Очистка сточных вод методом электродиализа. Электродиализ воды

Электродиализ

Определение

Электродиализ – метод разделения растворов электролитов путем их избирательного переноса через ионоселективные мембраны под действием электрического поля. Электродиализ относится к электромембранным процессам и сочетает в себе черты как электрохимического, так и мембранного процессов.

Ионоселективные мембраны

Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселективными. Они делятся на катионообменные и анионообменные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые – ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол – органических полимеров искусственного происхождения.

По структуре ионоселективные мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными. Первые состоят только из ионообменных смол, тогда как вторые включают в себя инертный наполнитель, повышающий их механическую прочность. Также отдельно выделяют интерполимерные мембраны, которые отличаются от гетерогенных тем, что полимеры связующего и ионита в них не имеют химических связей, а соединяются путем переплетения макромолекул. Также ионоселективные мембраны могут быть классифицированы по структуре матрицы полимера.

Также выделяют так называемые биполярные мембраны, представляющие собой тесно прилегающие друг к другу катионообменную и анионообменную мембраны. Такое строение мембраны позволяет значительно ускорить процесс диссоциации молекул воды, так как H+ и OH- ионы отводятся из соединительного слоя под действием электрического поля в противоположные секции, а количество разложенной на ионы воды восполняется за счет диффузии недиссоциированных молекул к соединительному слою.

Другой важной классификацией является разделение ионоселективных мембран на слабо-, средне- и сильноосновные, если речь идет об анионообменной мембране, и на слабо-, средне- и сильнокислотные в случае катионообменных. Эта классификация зависит от способности к диссоциации ионогенных групп в составе мембраны.

Принцип работы

Для примера будет рассмотрена установка электродиализа, состоящая из семи секций. Исходный соляной раствор подается в каждую из секций, разделенных ионоселективными мембранами. В крайних секциях аппарата установлены электроды, необходимые для создания электрического поля в среде электролита. Замыкание цепи происходит при помощи проводника второго рода (перенос электронов обеспечивается ионной проводимостью) – раствора электролита. При наложении электрического поля, ионы электролита и продукты диссоциации воды H+ и OH- (в случае водного раствора) приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся к катоду, а анионы, соответственно, - к аноду. Перемещению ионов препятствуют мембраны, что влечет за собой появление камер концентрирования (нечетные) и обессоливания (четные) раствора. Исключение составляют крайние камеры, в которых расположены электроды, и в которых происходит процесс электролиза с образованием щелочи и кислоты. Обессоленные и концентрированные растворы из четных и нечетных секций объединяются в соответствующие потоки и раздельно отводятся из аппарата. Реально существующие аппараты состоят из значительно большего числа камер, поэтому потоки обессоленной воды и концентрата значительно превышают кислый и щелочной потоки.

Аппаратное оформление

Чаще всего электродиализ проводят в аппаратах типа фильтр-пресс с плоскими электродами, но также встречаются аппараты рулонного типа. Количество мембран может достигать 300 и более штук. За счет профильного исполнения межмембранных прослоек создаются сквозные отводящие каналы обессоленного раствора и концентрата. Для предотвращения солеотложения на мембранах и увеличения их срока службы процесс часто проводят в режиме реверсивного электродиализа. Суть его заключается в том, что с определенной периодичностью в аппарате меняется полярность тока, а следовательно, и направление движения ионов сквозь соответствующие мембраны. При этом камеры обессоливания становятся камерами концентрирования и наоборот.

Достоинства

• Экологичность: электродиализ не требует для своего осуществления дополнительных реагентов или иных расходуемых веществ.
• Технологичность: устройство электродиализаторов обеспечивает простоту их обслуживания и надежность при эксплуатации.
• Низкое энергопотребление.
• Возможность возврата в производство компонентов очищаемой воды.

Применение:

• Опреснение и очистка воды

  Электродиализ находит все более широкое применение в области водоподготовки. Необходимая степень обессоливания достигается за счет многоступенчатого опреснения воды. Благодаря тому, что процесс электродиализа не требует дополнительных реагентов, очищенная вода так же не нуждается в дополнительной доочистке. Также данный способ обессоливания позволяет получать из пресной воды ультрачистую воду, используемую в микроэлектронике.

• Выделение ценных компонентов и регенерация сточных вод

  Одно из наиболее широких применений электродиализ приобрел в сфере обработки сточных вод химических, нефтехимический, электрохимических и других предприятий. Процесс позволяет не только очищать сточные воды путем обессоливания и деионизации, но и возвращать назад в цикл ценные компоненты, содержащиеся в стоках. Так в процессе производства аммиачной селитры из кислого конденсата возможно возвращать в цикл до 94% нитрата аммония (Nh5NO3).

  На нефтеперерабатывающих заводах после стадий обработки продуктов перегонки и крекинга нефти едкой щелочью образуются сернисто-щелочные сточные воды (СЩСВ). Эти стоки содержат различные токсические соединения серы, как органические, так и неорганические, а также едкий натр, фенольные соединения и соли органических кислот. Обработка таких стоков происходит в многокамерных электродиализаторах периодического действия. В результате достигается почти полная очистка СЩСВ от токсичных сернистых соединений (99-100%), снижение ХПК на 90-95% и получение регенерированного раствора едкого натра, который может быть возвращен назад в цикл.
• Получение из солей соответствующих кислот и оснований

  Для реализации данных процессов используются биполярные мембраны. Данный процесс также применим для получения аминокислот и малорастворимых кислот и оснований из соответствующих растворов солей.

• Обработка молочной сыворотки

  Обработка электродиализом молочной сыворотки позволяет регулировать ее кислотность и минеральный состав, чем достигается повышение ее органолептических свойств, снижение гидроскопичности и улучшение последующий ступеней обработки.

• Обработка соков и вин

  Электродиализная обработка соков и вин применяется с целью их стабилизации, повышении или понижении кислотности, деионизации и удаления тяжелых металлов. По сравнению с охлаждением данный вид обработки имеет ряд преимуществ: нет ухудшения вкусовых качеств вина, снижение энергозатрат и уменьшение времени обработки.

oil-filters.ru

Электродиализ

6.1. Электродиализ

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 анионообменных 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 опресненная 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.

www.mediana-filter.ru

Электродиализ - «МЕГА ПрофиЛайн»

Электродиализ – это электрохимический процесс, позволяющий выделять минеральные вещества из исходного раствора посредством перемещения диссоциированных ионов через ионселективные мембраны. При этом формируется два потока: обессоленный – дилуат и концентрированный – концентрат. Процесс электродиализа позволяет осуществлять разделение компонентов в растворах без изменения их агрегатного состояния, при нормальных температурах, без экстремального воздействия на продукт.

Электродиализ реверсный (ЭДР)

В модулях установки электродиализа периодически, через определённо заданный промежуток времени, происходит изменение полярности постоянного тока (анод становится катодом, а катод - анодом, что влечет за собой смену направления движения ионов в растворе. При этом для обеспечения процесса деминерализации происходит смена гидравлических потоков: дилуат становится концентратом, а концентрат – дилуатом. Изменение полярности предотвращает отложение осадка на поверхности мембраны и тем самым позволяет продлить срок эксплуатации оборудования, исключая необходимость применения специальной химической очистки мембран.

Принцип процесса

В ходе электродиализа постоянное электрическое поле воздействует на движение частиц диссоциированных солей в водном растворе таким образом, что катионы, которые движутся к катоду, проходят через катионообменные мембраны и задерживаются анионообменными мембранами, а анионы, движущиеся к аноду, проходят через анионообменные мембраны и задерживаются на катионообменных. При правильной комбинации мембран обоих типов наблюдается разделение ионов входящего раствора, при этом образуется обессоленный поток, так называемый дилуат, и поток концентрированный, или концентрат. Таким образом, разделение осуществляется за счет воздействия электрического поля и высокой избирательной способности (пермселективности) ионообменных мембран к компонентам раствора. В электродиализной установке также циркулирует электродный раствор (в большинстве случаев это раствор индифферентной соли), обеспечивающий регулярное обновление поверхности электродов. Электродный раствор не принимает непосредственного участия в процессе разделения. Процесс деминерализации протекает в электродиализном модуле – устройстве из электродов, стягивающих плит и пакета мембран. Ионообменные мембраны и прокладки – составляющие части пакета мембран. Схематичное изображение процессе электродиализа представлено на рисунке, приведенном ниже.

Схема процесса

CM - катионообменная мембрана, D - камера дилуата

AM - анионообменная мембрана, K - камера концентрата

Режимы электродиализа

BATCH (Периодический режим): находит применение при использовании электродиализа в сфере пищевой промышленности (например, при деминерализации молочной сыворотки), а также в специальных областях (например, в фармацевтической промышленности) и в проектах по очистке воды, где требуется оборудование малой мощности, но при этом необходимы высокая степень обессоливания и значительное насыщение концентрата. Исходный раствор заполняет первый резервуар, в котором процесс деминерализации осуществляется до тех пор, пока содержание солей дилуата/концентрата не достигнет требуемого уровня.

FEED & BLEED (Однопроходный режим с частичным рециркулированием): данный режим используют в промышленных целях при очистке отработанных вод с высоким содержанием солей (например, при очистке воды из отстойников). Режим позволяет достигнуть высокой степени концентрирования солей.

SINGLE (ONE) PASS (Однопроходный режим): применим на станциях очистки воды для систем большой производительности. Характерное содержание солей во входящей воде для обработки в данном режиме за один проход - до 4 г/л. Поступающая вода проходит через установку электродиализа только один раз.

mpline.ru

Электродиализ для обессоливания сточных вод

Каждый из нас знает о том, что для нормального самочувствия и оптимального состояния здоровья нам требуется вода. Хотя, если говорить о качестве воды, поступающей в наши жилища, невольно начинаешь задумываться о верности этого высказывания. Тем не менее, благодаря различным современным способам очистки, обессоливания, обеззараживания и умягчения воды жидкость удается привести в пригодный для употребления вид. 

Одним из таких способов является электродиализ, который, по сути, представляет собой процесс, способствующий изменению концентрации электролита в воде под действием электрического тока. Этот метод используется не только в целях опреснения воды, но также для выделения солей из растворов.

Электрохимические процессы, в число которых входит и электродиализ, уже довольно длительный период времени используются для очистки сточных вод, они протекают на электродах и требуют пропускания через воду постоянного электрического тока. Рассмотрим, в чем же заключается сущность этого процесса. 

Дело в том что, при наложении постоянного тока на раствор электролитов, а точнее ионизированных веществ, начинается направленное движение ионов солей, которые растворены в жидкости, а кроме того ионов ОН- и Н+. При этом катионы начинают свое движение к катоду (отрицательно заряженному), а анионы – к аноду(положительно заряженному), в силу того что ионы являются поляризованными частицами, их перемещение в электрическом поле будет обусловлено соответствием знаков зарядов. 

Для проведения электродиализа при помощи специальных мембран воду разделяют на секции, пропуская исключительно катионы, для анионов такая мембрана остается практически непроницаемой. В результате этого, вода, прошедшая процедуру электродиализа, разделена на обессоленную жидкость, которая находится между мембранами, а также на концентрированные рассолы, а точнее кислый анолит и щелочной католит.

Основное назначение электродиализа заключается в опреснении соленых вод в процессе водоподготовки. Относительно недавно этот эффективный метод стали использовать в целях выделения наиболее ценных и важных компонентов, которые содержатся в высококонцентрированных сточных водах, полученных при электрохимической или же химической обработке цветных металлов и стали. После того, как из растворов удаляются катионы металлов и анионы кислот, получаются растворы щелочей или кислот, которые пригодны для дальнейшего использования в производственных процессах. 

В связи с этим применение электродиализа предоставляет отличную возможность не просто утилизировать в производстве очищенную воду, но, кроме того, также повторно использовать сконцентрированные вещества, первоначально содержащиеся в жидкости. Стоит также отметить, что метод электродиализа доказал свою высокую эффективность в процессе очищения сточных вод от опасных радиоактивных загрязнений.

В целях обессоливания для осуществления процесса электродиализа на сегодняшний день используют специально предназначенные плоскорамные аппараты с несколькими камерами. По сути, они являются своеобразным мембранным пакетом, который словно зажат между пластинами, представляющими собой катод и анод. Мембраны разделяют при помощи прокладок и турбулизирующих вставок, это необходимо для улучшения гидродинамики движения очищаемых сточных вод в аппарате. Стягивание мембранных аппаратов может происходить либо вручную при помощи так называемых стяжных шпилек, либо же с помощью современного гидравлического оборудования. 

От количества и размера мембран, размещенных в пакете, напрямую зависит производительность аппарата. Заметим, что материалом для электродов наиболее часто служит магнезит, нержавеющая сталь, графит или платинированный титан. Для того, чтобы процесс электродиализа осуществлялся правильно, напряжение пропускаемого через раствор тока должно быть равным примерно 380 В (но не больше). Режим работы электродиализных установок зависит от двух равноправных факторов; первым из которых является необходимая производительность, вторым – глубина обессоливания воды. Таким образом, руководствуясь вышеуказанными факторами, удается настроить установки для получения оптимального результата.

Смотрите также:

www.bwt.ru

Применение электродиализа и гиперфильтрации для обессоливания производственных сточных вод

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

ЛЕКЦИЯ 19

Применение электродиализа и гиперфильтрации для обессоливания производственных сточных вод

План лекции:

Электродиализ. Электродиализные аппараты. Схемы электродиализных установок. Применение мембран обессоливания. (0,056; 2ч).

Электродиализ — процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод.

Рис 97. Схема процесса электродиализа (цифры в кружках – номер камер) А анионитовые мембраны; к – катионитовые мембраны; 1 – выход газообразного водорода; 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразных кислорода и хлора; 4 – выпуск обессолиной воды; 5

– выпуск концентрированного рассола

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («—»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются ка-тионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (например, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер (рис. 97).

Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол. В табл. 18 приведены основные свойства ионитовых мембран, выпускаемых отечественной промышленностью.

Таблица 18

Основные свойства ионитовых мембран

Анионитовые мембраны

Катионитовые мембраны

Электродиализные аппараты применяются двух типов: прокладочные и лабиринтные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М5000Х200, «Родник-3») имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2–20 м3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э–400М, ЭДУ–2, ЭДУ–1000, АЭ–25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность 1–25 м3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов – при концентрации солей в сточной воде 3–8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы

аппаратов большое значение имеет промывка приэлектродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза.

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: аппаратов предварительной подготовки исходной воды; собственно электродиализной установки; кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; фильтров, загруженных активированным углем БАУ или АГ-3. Технологические схемы бывают следующих типов:

1. прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход;

2. циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания;

3. циркуляционные ЭДУ непрерывного действия, в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью неполностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды;

4. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах.

Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании техникоэкономических расчетов. Исходными параметрами для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточных вод. Например, при суточном расходе более 300—500 м3 сточных вод считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа.

Применение мембран обессоливания. Для мембран обессоливания. работающих при больших давлениях, возможно как параллельное, так и последовательное соединение модулей.

Обратный осмос (гиперфильтрация) применяется для выделения из воды тончайших примесей на уровне молекул и ионов, поэтому в установках обессоливания значительную роль, в отличие от установок осветления, играет осмотическое давление раствора. Наиболее широко обратный осмос используется для обессоливания воды и доочистки СВ от растворенных органических и минеральных примесей, гидратированных ионов солей, мельчайших коллоидных примесей, бактерий и вирусов. Связь между осмотическим давлением и концентрацией раствора определяется законом Вант-Гоффа

Росм  СRT

где Росм  осмотическое давление, Па; С – концентрация моль/м3,

С= концентрац молярнаяма

ия , кг / м3

;

сса , кг / моль

R – универсальная газовая постоянная, R – 8.314 ДжК/моль; Т – температура , оК.

Рис. 98. Схема осмотического процесса: А – раствор; В – вода; Р – давление перед мембраной; Росм осмотическое давление раствора

Как видно из рис. 98, для производства обессолиной воды из соленой необходимо превысить осмотическое давление раствора. При содержании солей несколько граммов на литр это 515 бар, а для морской воды с концентрацией солей 3545 г/л 5080 бар.

Таким образом, при выделении растворенных примесей (например, солей) при доочистке воды или сточных вод требуется преодолеть гидравлическое сопротивление мембраны и осмотическое давление, которое может значительно возрастать в результате процесса концентрационной поляризации.

Для преодоления значительного гидравлического сопротивления мембран и осмотического давления раствора и растворителя нужно создать перед мембраной рабочее давление, значительно превышающее осмотическое, в пределах от 4 до 10 МПа. При этом будет происходить переход растворенных веществ из концентрированного раствора в разбавленный. Это явление называется обратным осмосом.

Перенос воды через мембрану характеризуется уравнением:

QS 

K p  S   P 

 Pосм Kt ,

где Qф  расход воды, прошедшей через мембрану; Кр  коэффициент проницае-

мости мембраны по воде; S  площадь поверхности мембраны;  P

• разность

  давлений по обе стороны мембраны;

   Pосм

• разность осмотических давлений

  по обе стороны мембраны; Кt  температурный коэффициент, учитывающий влияния вязкости воды.

  Расход воды при увеличении температуры на каждые 15оС возрастает на 2,53%.

  Перенос вещества через мембрану не зависит для данного раствора и данной мембраны от величины прикладываемого давления:

  QS 

  KS  S   C  Kt

   

  где KS  коэффициент проницаемости мембраны в отношении растворенного

  вещества;  С

• разность концентраций ионов по обе стороны мембраны;

 С  Сm  Cp  CE  

Концентрация солей в фильтрате:

Ср 

Q S QP

 KS  Cm  Cp .

K p   P   Pосм

Так как Ср мала по сравнению с Сm:

Сp 

KS  

K p    P 

• Cc

   Pосм 

   

  Степень концентрирования раствора перед мембраной:

   

  

  СК  СR

  Cc

   

  где CR — концентрация солей в отводимом рассоле.

  Суммарный проход соли PS зависит от выбора мембраны

  Cp

  

  PS 

  CE

   

  В существующих обратноосмотических аппаратах (рис. 99) исходная сточная вода (раствор) под давлением Р проходит мембрану и собирается в приемнике.

  

  Фильтрат (оч. вода)

  Рис. 99. Схема процесса очистки воды методом обратного осмоса: 1 – насос; 2 – мембранный модуль; 3 – полупроницаемая мембрана; 4 – редукционный клапан

  Размеры пор мембраны могут изменяться в широких пределах и определяются размерами задерживаемых загрязнений. Концентрат растворенных загрязнений отводится в специальную емкость из напорной камеры через клапан, редуцирующий давление до атмосферного. При содержании растворенных загрязнений (510) % потребное рабочее давление Р составляет

  (510) МПа (обычно не более 8 МПа). Эффективность процесса определяется типом и свойствами применяемых мембран, а диаметр задерживаемых частиц

  • размерами пор. Основными характеристиками их являются:

    удельная производительность (проницаемость) q, м3/м2сут;

В промышленности применяют ацетатцеллюлозные, плоские (листовые), трубчатые, спиральные (рулонные) мембраны и полиамидные мембраны из полых волокон с внутренним диаметром 2480 мкм. Последние более устойчивы к воздействию химических и биологических факторов, более долговечны. При эксплуатации под влиянием высокого давления и засорения проницаемость мембран снижается. Срок службы ацетатцеллюлозных мембран составляет 23 года, полиамидных 35 лет. Отечественная промышленность выпускает гиперфильтрационные ацетатные мембраны МГА–80, МГА–90, МГА–95 (цифра указывает процент улавливания примесей, т.е. характеризует селективную способность мембраны). Они рассчитаны на давление Р = 1...8 МПа, температуру Т ≤ 30 °С и рН = 3...8. Пропускная способность (проницаемость) этих мембран составляет соответственно 0,6; 0,35 и 0,25 м3м2сут. При монтаже промышленных установок для обессоливания воды мембранные модули соединяют по параллельной схеме для большинства установок сравнительно малой производительности (рис. 100 а) последовательно (рис. 100 б), когда надо увеличить выход фильтрата (до 7090 %). Для производства ультрачистой воды модули устанавливают последовательно в две ступени. При этом очищенная на I ступени вода подастся высоконапорным насосом на II ступень.

а б

Рис. 100. Схема параллельного (а) и последовательного (б) соединения модулей: 1 – фильтр; 2 – насос высокого давления; 3 – мембранные модули; 4 – отвод концентрата; 5 – отвод обессоленной воды (фильтрат)

Обратным осмосом можно в одну ступень обессолить морскую воду до качества питьевой, что позволяет процессу обратного осмоса конкурировать с термическими способами обессоливания (дистилляцией) тем более, что этот метод значительно проще и дешевле. Так, при давлении 6 МПа, и Кф = 25% обработка морской воды, предваритель1н6о9 подкисленной кислотой, при исход-

ном содержании солей до 33 г/л, позволяет получить солесодержание очищенной воды 190 мг/л. Этим способом можно удалить следы солей и растворенной органики после физико-химической, биологической или адсорбционной очистки.

При обработке воды обратным осмосом в объеме установки до мембраны происходит концентрирование примесей, которые могут осаждается на поверхности мембраны, выводя их из строя. Содержание веществ в концентрате непосредственно связано с коэффициентом выхода фильтрата.

Кф 

Qф  100%

Q

где Qф – расход фильтрата, м3/ч; Q – расход исходной воды, м3/ч; солесодержание концентрата

10  S

Sк ≈10

исх

где Sисх – концентрация веществ в исходной воде, мг/л.

Для обратного осмоса (гиперфильтрации) рабочее давление обычно составляет от 5 до 80 бар, а удельный выход фильтра qуд = 10...40 л/м2 ч. Для нанофильтрации рабочее давление составляет от 3 до 12 бар, проход одновалентных солей  10...80 %, двухвалентных  от 1 до 10 %. Растворенные органические вещества задерживаются также как на осмотических мембранах, qуд = 5О...1000 л/м2-ч.

Преимущества нанофильтрации по сравнению с гиперфильтрацией:

пониженные значения  Pосм и энергопотребления;

более экономичны для частичного обессоливания с обеспе чением необходимого умягчения воды;

обеспечивается очистка от органических загрязнений (обес цвечивание, удаление пестицидов и т.п.) при меньшей опас ности забивания мембран.

По сравнению с традиционными способами обработки воды методы гиперфильтрации и нанофильтрации обладают рядом преимуществ:

энергозатраты относительно не велики;

установки просты и компактны;

химикаты не применяются;

не требуется высокой квалификации обслуживающего пер сонала;

фильтрат может использоваться по оборотной схеме;

ввиду уменьшения объема концентрата он может быть лег ко использован или уничтожен.

Однако следует подчеркнуть, что большое влияние на стоимость процесса обессоливания оказывает качество исходной воды и требуемая глубина обессоливания. Необходимо тщательно учитывать затраты на предварительную обработку воды, особенности эксплуатации установок и соответствующие эксплуатационные затраты.

Контрольные вопросы

1. Сущность и схема процесса электродиализа.

2. Типы электродиализных аппаратов.

3. Схема процесса электродиализа.

4. Какие типы электродиализных аппаратов применяются?

5. Назначение обратного осмаса (гиперфильтрация).

6. Схема осмотического процесса.

7. Что выражает закон Вант-Гоффа ?

8. От чего зависит эффективность процесса очистки методом обратного осмоса?

9. Какие мембраны применяются при гиперфильтрации?

10. В чем преимущества нанофильтрации по сравнению с гиперфильтрацией?

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

zinref.ru

Очистка сточных вод методом электродиализа

Содержание

Введение……………………………………………………………………………3

1. Электродиализ………………………………………………………………….4

1.1 Ионообменные  мембраны……………………………………………………4

1.2 Сферы  применения электродиализа………………………………………...5

2. Обессоливание………………………………………………………………….6

2.1 Электродиализные  установки……………………………………………….10

3. Биполярный  электродиализ…………………………………………………..12

4. Электродиализ  в технологии редких металлов……………………………..14

4.1 Электродиализ  в технологии урана…………………………………………14

4.2 Электродиализ  в технологии рения…………………………………………17

Заключение………………………………………………………………………..20

Список  литературы……………………………………………………………….22               

Введение 

Очистка сточных  вод проводиться с целью устранения вредных и опасных свойств, которые  могут привести к пагубным последствиям в окружающей среде. Применение различных  технологий очистки направленно  на нейтрализацию, обезвреживание или  утилизацию ценных компонентов. Таким  образом, выбор технологии очистки  и оборудования зависит в первую очередь от свойств сточных вод  и их отклонений от свойств природных  вод. Другими словами, выбор метода очистки стоков зависит от вредных  факторов, которыми обладает сточная  вода [1].

Для очистки сточных  вод от различных растворимых  и диспергированных примесей применяют электрохимические процессы. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки без использования химических реагентов [2]. 

1. Электродиализ

Электродиализом называют процесс удаления из раствора ионов  растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные  к этим ионам, в поле постоянного  электрического поля. Таким образом, для осуществления электродиализа необходимо создание в качестве движущей силы градиента электрического потенциала.

Сущность процесса электродиализа состоит в том, что  при наложении постоянного электрического поля на раствор ионизированных веществ (электролитов)  возникает направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов H+ и OHˉ. Причем катионы движутся к отрицательно заряженному катоду, а анионы к положительно заряженному аноду, так как ионы – поляризованные частицы и в электрическом поле они перемещаются в соответствии со знаками своих зарядов. Если раствор разбить на секции с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или анионов, то катионы, двигаясь к катоду, будут свободно проходить через катионитовую мембрану. Для анионов же она практически непроницаема. Анионы, пройдя через анионитовую мембрану, будут двигаться к аноду. Таким образом, раствор разделится на обессоленную воду, находящуюся между мембранами, и концентрированные рассолы – щелочной католит и кислый анолит [3].

1.1. Ионообменные мембраны

Мембраны подразделяются по знаку заряда на катионитные и анионитные, а по способу получения на гетерогенные и гомогенные  (рис. 1)  [4]. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100 – 200 камер) с чередующими катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току [2]. 

Рис.1. Анионообменная и катионообменная мембрана.

Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы  и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой  порошок ионита, смешанный со связующим  веществом – каучуком, полистиролом, метилмеркаптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1 – 2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц [2].

Ионитные мембраны для процесса электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью и химической стойкостью.

1.2. Сферы применения  электродиализа

Обычно электродиализ  применяют для опреснения соленых  вод. В последнее время его  начали применять для выделения (регенерации) ценных компонентов из высококонцентрированных сточных  вод, образующихся при химической и  электрохимической обработке стали  и цветных металлов. В результате удаления из этих растворов катионов металлов и анионов кислот можно  получить растворы кислот и щелочей  и снова их использовать в производстве [5]. Метод электродиализа целесообразно  применять для очистки стоков после отдельных видов покрытия. Это дает возможность повторно не только использовать очищенную воду, но и утилизировать сконцентрированные вещества. Процесс электродиализа используется для очистки сточных вод от радиоактивных загрязнений [6].

2. Обессоливание воды

В настоящее время  для обессоливания воды используются многокамерные плоскорамные аппараты. Они представляют собой мембранный пакет, зажатый между пластинами, которые являются анодом и катодом соответственно  (рис.2). Мембраны разделены прокладками и турбулизирующими вставками (сетками), которые служат для улучшения гидродинамики движения растворов в аппарате. Стягивание мембранного аппарата может осуществляться как вручную с помощью стяжных шпилек, так и с помощью гидравлического оборудования  [3]. Количество и размер мембран в пакете зависят от требуемой производительности аппарата. В качестве материала электродов используют графит, нержавеющую сталь, платинированный титан, магнезит и др. Для процесса электродиализа используют постоянный ток напряжением до 380 B.

Когда включается постоянное электрическое поле, все катионы  устремляются к отрицательному полюсу. Если первая мембрана на пути катиона  является катионной, катион проходит через  нее в соседний водяной отсек, где происходит концентрация катионов, а первый отсек частично опресняется. Если ее первая мембрана на пути катиона  является анионной, то катион не может  пройти через нее и остается в  первом отсеке, который становится концентрирующим отсеком. Из рис. 2 видно, что анионы ведут себя аналогично, но движутся в противоположном направлении, так как их притягивает положительный  полюс.

В электродиализной батарее, где анионные и катионные  мембраны чередуются, каждый ион либо остается в своем отсеке, либо переходит  в соседний отсек, где он задерживается  мембраной противоположного свойства. В результате ионных перемещений  опресняющие отсеки чередуются с  концентрирующими.

Описанная выше система  представляет собой классический, или  однонаправленный, электродиализ (ЭД). Однонаправленным его называют потому, что полярность постоянного электрического поля не изменяется, ионы все время  движутся в одном направлении  и назначение водяных отсеков (опресняющих  и концентрирующих) сохраняется  неизменным.

Однонаправленный  ЭД имеет ряд недостатков, характерных  в той иной степени и для  других мембранных процессов. Для надежной работы установки, даже в течение  нескольких часов, обычно требуется  добавлять кислоту или комплексообразователь (например, гексаметафосфат натрия), или смягчители воды. Это вызвано присутствием в воде больших количеств углекислого кальция, стронция, сульфата бария и железа. Эти вещества оседают на поверхности мембран и снижают эффективность процесса концентрации. Неминеральные вещества, содержащиеся в воде (органические и неорганические коллоиды, микробиологические организмы, растворимые органические вещества), загрязняют поверхности мембран и не могут быть удалены в процессе ЭД. Обычно аппарат останавливают раз в неделю или месяц для очистки мембран, что более или менее эффективно.

Даже при добавления  комплексообразователя  пропускная  способность однонаправленных систем заметно снижается через несколько  месяцев, если вода насыщена сульфатом  кальция или органическими веществами.

Разница между обратимым  электродиализом и однонаправленным электродиализом заключается лишь в одном, но важном обстоятельстве. Если взять однонаправленную систему  ЭД (показанную на рис. 2), дать ей поработать некоторое время (15 мин), а затем  с помощью автоматического переключателя  изменить полярность приложенного электрического поля на тот же период времени и  непрерывно повторять эту процедуру, то получим систему, работающую по принципу обратимого электродиализа (ОЭД).

Отсек, который вначале  был опресняющим, при изменении  полярности тока становился концентрирующим, и наоборот. Это означает, что  вскоре после изменения полярности тока надо также переключать клапаны, через которые вода втекает и  вытекает. В момент переключения полярности также необходимо отвести оба  потока на период от 45 до 90с для очистки  всех отсеков до возвращения потока деминерализованной воды в отсеки и  продолжения процесса очистки.

Таким образом, ОЭД  осуществляется путем обращения  движения очищаемой воды через равные интервалы времени, так что нерастворимые  или плохорастворимые вещества удаляются из процессора, вместо того, чтобы оседать на мембранах.

Для работы системы  ОЭД вода должна поступать в опресняющие  отсеки под давлением порядка 5 … 6 МПа, включать источник постоянного  тока с устройством для автоматического  переключения полярности и мембранные батареи.

Выход очищенной  воды при ОЭД составляет от 90 до 95% поступающей воды при регулируемой циркуляции концентрированного потока и других дополнительных мерах. Обычная  рециркуляция концентрированного потока дает выход очищенной воды от 70 до 85%.

Расход электроэнергии можно приблизительно оценить как  сумму двух слагаемых – энергии, потребляемой водяным насосом (0,5 кВт·ч  на 1 м3 воды), и энергии, идущей на перенос ионов (0,5 кВт·ч на каждый 1 м3 воды и на каждый 1 г соли, удаленной из воды).

Система ОЭД обычно не требует предварительного умягчения  воды и могут обрабатывать воду с  температурой до 45ºС без какой – либо подготовки. Предварительная обработка требуется, когда концентрация железа больше 0,3 мг/л, а концентрация марганца и сероводорода свыше 0,1 мг/л. Присутствие кремнезема в воде не снижает эффективности ее очистки, поэтому его из воды не удаляют [7].

Рис. 2.  Схема электродиализной установки.

Метод электродиализа целесообразно применять для  опреснения воды с содержанием солей  от 2,5 до 10,0 г/л, получая воду с содержанием  солей не ниже 500 мг/л. В аппарат  может подаваться вода с такими качественными  показателями: содержание взвешенных веществ – не более 2 мг/л; цветность  – до 20 град; окисляемость – до 5 мг O2/л; содержание железа – до 0,1 мг/л [7].

В зависимости от требуемой производительности и  глубины обессоливания выбирается режим работы электродиализных аппаратов. В некоторых случаях возможна установка нескольких аппаратов, включенных последовательно и работающих на проток (по диллюату). В основном же применяется схема с циркуляцией диллюата и постоянным отбором обессоленной воды и подводом исходной. При необходимости получения глубокообессоленной воды электродиализный аппарат работает в периодическом режиме. Диллюат циркулирует в аппарате до достижения требуемой глубины обессоливания, а затем полностью выводится из аппарата и заменяется новой порцией исходной воды [3].  

2.1. Электродиализные  установки

Электродиализные  опреснительные установки разделяют  на прямоточные, циркуляционные порционные и циркуляционные непрерывного действия.

В прямоточных солесодержание опресняемой воды снижается от исходного  до заданного за один проход через  установку. В зависимости от солесодержания исходной воды эти установки могут  иметь одну  и более ступеней (рис. 3).

Рис. 3. Схемы прямоточных  электродиализных установок: а –  одноступенчатая; б - многоступенчатая; 1- бак исходной воды; 2- бак рассола; 3- электродиализатор; 4- насос

Прямоточная система  рекомендуется при больших производительностях  электродиализной установки (ЭДУ). В  этой схеме степень очистки зависит  только от продолжительности пребывания воды в ячейках. Недостаток схемы  заключается в чувствительности к колебаниям качества исходной воды. Порционные схемы ЭДУ легко регулируются при колебаниях качества воды за счет изменения режима рециркуляции. Их недостаток – в большей энергоемкости, в сравнении циркуляционной системой

В циркуляционных порционных опреснительных установках опресняемая  вода забирается насосом из бака соленой  воды и прокачивается в тот  же бак через опреснительные делюатные камеры многокамерного электродиализного аппарата до требуемой величины. Одновременно при помощи другого насоса осуществляется циркуляция рассола через рассольные камеры до того же аппарата. По достижении требуемой опреснения воды производится переключение аппарата на второй бак подлежащей опреснению воды. Опресненная вода из первого бака поступает потребителю.

stud24.ru

5.7. Электродиализ | Всё о красках

Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В последнее время его начали применять и для очистки промышленных сточных вод.

Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых состоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды, – чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щёлочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

В простейшем электродиализаторе имеются две мембраны. Одна из них – анионообменная – пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана – катионообменная – расположена со стороны катода и пропускает катионы в катодное пространство. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными: 100-200 камер с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току. Электродиализатор (рис. 1.45) разделён чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры.

Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («–»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (например, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.

Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол (табл. 1.6).

Электродиализные аппараты бывают двух типов: прокладочные и лабиринтные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000х200, «Родник-3») имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2-20 м3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность 1-25 м3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов - для сточных вод с концентрацией солей 3-8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет промывка электродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза.

Таблица 1.6

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды; 2) собственно электродиализ ной установки; 3) кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; 4)фильтров, загруженных активированным углем БАУ или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают следующих типов – прямоточные, циркуляционные порционные, циркуляционные непрерывного действия.

Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход.

Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания.

Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 1.46), в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов. Исходными параметрам и для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточных вод. Например: при суточном расходе сточных вод более 300-500 м считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100-200 камер) с чередующимися катионо - и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом, метилмер-каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины.

Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1-2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке 1 м сточной воды, содержащей в 1 л 250 мг примесей, до остаточного содержания солей 5 мг составляет 7 кВт/ч. С увеличением содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки.

vseokraskah.net

Смотрите также

• 
  Полторашка воды
• 
  Хреновая вода
• 
  Вода жиросжигатель
• 
  Покровитель воды
• 
  Электродиализ воды
• 
  Полторашка воды
• 
  Ретекстур воды
• 
  Вода зарница
• 
  Вода хреновая
• 
  Хреновая вода
• 
  Вода жиросжигатель