|
Электродиализом называется процесс удаления из раствора ионов растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные к этим ионам, в постоянном электрическом поле.
Описание метода электродиализа имеется практически во всех книгах, посвященных водоподготовке [15, 22–24, 48, 56, 58, 64, 80, 81]. Подробно проблемам разработки и применения электродиализа во многих странах посвящено огромное число работ, например, [223– 238]. Их подробный анализ сделан в обзорах [226, 227]. При этом промышленное использование электродиализа на отечественном рынке предлагают малое количество производителей [240–242]. Мембраны в ограниченном количестве производятся на ОАО «Щекиноазот» и ОАО «Пластполимер ».
В основе метода электродиализа лежат несколько явлений физической химии: электролитическая диссоциация, т.е. растворение солей в воде с образованием ионных пар, направленное движение ионов в электрическом поле, а также селективность ионообменных мембран по отношению к ионам, имеющим заряды разных знаков.
При наложении постоянного электрического поля на раствор диссоциировавших на ионы веществ (электролитов) возникает направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов Н + и ОН – . Причем катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. Если раствор разделить парой специальных ионоселективных мембран (рис. 6.4) и при этом катионитную мембрану расположить со стороны катода, а анионитную – со стороны анода, катионы и анионы из межмембранного пространства будут уходить к электродам, а ионы из приэлектродных областей останутся там вследствие почти полной непроницаемости мембран для ионов другого знака – т.е. вода в межмембранном пространстве будет обессоливаться, а у электродов концентрации ионов будут увеличиваться. Замыкание цепи электрического тока достигается за счет обмена электронами между электродами и раствором в ходе так называемых электродных реакций:
катодной – 2Н2О + 2е – > Н 2 (g)^ + 2ОН – (6.1)
и анодных – 2Н2О – 4е – > О 2 (g)^ + 4Н + (6.2)
2Cl – – 2e – > Cl 2 (g)^ (6.3)
Это приводит к выделению водорода вблизи катода и кислорода или хлора вблизи анода. Наработка Н + и ОН – ионов приводит к электрической нейтрализации подходящих к электродам ионов. Одновременно с этим происходит обогащение прианодного пространства кислотой, а прикатодного щелочью. Таким образом, из исходной воды получается три потока: обессоленная вода (дилюат), щелочной и кислый концентраты (католит и анолит).
Если между электродами расположить большое количество пар катионообменных и анионообменны х мембран и организовать подачу в межмембранные пространства очищаемого раствора, то п од действием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, из камер, например, 2 и 4 , смогут свободно проникать через катионообменные мембраны К , но будут задерживаться в камерах 3 и 5 анионообменными мембранами А , а анионы, двигаясь к аноду, пройдут через анионообменные мембраны А из камер 2 и 4 , но задержатся в камерах 3 и 5 катионообменными мембранами К . В результате этого из четного ряда камер ионы будут выведены в смежный (нечетный) ряд камер, поэтому вода в четных камерах обессолится, а в нечетных произойдет концентрирование. Так осуществляется разделение исходного раствора на обессоленную воду в четных ячейках и концентрированные растворы – в нечетных ячейках, а также на католит и анолит в приэлектродных участках (рис. 6.5) .
Рис. 6.4. Принципиальная схема процесса электродиализа: К – катионообменная мембрана, А – анионообменная мембрана
Рис. 6.5. Схема многокамерного электродиализатора
Для повышения эффективности установки и уменьшения количества стоков используют режимы работы с циркуляцией концентрата. Опресняемая вода поступает в четные камеры и параллельными потоками движется через них. С другой стороны этих камер выводится оп ресненная вода – дилюат. Через нечетные камеры циркулирует рассол извлеченных солей. Перед каждым электродом находятся приэлектродные камеры (первая и последняя нечетные камеры), где происходит нейтрализация анионов и водородных ионов, и катионов и гидроксил-ионов, соответственно, с образованием кислого анолита и щелочного католита .
Рабочий режим, описанный выше, называют иногда «однонаправленным электродиализом». Установки такого типа выпускаются некоторыми производителями. Однако большинство основных производителей электродиализных установок выпускают модификацию, работающую в режиме, известном как «обратимый или реверсивный электродиализ» (ЭДО, ЭДР), при котором периодически (примерно каждые 15 мин) происходит переключение полярности тока. Такой режим работы ячеек снижает загрязнение мембран пленочными осаждениями шлама. Таким образом, снижается необходимость предварительной химической обработки, однако происходит усложнение схемы установки из-за необходимости использования дополнительных клапанов и более сложной системы управления. |
