Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 441
Скачиваний: 17
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.3.5. ЭВАПОРАЦИЯ
Очистка сточных вод путем эвапорации состоит в том, что летучие вещества отгоняются с водяным паром.
Перегонку производят в периодически действующих ап- паратах или непрерывно действующих дистилляционных ко- лоннах. Принципиальная схема пароотгонной колонны пока- зана на рис. 2.27.
Рис.2.27. Испарительная установка
При протекании навстречу острому пару через эвапора- нионную колонну 1 с насадкой 4 сточная жидкость нагревает- ся до 100°С. Находящиеся в ней летучие примеси, переходят в парообразную фазу и удаляются вместе с паром. Пар, про- шедший эвапорационную колонну, подается в поглотитель- ную колонну 2, где происходит удаление захваченных им из сточной воды веществ. Например, фенол удаляют из пара, пропуская пар через нагретый до 100°С раствор щелочи. Ще-
Очищенная
вода
Насыщенный
растворитель
Растворитель для
очистки пара
124 лочь переводит фенол в фенолят С
6
Н
5
ОNa, нелетучий с водя- ным паром:
C
6
H
5
OH + NaOH → C
6
H
5
ONa+Н
2
О
Пар, прошедший поглотительную колонну, при помощи вентилятора 3снова подается в эвапорационную колонну, за- вершая этим цикл.
2.3.6. ОБРАТНЫЙ ОСМОС
Явление осмоса наблюдается при соприкосновении двух растворов различной концентрации, разделенных полупрони- цаемой перегородкой (мембраной), пропускающей молекулы растворителя, но задерживающей молекулы растворенного вещества. «Свободные» молекулы растворителя проникают в более концентрированный раствор, увеличивая свою концен- трацию в нем.
Уменьшение количества свободных молекул растворите- ля в растворе обусловливает явление осмоса и уменьшение упругости пара растворителя над раствором (по отношению к чистому растворителю) (рис.2.28).
Рис. 2.28. Осмос
125
Следовательно, осмос обусловлен стремлением молекул растворителя выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны. Осмос количественно характеризуется осмотиче- ским давлением. Осмотическое давление P
о равно тому внеш- нему гидростатическому давлению Р
г
, которое необходимо приложить к системе для того, чтобы осмос прекратился. Если же над раствором создать избыточное давление Р
изб
, превы- шающее осмотическое давление P
о на величину Δp, то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.
В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеаль- но чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сто- рону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традицион- ных методов фильтрации, основанных на фильтрации механи- ческих частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активи- рованного угля.
На практике, мембрана не полностью задерживает рас- творенные в воде вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах. Поэтому очищенная вода все-таки содержит незначительное количество растворенных веществ. Важно, что повышение давления на входе не приво- дит к росту содержания солей в воде после мембраны. Наобо- рот, большее давление воды не только увеличивает произво- дительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Дру- гими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить.
В процессе очищения воды концентрация солей со сторо- ны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембра- ны создается принудительный поток воды, смывающий «рас- сол» в дренаж.
Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда
126 факторов. Давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы систем обратного ос- моса.
Обратный осмос принципиально отличается от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок от- кладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Рис.2.29. Схема установки обратного осмоса
Обратный осмос (рис. 2.29) – более экономичный процесс для повышения концентраций пищевых жидкостей, например фруктовых соков, чем термические процессы. Преимущество заключаются в низкой стоимости эксплуатации и возможности избежать термической обработки, что делает процесс пригод- ным для термочувствительных веществ, таких как белки и ферменты, в большинстве пищевых продуктов. Обратный ос-
127 мос широко используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и для концен- трации молока – уменьшаются транспортные расходы.
Главной особенностью фильтров, в которых используется технология обратного осмоса, является практически полная стерилизация воды. Через фильтр проходит молекула воды
(размер 0,3 нм), но не проходит большая часть химических примесей и включений биологического происхождения, в ча- стности микроорганизмов и вирусов (размеры от 20 до
500 нм).
Достоинства метода: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простая конструкция аппа- ратуры. Недостатки метода: явление концентрационной поля- ризации, т.е. рост концентрации растворенного вещества у по- верхности мембраны, что приводит к снижению производи- тельности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран; проведение процесса при повышенных дав- лениях, образование концентрированных рассолов.
2.3.7. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Для очистки сточных вод от различных растворимых примесей применяются процессы анодного окисления и ка- тодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуля- ции и электродиализа. Все эти процессы протекают на элек- тродах при прохождении через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить перио- дически или непрерывно.
128
При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, по- ляризация частиц, электрофорез, окислительно- восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.
Эффективность электрохимических методов оценивается плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.
Анодное окисление и катодное восстановление. В элек- тролизере на положительном электроде – аноде ионы отдают электроны, т.е. протекает реакция электрохимического окис- ления; на отрицательном электроде – катоде происходит при- соединение электронов, т.е. протекает реакция восстановле- ния.
Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, аминов, спиртов, альдеги- дов, нитросоединений, сульфидов, меркаптанов). В процессах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточной воде, полностью распадаются с образованием CO
2
,
NH
3
и воды или образуются более простые и нетоксичные ве- щества, которые можно удалять другими методами.
В качестве анодов используют электрохимически нерас- творимые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу.
Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, из графита, нержавеющей стали и дру- гих металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без нее.
Электродиализ – процесс мембранного разделения, в ко- тором ионы растворенного вещества переносятся через мем- брану под действием электрического поля.
Раствор для разделения помещают в сосуд, разделенный перегородками из полупроницаемых мембран. Мембраны сво- бодно пропускают раствор и задерживают ионы электролита.
129
Используются два вида мембран: одни задерживают катионы, другие – анионы. Эти мембраны расположены поочередно и разделяют общий объем на множество полостей. Через ванну с раствором пропускают постоянный электрический ток, кото- рый приводит ионы растворенных солей в движение. Проти- воположно заряженные ионы движутся в противоположные стороны, но из-за того, что ванна заполнена препятствующими движению ионов мембранами, ионы задерживаются на бли- жайшей мембране, соответствующей их заряду, и остаются в полости между двумя мембранами. В многокамерном электро- диализаторе чередуется большое число (до нескольких сотен) катионообменных и анионообменных мембран, расположен- ных между двумя электродами. На электродах протекает про- цесс электролиза. В многокамерном аппарате неизбежные не- производительные затраты электроэнергии, обусловленные этим процессом, распределяются на большое число камер. По- этому в расчете на единицу продукции эти затраты сводятся к минимуму.
Ионообменные мембраны, применяемые для электродиа- лиза, должны иметь высокую электропроводность и высокую проницаемость для ионов. Кроме того, они должны обладать высокой селективностью, умеренной степенью набухания и достаточной механической прочностью. Как правило, элек- трическое сопротивление на единицу поверхности ионооб- менной мембраны находится в пределах от 2 Ом/см
2
до
10 Ом/см
2
В растворе у поверхности мембраны всегда возникает концентрационная поляризация. При электродиализе концен- трационная поляризация проявляется в большей степени, чем при баромембранных процессах. Рассмотрим явление концен- трационной поляризации у поверхности катионообменной мембраны. При наложении движущей силы – разности потен- циалов – катионы будут перемещаться по направлению к ка- тоду. В процессе мембранного электролиза числа переноса ионов в мембранах существенно превосходят числа переноса ионов в растворе, поэтому поток катионов через мембрану,
130 обусловленный разностью потенциалов, превосходит анало- гичный поток в растворе. В результате концентрация катионов со стороны катода вблизи поверхности мембраны будет уве- личиваться, а со стороны анода – уменьшаться. Это будет про- исходить до тех пор, пока в растворе со стороны катода и со стороны анода не установятся такие градиенты концентраций, при которых поток катионов в растворе за счет диффузии и за счет разности потенциалов не станет равным потоку катионов через мембрану. Таким образом, у поверхности мембраны концентрация катионов увеличивается со стороны концентри- рованного раствора и уменьшается со стороны разбавленного раствора. Снижение концентрации со стороны разбавленного раствора ограничивает плотность электрического тока, кото- рый может быть использован при электродиализе.
Процесс электродиализа реже применяется в промыш- ленности, чем процессы обратного осмоса и ультрафильтра- ции, так как применяя электродиализ возможно удалять из раствора только ионы. Наиболее широко электродиализные установки применяются для опреснения морской воды при получении питьевой и/или технической воды. Но чаще про- цесс электродиализа применяют для очистки воды, содержа- ние растворенных солей в которой составляет примерно 10 г/л.
В этом случае процесс электродиализа является более деше- вым по сравнению с обратным осмосом или выпариванием.
Важное направление использования электродиализных установок – очистка сточных вод. Электродиализ применяется для обессоливания сточных вод гальванического производств
(гальванических стоков). Также мембранный электролиз ис- пользуется для концентрирования сточных вод, содержащих ценные компоненты (например, драгоценные металлы), перед последующим извлечением этих компонентов. По сравнению с обратным осмосом электродиализ имеет то преимущество, что позволяет использовать термически и химически более стойкие мембраны, поэтому процесс электродиализа может осуществляться при повышенных температурах, а также при очень малых или наоборот больших значениях pH раствора.
131
Ограничением в применении электродиализа для очистки сто- ков гальванического производства является невозможность удалить незаряженные компоненты, которые также присутст- вуют в сточных водах.
2.3.8. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМИ
ЛУЧАМИ
Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей связы- вается с воздействием их на протоплазму и ферменты микроб- ных клеток, что вызывает их гибель. Наибольшим воздействи- ем на бактерии обладают лучи с длинами волн от 2000 до
2950 Å(эта область ультрафиолетовых лучей так и называется бактерицидной).
Ультрафиолетовые лучи оказывают губительное воздей- ствие на вегетативные формы бактерий, на споровые, на про- стейшие и на вирусы.
Эффективность этого метода обеззараживания воды зави- сит от количества поданной бактерицидной энергии, от нали- чия взвеси, от количества микроорганизмов и их морфологи- ческих и физиологических особенностей и от оптической плотности воды, или ее поглощающей способности.
В процессе отмирания бактерий под действием бактери- цидной энергии важное значение имеет степень сопротивляе- мости их действию лучей, которая неодинакова, для различ- ных видов. Критерием для сравнения сопротивляемости явля- ется количество бактерицидной энергии, необходимое для прекращения жизнедеятельности бактерий до заданной степе- ни обеззараживания. Степень обеззараживания рассчитывает- ся из отношения конечного количества бактерий Р к началь- ному Р
0
в единице объема: Р/Р
0
Сфизиологической точки зрения различают три дозы ультрафиолетовых лучей:
1. не вызывающая гибель бактерий;
2. минимальная бактерицидная доза, убивающая боль- шую часть данного вида бактерий;
132 3. полная бактерицидная доза, убивающая все бактерии данного вида.
Минимальная бактерицидная (суббактерицидная) доза ультрафиолетовых лучей стимулирует рост и размножение тех бактериальных особей, которые без подобного облучения ос- тались бы в состоянии покоя. Более длительные сроки облуче- ния вызывают гибель бактерий.
Исследованиями установлено, что коэффициент бактери- цидного поглощения особенно возрастает с увеличением цветности воды, содержания железа (II) и взвешенных веществ
(даже в малых количествах, до 9 мг/л), в меньшей степени он изменяется от содержания в воде солей кальция и магния в концентрациях до 21 мг-экв/л.
Зная коэффициент поглощения природных вод, можно уточнить максимально допустимую толщину слоя воды, под- лежащей обеззараживанию облучением.
Источником ультрафиолетовых лучей служат ртутные лампы, изготовленные из кварцевого или увиолевого стекла.
Лампы имеют форму трубки диаметром 15-20 см с оксидными электродами на концах. Под действием электрического тока ртутные пары дают яркий зеленовато-белый свет, богатый ультрафиолетовыми лучами.
Применяются также ртутно-кварцевые лампы высокого давления (400-800 мм рт.ст.) и аргоно-ртутные лампы низкого давления (3-4 мм рт.ст.) Лампы высокого давления дают отно- сительно небольшой бактерицидный эффект, который компен- сируется их мощностью (1000 Вт). Лампы низкого давления обладают примерно в два раза большим бактерицидным эф- фектом, чем лампы высокого давления, но их электрическая мощность не превышает 30 Вт, что позволяет применять их только в небольших установках.
Обеззараживание воды поверхностных источников ульт- рафиолетовыми лучами следует производить после всех ста- дий ее обработки, чтобы она содержала как можно меньше различных примесей, повышающих величину коэффициента поглощения.
133
Вода, обезвреженная этим методом, не изменяет ни физи- ческих, ни химических свойств. Вкусовые качества воды ос- таются неизменными. Недостатком этого метода является вы- сокая стоимость его и возможность последующего заражения воды.
2.3.9. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ
ВОЛНАМИ
Упругие колебания с частотами, превышающими
20000 Гц, не воспринимаемые нашими органами слуха, приня- то называть ультразвуковыми.
Ультразвуковые колебания в технике получают пьезо- электрическим и магнитострикционным методами. Первый метод основан на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектри- ческий эффект заключается в том, что кристаллы некоторых веществ при внесении их в электрическое поле испытывают механическую деформацию и становятся источниками ультра- звука.
Для получения ультразвуковых колебаний применяются кристаллы кварца (пьезокварц). Кварцевые пластинки одина- ковой толщины, вырезанные определенным образом из кри- сталлов, пришлифовываются друг к другу в виде мозаики и вклеиваются между двумя толстыми стальными плитами, к которым подведен переменный электрический ток. Система служит мощным источником ультразвука.
Второй метод основан на явлении магнитострикции. Это процесс намагничивания ферромагнитных тел, сопровождаю- щийся изменением их линейных размеров и объема. Величина и знак эффекта зависят от напряженности магнитного поля и от угла, который составляет направление поля с осью кристал- ла (в случае монокристаллических тел). Практика показала, что первый метод эффективнее второго.
Под влиянием ультразвуковых волн гибнут животные и растительные клетки, простейшие и микроорганизмы. Эффект разрушения зависит от интенсивности ультразвуковых волн и
Очистка сточных вод путем эвапорации состоит в том, что летучие вещества отгоняются с водяным паром.
Перегонку производят в периодически действующих ап- паратах или непрерывно действующих дистилляционных ко- лоннах. Принципиальная схема пароотгонной колонны пока- зана на рис. 2.27.
Рис.2.27. Испарительная установка
При протекании навстречу острому пару через эвапора- нионную колонну 1 с насадкой 4 сточная жидкость нагревает- ся до 100°С. Находящиеся в ней летучие примеси, переходят в парообразную фазу и удаляются вместе с паром. Пар, про- шедший эвапорационную колонну, подается в поглотитель- ную колонну 2, где происходит удаление захваченных им из сточной воды веществ. Например, фенол удаляют из пара, пропуская пар через нагретый до 100°С раствор щелочи. Ще-
Очищенная
вода
Насыщенный
растворитель
Растворитель для
очистки пара
124 лочь переводит фенол в фенолят С
6
Н
5
ОNa, нелетучий с водя- ным паром:
C
6
H
5
OH + NaOH → C
6
H
5
ONa+Н
2
О
Пар, прошедший поглотительную колонну, при помощи вентилятора 3снова подается в эвапорационную колонну, за- вершая этим цикл.
2.3.6. ОБРАТНЫЙ ОСМОС
Явление осмоса наблюдается при соприкосновении двух растворов различной концентрации, разделенных полупрони- цаемой перегородкой (мембраной), пропускающей молекулы растворителя, но задерживающей молекулы растворенного вещества. «Свободные» молекулы растворителя проникают в более концентрированный раствор, увеличивая свою концен- трацию в нем.
Уменьшение количества свободных молекул растворите- ля в растворе обусловливает явление осмоса и уменьшение упругости пара растворителя над раствором (по отношению к чистому растворителю) (рис.2.28).
Рис. 2.28. Осмос
125
Следовательно, осмос обусловлен стремлением молекул растворителя выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны. Осмос количественно характеризуется осмотиче- ским давлением. Осмотическое давление P
о равно тому внеш- нему гидростатическому давлению Р
г
, которое необходимо приложить к системе для того, чтобы осмос прекратился. Если же над раствором создать избыточное давление Р
изб
, превы- шающее осмотическое давление P
о на величину Δp, то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.
В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеаль- но чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сто- рону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традицион- ных методов фильтрации, основанных на фильтрации механи- ческих частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активи- рованного угля.
На практике, мембрана не полностью задерживает рас- творенные в воде вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах. Поэтому очищенная вода все-таки содержит незначительное количество растворенных веществ. Важно, что повышение давления на входе не приво- дит к росту содержания солей в воде после мембраны. Наобо- рот, большее давление воды не только увеличивает произво- дительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Дру- гими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить.
В процессе очищения воды концентрация солей со сторо- ны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембра- ны создается принудительный поток воды, смывающий «рас- сол» в дренаж.
Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда
126 факторов. Давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы систем обратного ос- моса.
Обратный осмос принципиально отличается от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок от- кладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Рис.2.29. Схема установки обратного осмоса
Обратный осмос (рис. 2.29) – более экономичный процесс для повышения концентраций пищевых жидкостей, например фруктовых соков, чем термические процессы. Преимущество заключаются в низкой стоимости эксплуатации и возможности избежать термической обработки, что делает процесс пригод- ным для термочувствительных веществ, таких как белки и ферменты, в большинстве пищевых продуктов. Обратный ос-
127 мос широко используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и для концен- трации молока – уменьшаются транспортные расходы.
Главной особенностью фильтров, в которых используется технология обратного осмоса, является практически полная стерилизация воды. Через фильтр проходит молекула воды
(размер 0,3 нм), но не проходит большая часть химических примесей и включений биологического происхождения, в ча- стности микроорганизмов и вирусов (размеры от 20 до
500 нм).
Достоинства метода: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простая конструкция аппа- ратуры. Недостатки метода: явление концентрационной поля- ризации, т.е. рост концентрации растворенного вещества у по- верхности мембраны, что приводит к снижению производи- тельности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран; проведение процесса при повышенных дав- лениях, образование концентрированных рассолов.
2.3.7. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Для очистки сточных вод от различных растворимых примесей применяются процессы анодного окисления и ка- тодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуля- ции и электродиализа. Все эти процессы протекают на элек- тродах при прохождении через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить перио- дически или непрерывно.
128
При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, по- ляризация частиц, электрофорез, окислительно- восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.
Эффективность электрохимических методов оценивается плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.
Анодное окисление и катодное восстановление. В элек- тролизере на положительном электроде – аноде ионы отдают электроны, т.е. протекает реакция электрохимического окис- ления; на отрицательном электроде – катоде происходит при- соединение электронов, т.е. протекает реакция восстановле- ния.
Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, аминов, спиртов, альдеги- дов, нитросоединений, сульфидов, меркаптанов). В процессах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточной воде, полностью распадаются с образованием CO
2
,
NH
3
и воды или образуются более простые и нетоксичные ве- щества, которые можно удалять другими методами.
В качестве анодов используют электрохимически нерас- творимые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу.
Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, из графита, нержавеющей стали и дру- гих металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без нее.
Электродиализ – процесс мембранного разделения, в ко- тором ионы растворенного вещества переносятся через мем- брану под действием электрического поля.
Раствор для разделения помещают в сосуд, разделенный перегородками из полупроницаемых мембран. Мембраны сво- бодно пропускают раствор и задерживают ионы электролита.
129
Используются два вида мембран: одни задерживают катионы, другие – анионы. Эти мембраны расположены поочередно и разделяют общий объем на множество полостей. Через ванну с раствором пропускают постоянный электрический ток, кото- рый приводит ионы растворенных солей в движение. Проти- воположно заряженные ионы движутся в противоположные стороны, но из-за того, что ванна заполнена препятствующими движению ионов мембранами, ионы задерживаются на бли- жайшей мембране, соответствующей их заряду, и остаются в полости между двумя мембранами. В многокамерном электро- диализаторе чередуется большое число (до нескольких сотен) катионообменных и анионообменных мембран, расположен- ных между двумя электродами. На электродах протекает про- цесс электролиза. В многокамерном аппарате неизбежные не- производительные затраты электроэнергии, обусловленные этим процессом, распределяются на большое число камер. По- этому в расчете на единицу продукции эти затраты сводятся к минимуму.
Ионообменные мембраны, применяемые для электродиа- лиза, должны иметь высокую электропроводность и высокую проницаемость для ионов. Кроме того, они должны обладать высокой селективностью, умеренной степенью набухания и достаточной механической прочностью. Как правило, элек- трическое сопротивление на единицу поверхности ионооб- менной мембраны находится в пределах от 2 Ом/см
2
до
10 Ом/см
2
В растворе у поверхности мембраны всегда возникает концентрационная поляризация. При электродиализе концен- трационная поляризация проявляется в большей степени, чем при баромембранных процессах. Рассмотрим явление концен- трационной поляризации у поверхности катионообменной мембраны. При наложении движущей силы – разности потен- циалов – катионы будут перемещаться по направлению к ка- тоду. В процессе мембранного электролиза числа переноса ионов в мембранах существенно превосходят числа переноса ионов в растворе, поэтому поток катионов через мембрану,
130 обусловленный разностью потенциалов, превосходит анало- гичный поток в растворе. В результате концентрация катионов со стороны катода вблизи поверхности мембраны будет уве- личиваться, а со стороны анода – уменьшаться. Это будет про- исходить до тех пор, пока в растворе со стороны катода и со стороны анода не установятся такие градиенты концентраций, при которых поток катионов в растворе за счет диффузии и за счет разности потенциалов не станет равным потоку катионов через мембрану. Таким образом, у поверхности мембраны концентрация катионов увеличивается со стороны концентри- рованного раствора и уменьшается со стороны разбавленного раствора. Снижение концентрации со стороны разбавленного раствора ограничивает плотность электрического тока, кото- рый может быть использован при электродиализе.
Процесс электродиализа реже применяется в промыш- ленности, чем процессы обратного осмоса и ультрафильтра- ции, так как применяя электродиализ возможно удалять из раствора только ионы. Наиболее широко электродиализные установки применяются для опреснения морской воды при получении питьевой и/или технической воды. Но чаще про- цесс электродиализа применяют для очистки воды, содержа- ние растворенных солей в которой составляет примерно 10 г/л.
В этом случае процесс электродиализа является более деше- вым по сравнению с обратным осмосом или выпариванием.
Важное направление использования электродиализных установок – очистка сточных вод. Электродиализ применяется для обессоливания сточных вод гальванического производств
(гальванических стоков). Также мембранный электролиз ис- пользуется для концентрирования сточных вод, содержащих ценные компоненты (например, драгоценные металлы), перед последующим извлечением этих компонентов. По сравнению с обратным осмосом электродиализ имеет то преимущество, что позволяет использовать термически и химически более стойкие мембраны, поэтому процесс электродиализа может осуществляться при повышенных температурах, а также при очень малых или наоборот больших значениях pH раствора.
131
Ограничением в применении электродиализа для очистки сто- ков гальванического производства является невозможность удалить незаряженные компоненты, которые также присутст- вуют в сточных водах.
2.3.8. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМИ
ЛУЧАМИ
Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей связы- вается с воздействием их на протоплазму и ферменты микроб- ных клеток, что вызывает их гибель. Наибольшим воздействи- ем на бактерии обладают лучи с длинами волн от 2000 до
2950 Å(эта область ультрафиолетовых лучей так и называется бактерицидной).
Ультрафиолетовые лучи оказывают губительное воздей- ствие на вегетативные формы бактерий, на споровые, на про- стейшие и на вирусы.
Эффективность этого метода обеззараживания воды зави- сит от количества поданной бактерицидной энергии, от нали- чия взвеси, от количества микроорганизмов и их морфологи- ческих и физиологических особенностей и от оптической плотности воды, или ее поглощающей способности.
В процессе отмирания бактерий под действием бактери- цидной энергии важное значение имеет степень сопротивляе- мости их действию лучей, которая неодинакова, для различ- ных видов. Критерием для сравнения сопротивляемости явля- ется количество бактерицидной энергии, необходимое для прекращения жизнедеятельности бактерий до заданной степе- ни обеззараживания. Степень обеззараживания рассчитывает- ся из отношения конечного количества бактерий Р к началь- ному Р
0
в единице объема: Р/Р
0
Сфизиологической точки зрения различают три дозы ультрафиолетовых лучей:
1. не вызывающая гибель бактерий;
2. минимальная бактерицидная доза, убивающая боль- шую часть данного вида бактерий;
132 3. полная бактерицидная доза, убивающая все бактерии данного вида.
Минимальная бактерицидная (суббактерицидная) доза ультрафиолетовых лучей стимулирует рост и размножение тех бактериальных особей, которые без подобного облучения ос- тались бы в состоянии покоя. Более длительные сроки облуче- ния вызывают гибель бактерий.
Исследованиями установлено, что коэффициент бактери- цидного поглощения особенно возрастает с увеличением цветности воды, содержания железа (II) и взвешенных веществ
(даже в малых количествах, до 9 мг/л), в меньшей степени он изменяется от содержания в воде солей кальция и магния в концентрациях до 21 мг-экв/л.
Зная коэффициент поглощения природных вод, можно уточнить максимально допустимую толщину слоя воды, под- лежащей обеззараживанию облучением.
Источником ультрафиолетовых лучей служат ртутные лампы, изготовленные из кварцевого или увиолевого стекла.
Лампы имеют форму трубки диаметром 15-20 см с оксидными электродами на концах. Под действием электрического тока ртутные пары дают яркий зеленовато-белый свет, богатый ультрафиолетовыми лучами.
Применяются также ртутно-кварцевые лампы высокого давления (400-800 мм рт.ст.) и аргоно-ртутные лампы низкого давления (3-4 мм рт.ст.) Лампы высокого давления дают отно- сительно небольшой бактерицидный эффект, который компен- сируется их мощностью (1000 Вт). Лампы низкого давления обладают примерно в два раза большим бактерицидным эф- фектом, чем лампы высокого давления, но их электрическая мощность не превышает 30 Вт, что позволяет применять их только в небольших установках.
Обеззараживание воды поверхностных источников ульт- рафиолетовыми лучами следует производить после всех ста- дий ее обработки, чтобы она содержала как можно меньше различных примесей, повышающих величину коэффициента поглощения.
133
Вода, обезвреженная этим методом, не изменяет ни физи- ческих, ни химических свойств. Вкусовые качества воды ос- таются неизменными. Недостатком этого метода является вы- сокая стоимость его и возможность последующего заражения воды.
2.3.9. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ
ВОЛНАМИ
Упругие колебания с частотами, превышающими
20000 Гц, не воспринимаемые нашими органами слуха, приня- то называть ультразвуковыми.
Ультразвуковые колебания в технике получают пьезо- электрическим и магнитострикционным методами. Первый метод основан на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектри- ческий эффект заключается в том, что кристаллы некоторых веществ при внесении их в электрическое поле испытывают механическую деформацию и становятся источниками ультра- звука.
Для получения ультразвуковых колебаний применяются кристаллы кварца (пьезокварц). Кварцевые пластинки одина- ковой толщины, вырезанные определенным образом из кри- сталлов, пришлифовываются друг к другу в виде мозаики и вклеиваются между двумя толстыми стальными плитами, к которым подведен переменный электрический ток. Система служит мощным источником ультразвука.
Второй метод основан на явлении магнитострикции. Это процесс намагничивания ферромагнитных тел, сопровождаю- щийся изменением их линейных размеров и объема. Величина и знак эффекта зависят от напряженности магнитного поля и от угла, который составляет направление поля с осью кристал- ла (в случае монокристаллических тел). Практика показала, что первый метод эффективнее второго.
Под влиянием ультразвуковых волн гибнут животные и растительные клетки, простейшие и микроорганизмы. Эффект разрушения зависит от интенсивности ультразвуковых волн и