Электродиализ своими руками

Обновлено: 03.07.2024

Электродиализ - процесс мембранного разделения, в котором ионы растворенного вещества переносятся через мембрану под действием электрического поля. Движущей силой процесса является градиент электрического потенциала.

В воде практически все соли диссоциируют (распадаются) на составные части – на положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. И сама вода также частично, в очень малой степени, диссоциирует на положительно заряженные ионы водорода Н + и отрицательно заряженные ионы гидроксила ОН - .

Рассмотрим работу электродиализной установки на примере очистки воды от поваренной соли (хлористого натрия). Под действием электрического поля катионы Na + и Н + перемещаются по направлению к отрицательному электроду (катоду). Анионы хлора Cl - и гидроксила ОН - движутся по направлению к положительно заряженному электроду (аноду).

Катионы с легкостью проходят через катионообменную мембрану и не могут пройти через анионообменную мембрану. Анионы, напротив, могут пройти через анионообменную мембрану и не могут пройти через катионообменную. Конструкция многокамерного электродиализного аппарата выполнена таким образом, что чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны создают отдельные камеры.

В одни камеры поступает на очистку исходный раствор соли, а в других собирается концентрированный раствор солей, который затем удаляется в отходы. В многокамерном электродиализаторе чередуется большое число (до нескольких сотен) катионообменных и анионообменных мембран, расположенных между двумя электродами (Рис. 1).

Электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, расположенную со стороны катода. Катионы задерживаются в этом потоке анионообменной мембраной со стороны катода. Направление движения анионов является противоположным. Они переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. Со стороны анода анионы задерживаются в потоке концентрата катионообменной мембраной.

Таким образом, общий результат процесса заключается в увеличении концентрации ионов в чередующихся камерах при одновременном уменьшении их концентрации в других камерах.

Рис.1. Процесс электродиализа (мембранного электролиза): А - анионообменные мембраны, К - катионообменные мембраны

Ионообменные мембраны, применяемые для электродиализа, 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, электрическое сопротивление на единицу поверхности ионообменной мембраны находится в пределах от 2 Ом/см 2 до 10 Ом/см 2 .

Электрическое поле не оказывает влияния на незаряженные молекулы воды и, например, молекулы сахара, карбамида или иных органических веществ. Поэтому при использовании проницаемых для ионов мембран можно разделять электролиты и неэлектролиты.

Например, лечить больные вина, когда в результате нарушения технологии их производства в виноматериалы попадает большое количество ионов железа. Вино тогда приобретает неприятный вяжущий вкус, несвойственный аромат и серый, неприглядный цвет. В общем, брак и убытки для виноделов. А с помощью электродиализного аппарата можно легко удалить из бракованного виноматериала любые примеси металлов, не затрагивая основных компонентов вина.

Или удалять из молока примеси нитратов, попавшие туда потому, что коровы паслись на хорошо удобренных лугах. Этот процесс крайне важен для сыроделов, так как избыток нитратов в их конечном продукте –сыре, недопустим и опасен для здоровья потребителей. Можно с легкостью удалять примеси металлов из суспензии антибиотиков на конечной стадии их производства, повышая тем самым их качество и снижая вредные побочные эффекты их применения. И даже чистить кровь у живого человека, когда его собственная почечная система не справляется.

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.

Характеристики ионообменных мембран

Селективность в 0,1 н растворе NaCl

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

Набухае- мосгь(по толщине),%

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

Рис. 36.7. Схема многокамерного электродиализатора:

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

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; С_н и С_к — солесодержание соответственно исходной и опресненной воды в мг-экв/л; U_m — напряжение на одной ячейке, В; U_m = 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.

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.

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

Мембрана способна пропускать один компонент быстрее другого из-за различий физических и (или) химических свойств мембраны и компонентов разделяемой смеси. Транспорт через мембрану является результатом воздействия движущих сил на индивидуальный компонент в исходной смеси. В общем случае движущей силой переноса веществ через мембрану является разность химических потенциалов Aju [43]. При этом поток вещества, проходящего через мембрану,

I = KA\L, (5.5.4)

Где К - коэффициент, учитывающий химическую природу материала мембраны, ее структуру, геометрические характеристики и взаимодействие мембраны с разделяемой системой.

В конкретных случаях разделения жидких и газовых смесей движущей силой процессов может быть градиент давления Ар, концентрации ДС, электрического потенциала AU или температуры АТ.

Диализ - процесс, в котором движущей силой служит разность концентраций с разных сторон гомогенной мембраны ДС.

