|
В настоящее время для обессоливания воды электродиализом используются многокамерные плоскорамные аппараты. Они представляют собой мембранный пакет, зажатый между пластинами, которые являются анодом и катодом (рис. 6.6). Для уменьшения омических потерь в растворе расстояние между электродами, а соответственно – и между мембранами, должно быть минимально возможным. Интервалы между мембранами обеспечиваются прокладками различной конструкции, чаще всего – лабиринт но-сетчатыми. Прокладки выполняют также важную роль турбулизации потока воды для улучшения гидродинамики движения растворов в аппарате, а также уменьшения опасности возникновения отложений и снижения концентрационной поляризации. Во избежание образования застойных зон в камерах концентрирования значительную часть (до 80 %) получаемого концентрата возвращают в аппарат – создается циркуляционный контур.
Стягивание мембранного пакета может осуществляться как вручную с помощью стяжных шпилек, так и с помощью гидравлического оборудования. Количество и размер мембран в пакете зависят от требуемой производительности аппарата. В качестве материала электродов используют графит, нержавеющую сталь, платинированный титан и др.
а
б
Рис. 6.6. Многокамерные электродиализаторы горизонтального ( а )
и вертикального ( б ) типа
Режим работы электродиализных аппаратов выбирается в зависимости от требуемых производительности и глубины обессоливания.
В некоторых случаях возможна установка нескольких аппаратов, включенных последовательно и работающих на проток (по дилюату).
В основном же применяется схема с циркуляцией дилюата, постоянным отбором обессоленной воды и подводом исходной. При необходимости получения глубокообессоленной воды электродиализный аппарат работает в периодическом режиме. Дилюат циркулирует в аппарате до достижения требуемой глубины обессоливания, а затем полностью выводится из аппарата и заменяется новой порцией исходной воды.
С ростом концентрации солей в рассольном контуре аппарата и снижением концентрации в дилюатном контуре процесс очистки ухудшается. Это связано с ростом сопротивления дилюата, а также с явлением концентрационной поляризации. Последнее вызывается тем, что движение ионов через мембрану идет с большей скоростью, чем в растворе. Это приводит к падению концентрации электролита около принимающей стороны мембраны и повышению концентрации около отдающей стороны. Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация электролита около принимающей стороны мембраны снижается до нуля и начинается перенос Н + и
ОН – -ионов, образующихся при электролизе воды. Это вызывает перерасход энергии, изменение рН, нагревание раствора. Солесодержание при этом не изменяется.
Для повышения эффективности работы электродиализного аппарата, снижения количества вторичных отходов (рассола) возможна установка на рассольном контуре так называемого электроосмотического аппарата концентрирования [243, 244]. При этом рассольный контур электродиализного аппарата является входным для электроосмотического концентратора, из последнего выводится концентрированный рассол (180–250 г/л). В рассольном контуре электродиализного аппарата поддерживается солесодержание, оптимальное для заданных условий обессоливания.
Вода, подаваемая на опреснение в электродиализатор, должна отвечать определенным требованиям. Поскольку разделение происходит на ионитных мембранах, то все загрязнения, «отравляющие» иониты (органика, железо, окислители и т.п.), могут привести мембраны в негодность и должны быть предварительно удалены. Существенное негативное влияние на процесс электродиализа оказывает наличие в воде солей жесткости и железа. Нерастворимые соли кальция откладываются на поверхностях мембран, что ведет к повышению сопротивления и падению производительности. Железо, находящееся в воде в растворенном виде, накапливается в структуре мембран, вследствие чего мембраны теряют электропроводность. Наличие в воде взвешенных веществ приводит к забиванию ячеек аппарата и падению его производительности. Для борьбы с этими явлениями проводят предварительную обработку воды, включающую удаление взвесей и коллоидов, а также умягчение воды. Для удаления железа аппарат промывают растворами кислот. Все это ведет в конечном итоге к существенному увеличению количества вторичных отходов и делает процесс очистки малоэффективным.
Вода, подаваемая на электродиализное опреснение, должна иметь следующие показатели:
- жесткость общая < 20 мг-экв/л;
- взвешенные вещества < 1,5 мг/л;
- цветность < 20 ° по платино-кобаль-
- товой шкале;
- перманганатная окисляемость < 5 мг О 2 /л;
- железо общее (Fe) < 0,05 мг/л;
- марганец общий (Mn) < 0,05 мг/л;
- бораты (по ВО 2 ) < 3 мг/л;
- бром (Br) < 0,4 мг/л;
- алюминий (Al) < 0,05 мг/л.
Напряжение на электродиализаторе (в зависимости от количества камер, степени минерализации исходной и деминерализованной воды) может колебаться в пределах от 300 до 1000 В. Плотность тока – 0,2–1,0 А/дм 2 . Чем больше плотность тока, тем больше затраты электроэнергии. При резком увеличении плотности тока может начаться перегрев и даже прогорание мембран – допустимая температура их нагрева – не более 60 °С.
Расход электроэнергии при оптимально организованной технологии и минерализации исходной воды около 1 г/л составляет примерно
1 кВт/м 3 , а при большем солесодержании растет примерно пропорционально количеству удаляемых ионов.
Область применения электродиализа ограничивается солесодержанием растворов 0,5–10 г/л, так как при меньших концентрациях падает проводимость раствора и уменьшается эффективность использования электроэнергии, а при бoльших – процесс становится экономически невыгоден вследствие существенного роста энергозатрат в пересчете на единицу объема очищенной воды.
Соответственно, электродиализ наиболее часто применяется для получения питьевой воды с солесодержанием 0,2–0,5 г/л из солоноватых подземных вод или слабосоленой морской.
Обычный электродиализный аппарат способен обессолить воду до нескольких десятков миллиграмм на литр и получить концентрат с максимальным содержанием солей до 35 г/л.
Для получения большего концентрирования солей используют специальные дополнительные аппараты – концентраторы (например, электроосмотические). Их основное применение заключается в возможности создания бессточных систем водоподготовки и очистки жидких отходов (например, радиоактивных), где они получили промышленное применение [242, 243].
В отечественной промышленной водоподготовке электродиализ экспериментально был внедрен в 70–80 года ХХ века. Промышленные модули производительностью до 50 м 3 /час были установлены на Новочеркасской ГРЭС, ТЭЦ- 25 г . Москвы и ряде других объектов. Уровень технологий, отвечающий тому времени, не обеспечивал стабильной и надежной работы этих систем. А появление промышленных обратноосмотических установок в этот же период заметно снизило интерес к развитию метода электродиализа применительно к промышленной водоподготовке.
На современном этапе наиболее перспективным применением электродиализа является очистка промышленных стоков (гальваническое производство, производство минеральных удобрений и др.), обработка концентрированных стоков в мембранных технологиях, концентрирование продуктов в молочной промышленности и т.д. |
