|
Электромембранными в водоподготовке называются процессы разделения, движущей силой которых является разность электрических потенциалов, заставляющая ионы солей двигаться к электродам и разделяться, проникая через специальные мембраны. Обессоленная вода – дилюат (диллюат, диализат), получается на стороне подаваемого потока, а концентрат образуется с той стороны мембраны, куда переходят ионы (рис. 6.1, а ). Этим электромембранные процессы принципиально отличаются от баромембранных (например от обратного осмоса), в которых движущей силой процесса разделения является перепад давления, обессоленная вода получается после ее прохождения через мембрану, а концентрат остается на стороне подаваемого потока (рис. 6.1, б ).
Из приведенного сравнения следует, что характер мембран, используемых в этих двух типах процессов, принципиально различается. Мембраны для электромембранных процессов должны быть непроницаемыми для молекул воды и селективно пропускать или катионы, или анионы солей. По этой причине такие мембраны называют ионоселективными, ионитными или ионообменными.
Требования к ионитным мембранам подробно описаны в работах [223–238]. Они включают:
- высокую селективность для катионов или анионов,
- малую проницаемость для молекул воды,
- высокую электрическую проводимость,
- высокую механическую прочность,
- высокую химическую стойкость в окислительных средах .
Выбор толщины ионитной мембраны является компромиссом между желанием ее уменьшить для понижения электросопротивления и необходимостью обеспечения механической прочности и стабильности при неравномерном распределении гидравлического давления в камерах деминерализации и концентрирования.
Рис. 6.1. Принципиальные схемы очистки воды: а – электромембранные; б – баромембранные процессы
Селективность ионообменных мембран, т.е. способность пропускать ионы с зарядом одного знака, обусловлена наличием в них фиксированных ионогенных групп, электрическое поле которых препятствует 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.
Гетерогенные ионитные мембраны получают смешением тонкоизмельченного ионита с пленкообразующим инертным неэлектропроводным связующим веществом (полиэтилен, полистирол, полипропилен, поливинилхлорид, каучук) с последующим каландрированием, или формованием смеси в тонкие пленки или листы, и запрессовыванием в них упрочняющих сеток из стойкого в кислотах и щелочах искусственного волокна.
Гомогенные мембраны получают двумя методами:
1. Сополимеризацией имеющего активные группы мономера со «сшивающим» агентом (например, сополимеризацией пропилстиролсульфоната с дивинилбензолом).
2. Получением пленки сополимера с введением в готовую пленку активных групп (например, сульфированием стиролдивинилбензольной пленки).
|
|
а |
б |
Рис. 6.2. Разрез гетерогенной анионитной мембраны МА 40 ( а )
и вид ее поверхности ( б ) [223]: 1 – частицы анионита; 2 – полиэтилен; 3 – армирующая сетка
На рисунке 6.3 показан процесс развития электромембранных процессов [226]. Интересно отметить, что электромембранные процессы (электродиализ) явились первым опытом применения мембран для разделения растворов. (Хотя микрофильтрацию через ткань применяли, конечно, значительно раньше). Первая страница истории электродиализа была написана в 1890 г ., когда кубинцы Е. Майгрот и Дж. Сабатес (E. Maigrot, J. Sabates) получили патент Германии на очистку сахарных растворов от солей. История исследования электродиализа в России начинается с 1932 г ., когда И.И. Жуков, Б.П. Никольский, О.Н. Григоров и А.В. Маркович в Санкт-Петербургском государственном университете применили электродиализ с трубчатыми керамическими мембранами для обессоливания воды р. Невы [227]. В качестве анионоселективной мембраны они использовали керамическую трубу из шамота, а катионоселективная мембрана была изготовлена из глины угольного обжига (число переноса катионов – 0,66). Несмотря на низкую селективность мембран, им удалось получить обессоленную воду с удельным электросопротивлением 1 МОм·см, при затратах электроэнергии 6 кВт·ч/м 3 .
Электродиализ ранее других мембранных технологий нашел и промышленное применение. Однако из-за ряда существенных факторов оно до сих пор достаточно ограничено и в процентном отношении продолжает снижаться. Один из этих факторов понятен из рис. 6.1. Если в баромембранных процессах продукт проходит через мембрану и очищается на ней, то в электромембранных технологиях через мембрану уходят лишь ионы, все же остальные загрязнения остаются в продукте. Это предполагает необходимость их предварительного удаления. Использование электродиализа наиболее оправдано в процессах, когда исходный продукт, например молоко или молочную сыворотку, вино и т.п., требуется только обессолить без изменения основных характеристик самого продукта.
Рис. 6.3. Стадии развития электромембранных процессов [226]
|