Аппараты для диализа. Диализ предназначен для мембранного разделения коллоидных систем и растворов, содержащих высокомолекулярные и низкомолекулярные соединения, за счет различной проницаемости мембран для веществ с различной молекулярной массой [10]. При постоянной толщине мембраны процесс описывается уравнением

Где Q - количество вещества, перенесенного за единицу времени; А - площадь мембраны; Dj - коэффициент диализа.

При диализе растворенные вещества под действием градиента концентраций диффундируют с одной стороны мембраны к другой, образуя диализат. Разделение растворенных веществ достигается из-за разных скоростей их переноса через мембрану, что обусловлено различием молекулярного размера. Транспорт вещества при диализе происходит вследствие диффузии через непористые мембраны, и для того, чтобы понизить сопротивление диффузии, применяют мембраны, которые могут сильно набухать.

Для водных систем используются гидрофильные полимерные материалы такие, как ацетат целлюлозы, омыленные ацетат целлюлозы (регенерированная целлюлоза), поливиниловый спирт, полиакриловая кислота, поли - метилметакриалат, сополимеры этилена и ви- нилацетата или этилена и винилового спирта, а также более гидрофобные материалы, например, поликарбонаты.

В большинстве случаев для разделения растворов и коллоидных систем методом диализа используют разделительные аппараты безопорного типа на основе полых волокон.

Электромембранные процессы. Основные методы электромембранной технологии: электродиализ и мембранный электролиз. Перспективы широкого внедрения этих методов для очистки и разделения различных растворов связаны с экологической безопасностью и энергетической эффективностью токовых процессов [18, 19].

Основным фрагментом электромембранных систем, представляющих пакет из полимерных пленок и растворов электролитов между электродами, являются синтетические заряженные полимерные пленки, так называемые, ионообменные мембраны [24, 29].

Ионитовые мембраны представляют собой полиэлектролиты, т. е. хорошо набухающие пленки, несущие на полимерной матрице фиксированные положительные или отрицательные заряды. Высокая плотность этих зарядов внутри макромолекулы создает пространственный заряд, который компенсируется эквивалентным числом зарядов противоположного знака - противоионами [23, 24, 29].

Противоионы представляют собой ионы, которые соединены с функциональной группой для нейтрализации ее заряда (RS03 Na+). Противоионы в окрестности пришитых, фиксированных зарядов создают ионную атмосферу и обеспечивают электронейтральность полимера.

Наложение на мембрану постоянного электрического поля вызывает направленное движение противоионов (электромиграцию). Поэтому набухшая в воде или растворе идеальная мембрана является полиэлектролитом с униполярной проводимостью в отличии от растворов электролитов, в которых ток переносят и катионы, и анионы.

Удельная электропроводность мембран km сравнима с электропроводностью растворов электролитов. Для разных структурных типов мембран значение km изменяется от (1. 2)-КГ4 до 2-Ю"2 (Ом-см)"1 [29, 40].

Другое электрохимическое свойство мембран - селективность, т. е. избирательная проницаемость ионов определенного знака в электрическом поле. Высокая электропроводность и идеальная селективность мембран - это их основные транспортные свойства, обеспечивающие высокую производительность электромембранного процесса разделения.

Первые ионитовые мембраны были изготовлены на основе сополимеризации стирола и дивинилбензола, позволившей получить трехмерную матрицу, к которой пришивались ио - ногенные группы разной природы. В качестве фиксированных ионов для катионообменных мембран используют группы: - S03, - COO, - РО3, HP02, - As03 , - Se03. Заряд этих групп компенсируется положительными противоионами. В анионообменных мембранах могут быть привиты к матрице соответственно положительные фиксированные заряды: - NH3, - RNH2, - R3N, - R3P, - RS. Заряд этих групп компенсируется отрицательно заряженными противоионами.

Природа фиксированных зарядов и противоионов существенно влияет на селективность и электрическую проводимость мембран. Большинство промышленных катионообменных мембран содержат сульфогруппы, а анионообменных - группы четвертичных аммониевых оснований, например [~(CH3)3N+].

Электродиализные мембраны чаще всего изготовляют на основе ионообменных смол из полистирола, сшитого дивинилбензолом. Эти материалы представляют собой полимерные композиции гетерогенного типа, состоящие из размолотой в пудру ионнообменной смолы (60. 65 % по массе) и инертных полимеров (полиэтилена, поливинилхлорида и других добавок), часто содержат армирующие волокна для придания листу мембраны механической прочности.

Основной тип ионообменных мембран, применяемых при электродиализе в России, - гетерогенные мембраны (серийные катионооб - менные мембраны МК-40; анионообменные мембраны МА-40, МА-41), производство которых было основано в г. Щекино (Московской обл.). Кроме крупных серий по заказу изготовляют изопористые мембраны МА-41 И и макропористые МА-41 П (аналоги анионообмен - ной мембраны МА-41), катионообменные мембраны МК-41.

В настоящее время на российском рынке мембран для электродиализа появились гетерогенные мембраны марок МАК-1, МАК-2, МАКУ-1, МАКУ-2, МКК-1, а также НМКК-1. НМАК-1, НМАК-2 (ВНИИХТ, г. Москва).

Особый тип электромембранных материалов - биполярные мембраны, позволяющие реализовать важнейший процесс электрохимического получения кислот и щелочей из соответствующих солей. Эти мембраны представляют собой бислойную систему, состоящую из совмещенных в один лист катионо - и анионо - обменных мембран. В электрическом поле такая мембрана способна генерировать разнонаправленные потоки ионов Н+ и ОН" за счет электрического разложения воды на стыке слоев.

Аппараты для электродиализа. Электродиализ - мембранный процесс, в котором движущая сила ионного транспорта поддерживается разностью электрических потенциалов М/. Это один из основных электромембранных процессов, который используется для очистки воды от ионов [10, 18, 19, 43]. Типичной чертой этого процесса является необходимость использования заряженных мембран - ионообменных. Принцип электродиализа можно
понять из схемы, представленной на рис. 5.5.16. Между катодом и анодом помещается большое число катионо - и анионообменных мембран, расположенных в чередующемся порядке. При наложении разности потенциалов на систему, положительно заряженные ионы (например, ионы натрия) передвигаются к катоду, а отрицательно заряженные ионы (хло - рид-ион) - к аноду, причем анионы не могут проходить через отрицательно заряженные мембраны, а катионы - через положительно заряженные мембраны. Движущая сила не оказывает влияние на незаряженные молекулы, что позволяет отделять их от компонентов, несущих электрический заряд.

Количество ионов, перенесенных через мембрану, прямо пропорционально силе электрического тока / или плотности тока j. Главным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, которая ограничивает плотность тока. Сила электрического тока

Где z - валентность иона; F - постоянная Фарадея; Q - скорость потока; АС - разность концентраций до мембраны и после нее; е - эффективность силы тока, связанная с числом парных камер в блоке.

Сила электрического тока связана с электрическим потенциалом по закону Ома

Где R - общее сопротивление мембранного блока, равное сопротивлению парной ячейки Rcр, умноженному на число ячеек N в блоке:

В свою очередь сопротивление одной парной ячейки представляет собой сумму четырех сопротивлений:

Разность потенциалов, которая должна быть приложена для осуществления процесса, определяется общим сопротивлением мембранного блока и плотностью тока. Увеличение плотности тока приводит к росту числа перенесенных ионов. Однако плотность тока нельзя увеличивать беспредельно. Предельная плотность тока - это тот ток, который необходим для переноса всех присутствующих ионов.

Электродиализаторы по конструкции подразделяются на три основные группы [18, 74]: 1) фильтр-прессового типа; 2) рамочные; 3) специальной конструкции (винтовые, спиральные и др.).

Электродиализаторы фильтр-прессового типа - наиболее известные и применяемые на практике (рис. 5.5.17). Эти электродиализаторы обычно содержат общие по назначению конструктивные элементы:

Другие публикации от blogerMG

Электропроводка в гараже: варианты подключения, схемы электропроводки, монтаж 0
Насадки, инструменты и приспособления для электродрели 0
Обзор инструмента. Реноватор 0
Чем герметизировать резьбу или как выбрать идеальный уплотнитель 0
Уроки механика. Продли жизнь своему гайковерту 0

0 Комментариев 0

Каким бы не был богатым опыт специалиста, и как бы он не был уверен в себе, иногда ему нужно посоветоваться с кем-то. Общение на просторах интернет-сети уже давно стало привычным нам. Разнообразные пользователи сети – будь то профессионал или много знающий любитель – могут выставить в сеть лайфхаки (простые полезные советы на разные темы), которые могут быть с пользой применены для вашего дома.

Какие плюсы пользования ресурсами форума?

Постоянный поток интересной информации о новых идеях построек.
Простые и полезные советы для строительства.
Возможность общения с интересными людьми, опытными мастерами своего дела.
Рекомендации о выборе инструмента или материалов.
Также приятным плюсом является отсутствие рекламы, ведь пользователи такие же потребители, как и вы сами.

Читайте также: