Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Водоснабжение

Опреснение воды методом электродиализа

Электродиализ — процесс удаления из растворов (проводников второго рода) ионов растворенных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. Известно, что при наложении постоянного электрического поля на раствор в последнем возникает движение катионов (включая ион водорода) к отрицательно заряженному катоду, а анионов — к аноду. При контакте ионов с соответствующими электродами протекают катодные реакции восстановления:

и анодные реакции окисления:

Электродиализ как метод опреснения соленых вод получил промышленное применение лишь после освоения производства селективных ионообменных мембран из ионитовых смол. Если такой мембраной разграничить раствор поваренной соли (или другого электролита), а затем по обе стороны мембраны поместить электроды, соединенные с источником постоянного тока, то мембрана будет проявлять свойства униполярного проводника. С помощью иономембраны проводится ток лишь одного знака. Изготовленная из катионита, она пропускает положительно заряженные ионы, а анионитовая мембрана пропускает только отрицательно заряженные ионы. Это свойство называется селективностью ионообменных мембран, на нем основан метод электродиализного (электроионит- ного) опреснения воды.

Ионообменные мембраны должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, иметь длительный срок службы в промышленных условиях. В табл. 36.4 приводятся характеристики некоторых отечественных мембран; катионитовые мембраны имеют обозначение МК, анионитовые — МА.

Таблица 36.4

Характеристики ионообменных мембран

Марка

Размеры, мм

Селективность в 0,1 н растворе NaCl

Удельное электрическое сопротивление в 1 н растворе NaCl, Ом-см

Набухае- мосгь(по толщине),%

МК-40

1420x450x0,3

0,96-0,97

150-180

30±5

МКК

1000x500x0,2

0,95-0,96

90-100

7-9

МК-41 Л

1350x450x0,6

0,96

300

-

МА-40

1420x450x0,3

0,93-0,96

180-200

30±5

МАК

1000x500x0,15

0,95-0,96

80-100

8-10

МА-41 Л

1420x450x0,6

0,96

500

2,5

Мембраны изготовляют из термопластичного полимерного связующего (полиэтилен, полипропилен и др.) и ионообменных смол (КУ-2, ЭДЭ-10П и др.) в виде гибких листов прямоугольной формы. Срок их службы 3—5 лет.

Обрабатываемую воду разделяют чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся рассольные (концентрирующие) и обессоливающие камеры. Две разные камеры образуют ячейку. Через такую систему пропускается электрический ток. Катионы, двигаясь к катоду (рис. 36.7), свободно проникают через катионитовые мембраны К, но задерживаются анионитовыми мембранами Л а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми, в результате чего из одних камер (например, из четных) ионы обоих знаков выводятся электрическим током постоянного направления в смежные камеры. Поэтому вода в четных камерах опресняется, а в нечетных концентрация ионов эквивалентно повышается. Обессоленная вода и рассол собираются и раздельно удаляются из аппарата.

Такой аппарат, в котором производится отделение солей от воды, называется многокамерным электродиализатором (рис. 36.8). Он имеет по одному катоду и аноду (изготовленных из специального

Схема многокамерного электродиализатора

Рис. 36.7. Схема многокамерного электродиализатора:

К — катионитная мембрана, пропускающая только катионы; А — анионитная мембрана, пропускающая только анионы

Разрез многокамерного электродиализного аппарата

Рис. 36.8. Разрез многокамерного электродиализного аппарата:

7 — вода на промывку электродной камеры; 2 — анод; 3 — катод; 4 — вода на промывку

рассольных камер; 5 — подача обрабатываемой воды в обессоливающие камеры; б — верхняя нажимная плита;

  • 7 — сток из электродной камеры;
  • 8 — катионитная мембрана; 9 — прокладка в камере обессоливания; 10 — анионитная

мембрана; 7 7 — прокладка в рассольной камере; 72 — отвод обработанной воды;

73 — отвод рассола; 14 — нижняя плита

графита или платинированного титана) и до 300 ячеек, образованных стенками катионитовых и анионитовых мембран.

Большое число ячеек в одном электродиализаторе при наличии одного анода и катода сводит до минимума потери на разряд ионов на электродах. Такое инженерное решение позволяет значительно уменьшить расход энергии на отделение солей от воды. Теоретическое количество электричества, необходимое для переноса 1г-экв электролита в соответствии с законом Фарадея, равно 94491 Кл или 26,8 А-ч. Фактический удельный расход электрической энергии на опреснение (без учета расхода энергии на работу насосных агрегатов) в кВт-ч/л определяется из уравнения

где 26,8 — количество А-ч, необходимых для переноса 1 г-экв соли; Сн и Ск — солесодержание соответственно исходной и опресненной воды в мг-экв/л; Um — напряжение на одной ячейке, В; Um = 1,3— 1,5В; п — количество ячеек в электродиализаторе; г — коэффициент выхода по току, принимаемый обычно от 0,8 до 0,9 (в зависимости от солесодержания опресняемой воды).

Коэффициент выхода по току зависит от селективности мембран, расхода энергии на побочные электродные процессы, потерь энергии на выделение джоулева тепла и размера утечек тока, определяемых конструкцией электродиализатора.

Серьезными препятствиями для глубокого обессоливания воды в процессе электродиализа являются: повышение электрического сопротивления в камерах с ростом степени обессоливания; перенос воды через мембраны в процессе осмоса; разложение воды при высоких плотностях тока; возможность образования осадков на мембранах в камерах концентрирования.

Экспериментально показано, что при концентрации солей в камерах обессоливания ниже 200—300 мг/л резко возрастает расход электроэнергии, что ограничивает глубину обессоливания воды указанными пределами.

Ограничение плотности тока при элекгродиализе связано с явлением концентрационной поляризации, возникающим на ионитовых мембранах. Суть этого явления заключается в том, что движение ионов через мембрану под действием электрического тока идет быстрее, чем в растворе, что приводит к падению концентрации около принимающей стороны мембраны и к повышению ее около отдающей стороны. Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация переносимого иона около принимающей стороны мембраны снижается до нуля и начинается перенос ионов Н+ и ОН-, образовавшихся при электролизе воды. Этот процесс вызывает перерасход электроэнергии, не снижая соле- содержания воды, и приводит к изменению pH среды, что может вызвать образование осадков на мембранах.

С учетом отмеченных ограничений оптимальный уровень снижения солесодержания обрабатываемой воды в одноступенчатых элек- тродиализных аппаратах не превышает 40—50%.

Для предотвращения образования осадков кроме ограничения рабочей плотности тока производят подкисление воды, переполю- совку напряжения, попеременный пропуск воды через обессоливающие и рассольные камеры.

Электродиализные аппараты конструируются по типу фильтрпресса (см. рис. 36.9) и включаются в схему водоподготовки последовательно или параллельно в зависимости от условий применения. Чередование обессоливающих и рассольных камер обеспечивается рамками-прокладками из диэлектрика (паронита, полиэтилена и др.) толщиной 0,7—1,0 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассола образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется с помощью торцовых плит. Внутри камер укладывается гофрированная сетка, которая дистанцирует мембраны и одновременно служит турболизатором потока воды. Исходная вода, используемая в электродиализных установках, требует предварительной обработки, чтобы свести к минимуму возможность образования в камерах осадков из взвешенных, коллоидных частиц и из соединений СаС03 и Mg(OH)2. Кроме того, из воды должны быть удалены ионы железа, марганца и органические вещества, присутствие которых приводит к «отравлению» мембран, т.е. к снижению их электрической проводимости.

Циркуляционная (порционная) электродиализная установка

Рис. 36.9. Циркуляционная (порционная) электродиализная установка:

  • 7 — электродиализатор; 2 — трубопровод рециркуляции дилюата; 3,5 — насосы для рассола и дилюата соответственно; 4,6 — баки для рассола и дилюата соответственно; 7 — питающий бак; 8 — фильтры предподготовки (могут быть с активированным углем, сульфоуглем или кварцевым песком); 9 — мерник кислоты; 10 — контейнер кислоты;
  • 7 7 — фильтр улучшения качества воды; 72 — установка УФ-облучения воды

Необходимость предварительной очистки воды и относительно низкая (до 40—50% при одной ступени) степень обессоливания на выходе из электродиализных аппаратов определили возможность комбинирования мембранной технологии с ионитовым обессоливанием при обработке вод с исходным солесодержанием более 500 мг/л. В этом случае электродиализные аппараты включаются в схему после предочистки перед ионообменными фильтрами, что позволяет сократить расход реагентов на их регенерацию.

Технологические схемы электродиализных опреснительных установок состоят из следующих узлов: предварительной подготовки исходной воды; собственно электродиализной установки с комплектующим оборудованием; насосов опресненной воды со сборным резервуаром; фильтров улучшения качества воды с активированным углем; установок УФ-облучения для обеззараживания воды; кислотного хозяйства; хозяйства сжатого воздуха.

Электродиализные опреснительные установки разделяются на циркуляционные и прямоточные (могут быть с прямотоком и противотоком рассола).

В циркуляционной установке порционного типа (см. рис. 36.9) исходная солоноватая вода поступает на фильтры предварительной подготовки 8 (заполненные активированным углем, сульфоуглем или кварцевым песком) и затем в питающий 7 и рассольный 4 баки. Насосами 3 и 5 на электролизатор 1 подаются по трубам соответственно дилюат (опресняемая вода), рассол и промывной раствор. Промывной раствор и рассол подкисляют серной кислотой до pH = 3,5—4. Подача кислоты из контейнера 10 в мерник 9 ив систему подкисления автоматизирована. Циркуляция дилюата происходит на установке по контуру: дилюатный бак 6 — дилюатный насос 5— электродиализатор /; а циркуляция рассола — по контуру: бак рассола 4 — насос рассола 3 — электродиализатор 1.

Сброс рассола производится по достижении произведения растворимости содержащихся в нем солей. Опресненная до заданной величины вода поступает на фильтр улучшения качества воды 11 и далее после установки УФ-облучения 12 подается потребителю. Процесс опреснения на установке полностью автоматизирован.

При прямоточной многоступенчатой схеме электродиализной установки (рис. 36.10) исходная солоноватая вода прокачивается насосами через две параллельные нитки электродиализаторов и последовательно проходит по четырем ступеням деминерализации. Рассол на установку подается по противотоку.

Технологическая схема прямоточной многоступенчатой электродиализной установки (с противотоком рассола)

Рис. 36.10. Технологическая схема прямоточной многоступенчатой электродиализной установки (с противотоком рассола):

  • 1 — фильтр предварительной обработки исходной воды, загруженный сульфоуглем в H-Na-форме, режим «голодной» регенерации (в зависимости от качества исходной воды может быть применен механический, угольный фильтр или др.); 2 — дозировочный насос; 3 — мерник; 4 — бак реагента (в данном случае серной кислоты); 5 — компрессор;
  • 6 — фильтры с активированным углем и мраморной крошкой; 7 — бак и насос опресненной воды; 8 — насос опресняемой воды (дилюата);9 — бакдилюата; 10 — бак рассола; 11 — насос рассола; 12 — электродиализные аппараты; трубопроводы: I — исходной воды; II — дилюата; III — рассола; IV — опресненной воды;

V — кислоты; VI — сжатого воздуха

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы