Электродиализ

Электродиализ воды является своеобразным вариантом классического метода ионного обмена с той разницей, что ионитный слой заменен в нем специальными ионообменными мембранами, а движущей силой процесса является внешнее электрическое поле.

При наложении постоянного электрического поля на раствор в последнем возникает движе­ние ионов растворенных солей, а также ионов Н⁺ и ОН^-, причем катионы движутся к катоду, а анионы—к аноду. При достижении катода катионы, а также молекулы воды вос­станавливаются, например

2Н₂О + 2е→Н₂↑+ 2ОН^- (1)

2Н ⁺ +2е→Н₂↑.

На аноде происходит окисление анионов:

4ОН^- -4е→2Н₂О + О₂↑; (2)

2Сl^- -2е→С1₂↑.

Если в электродную ячейку поместить ионообменные мем­браны: катионообменную, пропускающую лишь катионы,— око­ло катода, а анионообменную, пропускающую только анионы, — около анода, то объем ячейки будет разделен на три камеры. В этом случае в катодную камеру из средней могут проходить только катионы, мигрирующие к катоду, а в анод­ную— анионы, мигрирующие к аноду. Концентрация ионов в средней камере будет уменьшаться и, наоборот, в приэлектродных камерах увеличиваться.

Ток, проходящий через раствор, устанавливается в зави­симости от природы растворенных веществ, их концентрации, характеристик мембран и подведенного напряжения. Обычно при электродиализе принято пользоваться плотностью тока, представляющей отношение силы тока через раствор к площади электрода. Плотность тока в растворе не должна превышать некоторого определенного значения—предельной плотности тока, выше которой начинается интенсивный перенос через раствор ионов Н⁺ и ОН^-, а интенсивность переноса других ионов стабилизируется.

Теоретическое количество электричества Q_теор, расходуемого на перенос 1 г-экв вещества, согласно закону Фарадея равно 96 491 Кл, или 26,8 А*ч. Количество электричества, А*ч, необходимого для обессоливания 1 м³ воды от концентрации C₁ до концентрации С₂ (г-экв/м³), определяется из выражения

где I—сила тока, проходящего через раствор, А; τ — время, ч.

Эффективность процесса электродиализа вр многом зависит от свойств ионообменных мембран.

Различают два типа таких мембран—гетерогенные и гомогенные. Гетерогенные мембраны получают вводом частиц ионообменных материалов в пленкообразующие смолы.

Ионообменные материалы имеют склонность набухать в воде, и поэтому гетерогенные мембраны отличаются малой механической прочностью. В гомогенных мембранах ионообменная часть образует единый комплекс с пленкой.

Гомогенные мембраны получают или полимеризаци­ей смеси реагентов, причем один из них должен содержать ионообменную группу, или введением ионообменных групп в уже готовые пленки. Для повышения прочности мембран их обычно формуют на упрочняющих сетках.

Качество мембран характеризуется их толщиной, склонно­стью к набуханию, механической прочностью, селективностью, удельным электрическим сопротивлением и т. д. Селективность мембраны, т. е. способность ее пропускать ионы, определяется числом переноса через нее определенных ионов, которое представляет отношение электрического тока, переносимого данным видом ионов, к полному току. Обычно селективность мембраны определяют по переносу ионов Na⁺ или С1^-. Чем выше число переноса, тем более селективна мембрана. Наиболее качественны мембраны, имеющие малое электрическое сопроти­вление, небольшую толщину и слабую склонность к набуханию.

Основным ограничением производительности электродиализ­ных аппаратов является концентрационная поляризация на мембранах. Возникает она вследствие того, что числа переноса ионов через мембрану гораздо выше, чем в растворе. Иначе говоря, ионы проходят через мембрану быстрее, чем через раствор. Поэтому концентрация ионов у поверхности мембраны со стороны камеры обессоливания резко обеднена. С другой стороны мембраны ионы недостаточно быстро отводятся в глубь раствора, и у поверхности создается повышенная концентрация ионов. Поэтому в итоге устанавливается определенный поток ионов через мембрану, который регулируется диффузионными процессами доставки и отвода ионов. Концентрационная поляризация является причиной явления, при котором повыше­ние плотности тока уже не приводит к интенсификации перехода ионов через мембрану. При предельной плотности тока концентрация ионов со стороны входа ионов в мембрану стремится к нулю и начинается перенос Н⁺ и ОН" ионов, образующихся при диссоциации и электролизе воды, что нежелательно, так как это вызывает излишний расход энергии, изменяет рН воды и не приводит к изменению ее солесодержания.

Относительно высокое солесодержание дилюата, получа­емого с электродиализаторов, не дает возможности испо­льзовать этот метод на ТЭС без дополнительной очистки воды. Поэтому в настоящее время разрабатываются ком­бинированные схемы подготовки воды на основе сочетания электродиализа и ионного обмена. На рис. 4.12 представлены варианты комбинированных схем ВПУ. Как видно, элек­тродиализные аппараты включаются в схему после предочистки и перед ионообменными фильтрами. К качеству воды перед

ГЛАВА 4. ОБРАБОТКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ НА ТЭС

Дата добавления: 2014-01-13