4. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

Недостатком электродиализа, прежде всего, является малая интенсивность (как в случае всех электрохимических процессов, протекающих в диффузионной области).

Производительность электродиализатора пропорциональна его токовой нагрузке. Однако бесконечно увеличивать силу тока нельзя, так как при соответствующем увеличении плотности тока выход получаемого продукта резко падает. Кроме того, при плотности тока выше предельной начинают идти побочные процессы, мешающие нормальному протеканию основной реакции. Высокая плотность тока снижает ресурсные характеристики работы мембран. Потому актуально создание методов борьбы с концентрационной поляризацией, основанных на электроосмосе второго рода, формировании развитой неустойчивости, нестационарных процессах [111].

Как уже отмечалось выше, одним из основных направлений развития электродиализного обессоливания воды и выделения ценных компонентов является увеличение производительности установок, наряду с совершенствованием конструкций аппаратов и оптимизацией технологического режима. Поэтому остановимся более подробно на некоторых конструктивных особенностях электродиализных установок.

4.1. Конструкционные решения

В СССР был освоен серийный выпуск электродиализных установок ЭОУ НИИПМ-25-2; ЭДУ-50; ЭДУ-400х2; передвижной опреснительной электродиализной установки СЕХО-П, которая широко используется для опреснения вод солончаковых источников в восточных районах Казахстана, а также установок ЭДУ-100; ЭДУ-1000x2; ЭДУ-400-4, используемых для подготовки воды парогенераторов типовых электростанций.

Однако использование этих аппаратов для регенерации промывных вод гальванопроизводств не представляется возможным в основном по двум причинам: во-первых, аппараты рассчитаны на высокое содержание минеральных солей, в то время как минерализация промывных вод существенно ниже; во-вторых, мембраны МА-40 химически неустойчивы в хром-содержащих растворах. Хотя для регенерации промывных вод гальванопроизводств необходимы отличные от обессоливающих электродиализные установки, инженерные решения в их аппаратурном оформлении могут быть достаточно общими. В связи с этим нам представляется целесообразным рассмотреть обзор конструкций электродиализных аппаратов, применяемых для обессоливания воды.

Наиболее распространенной конструкцией из вышеперечисленных аппаратов являются аппараты фильтр-прессного типа. Электродиализатор фильтр-прессного типа (рис. 4.1) состоит из двух электродных камер:

87

катодной камеры (1) и анодной камеры (2), между которыми зажат пакет чередующихся катионитовых и анионитовых мембран (3) и (4). Со стороны анода (5) крепится анионообменная мембрана, а со стороны катода (6) - катионообменная. Мембраны фиксируются при помощи специальных рамок (7), изготовленных из материала, не проводящего электрический ток. Пространство, заключенное в рамке между анионитовой и катионитовой мембранами, образует камеры концентрирования и обессоливания. Камера, в которой со стороны анода располагается анионообменная мембрана, является обессоливающей, следующая за ней - камера концентрирования. Аппараты такого типа имеют достаточно сложную схему питания растворами. Существует несколько схем: параллельная, последовательная и комбинированная. Последняя включает в себя элементы параллельной и последовательной схем. Показанный на рис. 4.1 аппарат имеет параллельную схему питания.

Рис. 4.1. Эскиз электродиализного аппарата фильтр-прессного типа: 1 - катодная камера; 2 - анодная камера; 3 - катионообменная мембрана; 4 - анионообменная мембрана; 5 - анод; 6 - катод; 7 - рамка; 8 - турбулизатор

Более сложной является последовательная схема, так как для практической ее реализации в рамках аппарата высверливаются дополнительные отверстия, расположенные в строго определенном порядке, по которым раствор подается в камеры электродиализатора. Предотвращение прогиба мембран и турбулизация потока жидкости в камерах аппарата достигается введением сепараторов-турбулизаторов различной конструкции.

88

Параметры процесса во многом определяются типом используемых рамок: лабиринтно-листовые, рамочно-сепараторные, струнные. Анализ различных типов рамок выполнен Гребенюком [116], его основные результаты представлены в табл. 4.1. Вследствие определенных конструктивных особенностей разделительной прокладки, она играет роль турбулизатора, тем самым в заметной степени снижает поляризационные эффекты на границах мембрана-раствор.

Таблица 4.1

Основные показатели процесса электродиализа с использованием различных типов рамок [116]

Основным направлением интенсификации процесса электродиализа является увеличение рабочей плотности тока, а следовательно, производительности аппарата при тех же капитальных затратах. Однако такой путь имеет ограничения, связанные с концентрационной поляризацией мембран, которая при значительном увеличении плотности тока ведет к снижению выхода по току из-за непроизводительного расхода энергии на перенос ионов среды. Подщелачивание раствора ведет к осадкообразованию на мембранах, которое сначала приводит к увеличению затрат электроэнергии, а далее - к выводу электродиализатора из рабочего состояния.

Введение в межмембранное пространство специальных перемешивающих приспособлений - турбулизаторов - позволяет повысить эффективность электродиализатора при обессоливании растворов.

Из литературы [117-119] видно, что наибольшее распространение получили турбулизаторы лабиринтного, сеточного типа и выполненные в виде гофрированной пластины. В настоящее время наибольшее предпочтение отдается турбулизаторам сеточного типа. Их использование [117] позволяет расширить пределы экономичного использования электродиализной

89

технологии вплоть до получения остаточного солесодержания воды 5-6 мг/л (исходная концентрация соли в воде 15 г/л).

Интенсивной турбулизации потока жидкости можно добиться, используя барботаж [202, 203]. Воздушное перемешивание в камере обессоливания позволяет увеличить коэффициент массопереноса в 5÷10 раз, причем при этом достигается высокая равномерность перемешивания по всей длине рабочей камеры. Важно отметить и тот факт, что интенсивное перемешивание растворов воздухом значительно сокращает осадкообразование на мембране, а также снижает затраты энергии. Так как турбулизаторы экранируют часть рабочей поверхности мембран и тем самым ухудшают технико-экономические показатели процесса, использование барботажа в этих целях является достаточно перспективным.

Поскольку метод электродиализа относится к энергоемким процессам, то важными являются мероприятия, направленные на снижение расхода электроэнергии. Например, снижение расхода энергии происходит за счет устранения воздушных пробок в камерах концентрирования или за счет уменьшения утечек тока.

Весьма интересной является конструкция многокамерного электродиализного аппарата фильтр-прессного типа [204], отличающаяся от известных конструкций аппаратов тем, что в качестве фиксаторов расстояния между мембранами используются струны, расположенные взаимно параллельно в каждой камере и взаимно перпендикулярно в любых двух соседних камерах (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Фильтр-прессный электродиализатор с прокладкой струнного типа: 1 - анионобменная мембрана; 2 - катинообменная мембрана; 3 - прокладка струнного типа

Исследования показали, что аппараты этого типа достаточно надежны в работе, а использование тонких струн уменьшает расстояние между мембранами, что делает аппарат более экономичным. В табл.4.2 приведены результаты исследований Лысенко [205], проведенных на опытных аппаратах, которые наглядно иллюстрируют преимущества электродиализаторов со струнными прокладками.

90

Таблица 4.2

Технические данные электродиализаторов со струнными прокладками [205]

С целью упрощения конструкций и монтажа аппарата был предложен аппарат безрамочной конструкции [206]. Роль камер обессоливания и камер концентрирования играют канавки (рис. 4.3), заранее вырезанные на поверхности мембран. Канавки могут быть вырезаны с одной стороны мембран во взаимно перпендикулярном направлении или с обеих сторон только катионо- или только анионообменных мембран также во взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис. 4.3. Расположение профилированных мембран в электродиализаторе безрамочной конструкции

91

Для обессоливания низкоминерализованной воды достаточно эффективно могут работать насадочные электродиализаторы, которые отличаются от обычных тем, что в камеру обессоливания, в которой максимальное сопротивление раствора, вводится определенное количество гранулированного ионита (чаще смесь катионита и анионита заданного состава).

