|
Привлекательным в электродеионизации является преодоление некоторых существенных недостатков, присущих взятым в отдельности электродиализу и ионному обмену.
Как уже упоминалось, электродиализ не эффективен для производства воды с низким солесодержанием, т. к. высокое электрическое сопротивление воды ведет к резкому росту энергопотребления и снижает экономичность процесса. Одним из решений этой проблемы является заполнение ячейки с очищаемой водой смесью зерен катионообменной и анионообменной смол. Под влиянием приложенного электрического потенциала ионы могут двигаться значительно быстрее через частицы ионообменных смол, обладающих высокой электропроводимостью, чем через воду с низким солесодержанием.
Процесс электродеионизации базируется на ионообменных реакциях обессоливания воды с применением ионитов, электрохимических реакциях регенерации и выводе удаленных примесей из воды через селективные мембраны [58, 80, 81, 252–270].
Процесс непрерывной электродеионизации – ЭДИ – включает три составляющих, протекающие одновременно:
- ионный обмен, при котором растворенные в исходной воде ионы, проходя через слои ионообменных смол, сорбируются на зернах катионита и анионита;
- непрерывный отвод ионов через слои ионитов и ионселективные мембраны в зону концентрата;
- непрерывная регенерация ионита ионами водорода и гидроксид-иона, полученными в результате электролиза молекул воды под воздействием постоянного тока.
Рис. 6.7. Схема организации процесса непрерывной электродепонизации воды
Для реализации указанных процессов используют специальные модули электродеионизации. Такой модуль (рис. 6.7) содержит три типа проточных каналов: деминерализации (D-каналы), концентрата (C-каналы) и электролита (E-каналы).
Один D-канал, одна катионитная мембрана, один С-канал и одна анионитная мембрана вместе образуют ЭДИ-ячейку. ЭДИ-модуль представляет собой сборку параллельно работающих ЭДИ-ячеек. Исходная вода поступает в D-каналы, заполненные смесью катионита и анионита, которые сорбируют растворенные катионы и анионы, обменивая их на ионы водорода и гидроксид-ионы. На выходе из D-канала получается очищенная высокоомная вода.
Е-канал образуют электроды совместно с последней мембраной. Проходя через Е-каналы, поток концентрата обогащается трансмембранным ионным потоком от замыкающей мембраны. В катодный
E-канал попадает также небольшое количество газообразного водорода, а в анодный E-канал попадает небольшое количество газообразного кислорода и хлора, образующихся в результате электродных процессов так же, как и при электродиализе. Поток из E-каналов отводится в дренаж, чтобы предотвратить хлорную и кислородную деструкцию мембран.
Под действием электрического поля катионы из катионообменной смолы и анионы из анионообменной смолы движутся через соприкасающиеся частицы ионитов в направлении соответствующих электро дов. Прошедшие через соответствующие мембраны ионы попадают в C- каналы, в которых организуется постоянный проток воды, откуда они в виде концентрата выводятся из модуля.
Протекающий через исходную воду ток также инициирует реакцию расщепления воды, в которой образуются ионы H+ и OH– . Эти ионы непрерывно регенерируют ионно-обменные смолы, и они продолжают удалять загрязнения из питающей воды.
Основными параметрами регулирования ионных трансмембранных потоков являются: величина электрического потенциала, скорость потока в D-канале и соотношение потоков в D- и С-каналах, определяющее солесодержание концентрата. Высокое солесодержание создает опасность образования кристаллических осадков на поверхности мембран, а при низком солесодержании возрастает расход электроэнергии.
Эффективность работы ЭДИ-модуля определяется двумя основными факторами: скоростью переноса ионов в поперечном сечении слоя и скоростью непрерывной электрорегенерации ионита. Смещение от оптимума этих процессов может привести к неполной регенерации зерен ионита и снижению качества очищенной воды. Скорость ионного массопереноса лимитируется диффузией противоионов из потока воды к поверхности зерен ионита и коионов от ионита в ядро потока воды. Влияние диффузионных процессов можно уменьшить, снизив силу тока. Оптимизация процесса ЭДИ направлена на создание условий, при которых активная поверхность зерен ионита, т.е. поверхность, омываемая потоком воды и образующая токопроводящую цепочку от зерен ионита к мембранам, будет максимальной. Конструктивно это достигается ограничением толщины D-канала. Непрерывная электрорегенерация ионита осуществляется ионами водорода и гидроксид-ионами, образующимися в процессе электролиза молекул воды. Высокая подвижность ионов водорода и гидроксид-иона, а также значительное их влияние на рН обеспечивают им свободный доступ к зернам ионита и регенерацию поверхности последних от адсорбированных ионов и их перенос к соответствующим ионоселективным мембранам. Основными технологическими параметрами, от которых зависит эффективность работы ЭДИ- модуля, являются сила тока, скорость потока в D- и C-каналах, температура и солесодержание исходной и очищенной воды, рабочее давление и величина конверсии. Рабочее давление в процессе электродеионизации составляет 1,5–4,0 атм. Температура потока исходной воды – от 5 до 35–45 °C.
Скорость рециркуляции потока концентрата и доля сброса его в дренаж рассчитываются, исходя из условий недопущения осадкообразования в канале концентрата.
Способы интенсификации режима электрорегенерации воды:
1. Интенсификация процесса гидролиза молекул воды. Сочетание ионитов и мембран должно быть подобрано таким образом, чтобы поддерживалась высокая скорость гидролиза молекул воды в слое ионита, которая определяется толщиной слоя ионита и поверхностными свойствами ионита и мембран.
2. Увеличение электропроводности в С-каналах, путем размещения в них слоя ионита или дозированием раствора сильного электролита.
Для ЭДИ -модулей, которые не содержат ионитов в С-каналах, интенсивность электрорегенерации лимитируется проводимостью концентрата, т.е. его солесодержанием, которое необходимо поддерживать на определенном уровне. Поэтому часто в C-каналах организуется циркуляция солевого раствора. Более предпочтительной является конструкция с размещением ионита как в D-, так и в С- каналах, что позволяет увеличить скорость переноса ионов при равном расходе энергии.
Степень очистки ЭДИ- процесса зависит от солесодержания питающей воды и может достигать 99,9 %. При солесодержании исходной воды, соответствующем ее электропроводности 1000 мкСм/см, селективность ЭДИ- модуля составляет – 95 %, при электропроводности 100 мкСм/см – 99 %, при электропроводности 1 мкСм/см можно получить ультрачистую воду с удельным сопротивлением 18 МОм•см.
На рис. 6.9 показана зависимость качества ЭДИ- дилюата от солесодержания исходной воды.
Рис. 6.8. Схема организации ЭДИ-процесса с размещением ионитов
в D- и С-каналах (модули типа LX)
Рис. 6.9. Зависимость сопротивления делюата от солесодержания питающего раствора и силы тока
|
