Основы электродиализа
Деминерализация воды электродиализом основана на способности набухших ионообменных мембран пропускать ионы только одного знака заряда. Указанная способность объясняется высокой концентрацией неподвижных (фиксированных) ионов, химически связанных с каркасом, или матрицей мембраны. Заряд фиксированных ионов нейтрализуется эквивалентным количеством ионов противоположного знака заряда (противоионов). Между фиксированными ионами и противоионами существует ионная связь. Поэтому в набухшей мембране пара фиксированный ион — противоион диссоциирована. Так как концентрация фиксированных ионов велика, то при равновесии с разбавленными водными растворами ионы, одноименные с фиксированными (ко-ионы), проникают в мембрану в очень незначительном количестве. В связи с этим практически единственными переносчиками тока в ионообменных мембранах являются противоионы.
Электродиалигаторы, предназначенные для деминерализации, обычно выполняют в виде аппаратов фильтр-прессного типа. Между двух прижимных рам у краев расположены электродные камеры, а между ними друг за другом, но отделенные одна от другой рамками — катионо- и анионообменные мембраны.
В электродиализе электроды играют вспомогательную роль: они служат для подвода тока. Селективные свойства катионо- и анионообменных мембран позволяют осуществлять процесс обессоливания во всех четных камерах и процесс концентрирования раствора в граничащих с ними нечетных камерах концентрирования. Многокамерные аппараты выгодны тем, что в них затраты электрической энергии на процесс электролитического разложения воды и преодоления омического сопротивления раствора в электродных камерах минимальны.
Основным элементом электродиализатора являются мембраны. Если бы они не обладали селективностью по отношению к знаку заряда ионов, то эффекта очистки воды от солей не было бы. Чтобы удовлетворить требованию минимального расхода электрической энергии, ионообменные мембраны должны обладать максимальной селективностью, т. е. большими числами переноса противоионов и хорошо проводить электрический ток. Их толщина должна быть по возможности малой, чтобы сопротивление электрическому току было невелико, но достаточной для обеспечения прочности мембраны к механическим нагрузкам, связанным с неравномерным распределением гидравлического давления в камерах обессоливания и концентрирования.
Селективность мембран в первую очередь определяет выход по току. Выход по току снижается еще и вследствие утечек тока и диффузии солей из камер концентрирования в камеры обессоливания.
Степень концентрирования раствора при электродиализе всегда ограничена, так как осмотический и электроосмотический перенос воды, как правило, направлен в ту же сторону, что и перенос соли.
При обессоливании природных вод степень концентрирования рассола ограничена возможностью выпадения осадка в камере концентрирования. Во избежание этого необходимо, чтобы произведение концентраций указанных ионов не превышало произведения растворимости сульфата кальция. При обессоливании жестких вод нужно исключить нежелательное отложение CaSO4 на мембранах и в соединительных каналах возможно при большом расходе исходной воды на промывку; в этом случае соотношение объема продукта к объему промывных вод составляет 1:1.
Плотность тока в электродиализаторах колеблется в пределах 0,2—1,0 А/дм2, причем чем больше плотность тока, тем выше производительность аппарата, но тем значительнее, затраты электрической энергии на получение 1 м3 обессоленной воды. Для каждого конкретного случая существует оптимальная плотность тока, которая обеспечивает достаточно высокую производительность процесса при относительно небольшом расходе электрической энергии. В зависимости от числа камер, степени минерализации исходной и получаемой воды напряжение на электродиализаторе бывает равным 300—500 В, но иногда достигает 900—1000 В. Более высокие напряжения нежелательны по соображениям техники безопасности. Число электрически последовательно соединенных камер в отдельном блоке опреснительного аппарата колеблется от 100 до 1000.
По режиму питания электродиализные установки разделяют на прямоточные, когда требуемая степень обессоливания воды достигается за один проход жидкости через аппарат, и циркуляционные, когда вода в процессе обработки проходит через аппарат несколько раз. Встречаются и установки смешанного типа, например, при обессоливании морской воды в малопроизводительных установках, где вода, подлежащая обессоливанию, многократно циркулирует через систему, а промывочная вода в камерах концентрирования сбрасывается после одного прохода.
По способу соединения камер в гидравлическую схему электродиализаторы делят на аппараты с последовательным и параллельным соединением цепи. При последовательном соединении камер благодаря большому пути, преодолеваемому обрабатываемой жидкостью, лучше обеспечивается прямоточная работа электродиализаторов, но из-за перепада давлений в соседних камерах механическая нагрузка на мембраны увеличивается. При параллельном соединении создаются лучшие условия для удаления пузырьков воздуха из камер и гидравлическое давление жидкости распределяется более равномерно.
Деминерализация электродиализом основана иа отделении сравнительно небольшого количества минеральных примесей от значительного объема воды. Это обстоятельство является весьма существенным при оценке перспектив дальнейшего развития метода для деминерализации маломинерализованных вод. В настоящее время электродиализ с ионообменными мембранами, еще далек от совершенства. Усилия многих ученых мира направлены не только на изучение теории процесса, но и на решение ряда научно-технических вопросов, связанных с конструированием аппаратуры, повышением качества применяемых материалов, в частности мембран и электродов. Современные аппараты, состоящие из многих сотен камер, конструктивно сложны, так как в сборке элементы каждой мембраны и рамки должны точно соответствовать другим деталям (несоответствие хотя бы между одной парой элементов может сделать аппарат неспособным к нормальной работе).
Считается, что содержание солей в обессоливаемой воде, которую целесообразно подвергать электродиализу, колеблется между 1 и 10 г/л. В ряде работ отмечено значительно меньшее исходное содержание солей для электродиализа воды. При концентрации больше 10 г/л более экономичным является выпаривание, при котором стоимость 1 м3 пресной воды мало зависит от исходного содержания солей. В случае электродиализа воды, содержащей менее 1 г/л минеральных солей, затраты электрической энергии на преодоление омического сопротивления раствора в камерах обессоливания значительны, и процесс становится менее экономичным, чем метод ионного обмена. В последнее время найден способ снижения нижнего предела концентрации обессоливаемого раствора введением в камеры обессоливания смеси гранулированных катионита- и анионита. Этот прием, хотя и вызывает усложнение конструкции аппарата, позволяет получить воду, не только равную по чистоте дистиллированной, но и глубокообессоленную.