Гранулы ионита достаточно эффективно перемешивают раствор и тем самым устраняют явление поляризации мембран, а также увеличивают электропроводность раствора, что позволяет получать дистиллированную воду. Использование насадочных электродиализаторов в некоторых случаях бывает эффективнее, чем использование струнных аппаратов. Об этом свидетельствуют данные работы [207], представленные в таблице 4.3.

Таблица 4.3

Затраты электроэнергии на обессоливание в насадочном и струнном электродиализаторах [207]

Одним из важнейших преимуществ электродиализного способа очистки и регенерации стоков является возможность автоматизации процесса. Автоматизации процесса электродиализа уделяется большое внимание. Предложено несколько устройств, позволяющих автоматически регулировать плотность тока.

Электродиализ разбавленных растворов (С < 0,005 моль/л) имеет свои особенности. Применение обычных конструкций аппаратов, успешно работающих в области более высоких концентраций, оказывается неэффективным: перенос ионов соли снижается в большей степени, чем происходит уменьшение их концентрации; выход по току резко падает вследствие интенсивной диссоциации воды; происходит сдвиг рН обессоливаемого раствора (обычно он становится кислым); уменьшается степень обессоливания раствора. Усилиями многих исследователей, направленными на уменьшение межмембранного расстояния в электродиализных аппаратах, использование в мембранных каналах активных (ионопроводящих) сепараторов и ионообменных насадок, мембран с физически или химически модифицированной поверхностью, а также благодаря использованию на практике новых приемов интенсификации массопереноса в мембранных системах были созданы достаточно эффективные электродиализаторы для глубокого обессоливания растворов электролитов. Такие аппараты расширили область использования электродиализа вплоть до получения деионизированной воды

92

с удельным сопротивлением 1-10 МОм·см [55, 56, 208-213], однако скорость процесса все же остается недостаточной.

Анализ показывает [209, 217, 218], что уменьшение межмембранного расстояния улучшает технико-экономические показатели (увеличивается степень обессоливания и уменьшается омическое сопротивление мембранного канала), а использование сепараторов позволяет увеличить массо-перенос в 5-7 раз [218, 219]. Однако уменьшение толщины мембранного канала и расстояния между прерывателями потока до долей миллиметра приводит к резкому увеличению вязкостных сил по сравнению с силами инерции, усилению влияния "пристеночных" эффектов, поэтому попытки интенсификации массопереноса путем введения в канал геометрических вставок, возмущающих поток (турбулизация, прерывание, закручивание потока), в каналах толщиной h < 0,3 мм становятся неэффективными. Поэтому ряд авторов предлагают дополнительные приемы интенсификации, заключающиеся в использовании таких явлений, как электроконвекция, гравитационная конвекция и экзальтация предельного тока [209, 220, 221].

В заключение раздела отметим некоторые моменты, которые, по нашему мнению, важны при разработке и конструировании электродиализных аппаратов. При выборе материала электрода необходимо учитывать химические свойства среды, в которой предполагается работа электрода (при выборе оксидных электродов необходимо, чтобы оксид металла обладал электронной проводимостью). Ионообменные мембраны должны обладать высокой селективностью и электропроводностью, малой скоростью свободной диффузии, низкой осмотической проницаемостью, достаточно высокой химической и механической прочностью, стабильностью размеров. Рамки прокладок в аппаратах фильтр-прессного типа должны обеспечивать минимальное расстояние между мембранами, а турбулизаторы в достаточной степени перемешивать поток жидкости при минимальном экранировании мембран. При разработке конструкции аппарата необходимо учитывать возможность его автоматизации.

В последнее время уделяется внимание использованию для интенсификации электродиализа других форм тока, отличных от постоянного [49, 199]. Например, проведение электродиализа на импульсном униполярном токе позволяет снизить затраты электроэнергии в 3-5 раз, увеличить обменную производительность мембраны в 2-4 раза. По всей видимости, это связано с особенностью влияния импульсного униполярного тока на механизм транспорта ионов в мембране и растворе. Рассмотрим некоторые особенности ведения электродиализа в нестационарном токовом режиме.

93