OH)
2
Кроме того, из воды должны быть удалены ионы железа, марганца и органические вещества до концентраций не менее 50 мкг/дм
3
по

95 каждому, присутствие которых приводит к "отравлению" мембран, т.е. к снижению их электрической проводимости.
Схема многокамерного электродиализного аппарата:
1 - вода на промывку электродной камеры;
2 - анод;
3 - катод;
4 - вода на промывку рассольных камер;
5 - подача обрабатываемой воды;
6 - верхняя нажимная плита;
7 - сток из электродной камеры;
8 - катионитообменная мембрана;
9 - прокладка в камере обессоливания;
10 - анионитообменная мембрана;
11 - прокладка в рассольной камере;
12 - отвод обработанной воды;
13 - отвод рассола;
14 - нижняя плита

96
Промышленная электродиализная установка:

97
SINGLE (ONE) PASS (Однопроходный режим): применим на станциях очистки воды для систем большой производительности.
Характерное содержание солей во входящей воде для обработки в данном режиме за один проход - до 4 г/л. Поступающая вода прохо- дит через установку электродиализа только один раз.
Наложение электрического поля приводит к трудностям, свя- занным с реакциями на электродах, то есть с образованием щелочи около катода и кислоты у анода. В присутствии хлоридов на аноде образуется также хлор. В связи с этим должны быть предприняты специальные меры для удаления из аппарата жидкости, содержа- щей эти вещества. В некоторых случаях растворы из электродных камер могут вновь возвращаться в процесс (с контролем рН или без него).
Реверсивный электродиализ – тот же самый процесс, с изме- нением полярности постоянного тока через определенные периоды времени. При этом для обеспечения процесса деминерализации происходит смена гидравлических потоков: диллюат становится концентратом, а концентрат – диллюатом. Изменение полярности предотвращает отложение осадка на поверхности мембраны и тем самым позволяет продлить срок эксплуатации оборудования, ис- ключая необходимость применения специальной химической очист- ки мембран.
За ходом электродиализа следят, измеряя электропровод- ность получаемого в результате электродиализа раствора (дил- люата) или концентрацию в нем электролитов.
5.3.2
Предотвращение образования отложений на мембра-
нах электродиализа
Существуют определенные требования, направленные на борьбу с отложениями на мембранах:

98
- конфигурация прокладок не должна иметь застойных зон;
- скорость потока воды в камерах не должна быть меньше определенной критической величины;
- необходимо использовать мембраны со специальными свой- ствами, у которых усилен «эффект отталкивания» отложений;
- необходимо использовать химические и физические воздей- ствия, блокирующие рост отложений;
- потоки воды, поступающие в электродиализные аппараты, могут тем или иным способом подкисляться, что практически исклю- чает возможность образования отложений.
Химическая мойка аппаратов
Промывка электромембранных аппаратов может быть непре- рывная и периодическая.
Периодическая промывка.
Для обеспечения надежности работы электродиализных уста- новок должна быть организована промывка электродиализных ап- паратов 8%-ным раствором соляной кислоты и 10%-ным раствором поваренной соли 1 раз в месяц. Продолжительность процесса – 2-3 ч. Все электродиализные аппараты еженедельно прозваниваются с помощью ручного вольтметра – измеряется падение напряжения на
«мембранную секцию» толщиной 25 мм. Увеличение падения напряжения свидетельствует о местном повышении сопротивления
(перегревания) вследствие накопления солевых отложений. Во из- бежание повреждения мембран выделяющимся теплом аппарат промывается внеочередно соляной кислотой.
При эксплуатации электродиализной установки можно приме- нить следующую схему промывки: - выполнять реверс полярности и электрического тока каждые 4 часа. В промежутке (через 2 часа) электродиализаторы в течение 5-7 минут промывать 10%-ным рас-

99 твором соляной кислоты. При большой жесткости и относительно высокой солености эта технология недостаточно эффективна.
Периодическая промывка, как правило, не в состоянии предот- вратить образование отложений на анионообменных мембранах (по крайней мере, на стирол-дивинилбензольной основе). Без подобных промывок отложения образуются всегда – мембраны «устают». А высокая жесткость и наличие карбонатов приводят к тому, что отло- жения приобретают специфический характер, твердеют, раствори- мость их падает. Даже циркуляция в течение суток 5%-ного раство- ра соляной кислоты иногда не в состоянии полностью удалить оса- док с мембран. В этом случае его механически счищают нейлоно- выми (либо другими) щетками в растворе соляной кислоты. Подоб- ный прием, как правило, не ухудшает качества мембран, однако он требует значительных трудозатрат. Для такой воды более эффек- тивна постоянная подача кислоты.
Непрерывная промывка
Подача кислоты в тракт концентрирования – наиболее дей- ственный прием, но при этом велик расход кислоты.
Ионы ОН-, мигрирующие через анионообменную мембрану, образуют в тракте концентрирования у поверхности мембраны тон- кую пленку (слой), концентрация гидроксил-ионов в котором всегда больше, чем в объеме камеры, поэтому вводимой кислоты должно быть достаточно, чтобы нейтрализовать именно близлежащий гид- ратный слой и тем самым предотвратить образование отложений на мембране. Очевидно, что при этом в рассольных трактах должна быть избыточная концентрация ионов водорода.
Избыток кислоты нежелателен, поэтому при ее дозировке ру- ководствуются соображениями достаточности (рН и экономика).