Одной из важнейших технологических операций, имеющих большое значение для многих отраслей промышленности, является разделение. Среди известных методов разделения важная роль принадлежит мембранным методам [13, 51, 52, 54]. Мембранные методы разделения используются в химической и нефтехимической промышленности, в микробиологии, в фармацевтической промышленности и в других областях народного хозяйства. Особенно широко эти методы применяются для обессоливания и очистки сточных вод. В основе метода мембранного электролиза лежит явление переноса ионов через ионообменные мембраны под действием электрического тока.
Основным преимуществом электродиализа перед ионообменной технологией, которая в ряде случаев может решать те же задачи, что и электродиализ [90-92, 98, 104], является отказ от потребления химреактивов для регенерации и применение удобного вида энергии - электрической. Недостатком электродиализа является малая интенсивность (как в случае всех электрохимических процессов, протекающих в диффузионной области).
Ионообменные мембраны отличаются от традиционно применяемых в электрохимии пористых перегородок тем, что с их помощью обеспечивается преимущественный перенос одноименно заряженных ионов. Через идеальную катионообменную мембрану осуществляется перенос только катионов, через анионообменную - только анионов. В реальных условиях мембраны переносят ионы обоих зарядов, поскольку не обладают идеальной селективностью.
68
Принцип мембранного электролиза можно рассмотреть на примере двухкамерного мембранного электролизера, изображенного на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Принципиальная схема мембранного электролизера
Анодное и катодное пространства электролизера разделены ионообменной (катионообменной) мембраной, практически непроницаемой для газов и жидкостей в отсутствии электрического тока. В анодном пространстве имеются анионы (А1), катионы (К1), растворитель (S1), недиссоциирующее соединение (N1). В катодном пространстве находятся соответствующие компоненты раствора А2, К2, S2, N2. Под действием электрического тока катион К1 перемещается через катионообменную мембрану к катоду, захватывая при этом растворитель S1. Катион К2 может перемещаться в катодную камеру только за счет диффузии, направление электрического поля этому движению препятствует. Анионы А1 и А2,недиссоциированные соединения N1 и N2, растворитель S2 через мембрану практически не переносят.
За счет электродных реакций в анодном пространстве электролизера происходит образование продукта окисления О и возможно выделение газа G1. В катодном пространстве образуется продукт восстановления R и возможно выделение газа G2. Если продукт окисления О в анодной камере является катионом, он также может переноситься через мембрану в катодную камеру. Аналогично можно рассмотреть и двухкамерный мембранный электролизер с анионообменной мембраной, обеспечивающей перенос анионов и предотвращающей перенос катионов.
Направленное движение одних компонентов раствора и надежное отделение других позволяет осуществлять процессы в одном технологическом аппарате с высокой избирательностью (селективностью) и достигать
69
достаточную чистоту целевых продуктов. Многие процессы, осуществляемые путем мембранного электролиза, не имеют аналогов.
Широкое распространение получил специфический вид мембранного электролиза - электродиализ, осуществляемый, как правило, в многокамерных мембранных электролизерах, в которых электроды размещаются только в крайних камерах. Схема наиболее распространенного электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами приведена на рис. 2.13.
Рис.2.13. Принципиальная схема электродиализного аппарата:
1 - рассольная камера;
2 - дилюатная камера;
3 - отвод анолита;
4 - анод; 5 – приэлектродная камера;
6 - катод; 7 - отвод католита;
8 - прокладки турбулизатора
В процессе электродиализа за счет направленного потока ионов образуются два потока: разбавленный по концентрации электролита раствор и концентрированный раствор. При электродиализе наблюдается главным образом изменение ионного состава жидкостей, а электродные реакции, протекающие в крайних камерах, играют вспомогательную роль. Процессу электродиализа посвящен ряд специальных монографий [12, 13, 56,57, 114].
70
