Разделение растворов органических веществ и электролитов в электромембранном аппарате

Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences

УДК 66.087.97

РАЗДЕЛЕНИЕ РАСТВОРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ЭЛЕКТРОЛИТОВ В ЭЛЕКТРОМЕМБРАННОМ АППАРАТЕ

А.Г. Липин, М.П. Бурчу, A.A. Липин

Ивановский государственный химико-технологический университет

Приведены результаты экспериментального исследования процесса разделения трехкомпонентных растворов органическое вещество - неорганическая соль - вода в трехкамерном электромембранном аппарате. Установлены закономерности влияния основных технологических параметров на интенсивность и эффективность процесса.

Ключевые слова: электродиализ, трехкомпонентный раствор, разделение.

Мембранные технологии охватывают широкий спектр приложений - от очистки крови больных с почечной недостаточностью до бытовых фильтров очистки воды. Основные области применения электромембранных технологий: опреснение и обессоливание воды, водоподготовка для питьевых целей и дезактивация воды; получение органических кислот и оснований; синтез неорганических соединений; очистка и разделение веществ в водных растворах. Еще одним важным применением электродиализа является отделение электролитов из смешанных органоминераль-ных растворов [1 - 3 ].

Считается, что область применения электродиализа при очистке воды ограничивается солесодержанием 0,3 - 10 г/л, так как при меньших концентрациях падает проводимость раствора и уменьшается эффективность использования электроэнергии, а при больших процесс становится экономически невыгоден, вследствие существенного роста энергозатрат, так как затраченная электроэнергия пропорциональна количеству удаляемых ионов. С практиче-

ской точки зрения, интересно применение электродиализа в качестве метода разделения органоминеральных растворов при концентрации соли более 12 г/л.

Цель данной работы - анализ влияния технологических и режимных параметров на интенсивность и эффективность процесса разделения растворов органических веществ и электролитов в электромембранном аппарате. Исследования проводили на лабораторной установке, состоящей из трехкамерного электродиализатора с анионообменной мембраной МА-40 и катионообменной мембраной МК-40, регулируемого источника постоянного тока, перистальтического насоса и контрольных приборов для измерения силы тока и напряжения. В качестве электродов использованы пластины из титана с оксид-рутениевым покрытием (анод) и нержавеющая сталь (катод). Схема установки представлена на рис. 1.

Перерабатываемый раствор подавали в среднюю камеру. Модельные растворы глицерина в качестве соли, подлежащей удалению, содержали сульфат натрия.

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - мембраны, 2 - электроды, 3 - емкости исходных растворов, 4 - перильстатический насос, 5 - блок питания, 6 - емкости обработанных растворов

В качестве анолита использовали раствор серной кислоты концентрацией 0,2 моль/л, католита - раствор гидроксида натрия концентрацией 0,1 моль/л. Рабочая поверхность каждой мембраны составляла 112 см". При наложении электрического поля в результате катодного процесса образуются гидроксил-ионы. Ионы натрия переносятся через катионитовую мембрану МК-40 и, таким образом, в катодной камере образуется щелочь. В анодной камере образуется и концентрируется серная кислота вследствие электромиграции сульфат-ионов через анионитовую мембрану МА-40 и электродного процесса образования Н -ионов. Одновременно в средней камере происходит снижение концентрации соли.

Концентрации раствора щелочи, подаваемого в катодную камеру, и раствора кислоты, подаваемого в анодную камеру, выбирались таким образом, чтобы их удельное сопротивление было приблизительно равно удельному сопротивлению разделяемого раствора при его начальной концентрации. Увеличение начальной концентрации щелочного и кислого растворов с целью снижения электрического сопротивления катодной и анодной камер, нецелесообразно, так как согласно графикам рис. 2, 3 происходит некоторое снижение плотности потока ионов соли через мембраны. Этот факт объясняется увеличени-

ем диффузионного противодействия, поскольку концентрации соответствующих ионов в приэлектродных камерах становятся значительно больше, чем в камере обессоливания.

На рисунке 4 показаны зависимости плотности потока ионов соли от напряжения на электродах при двух значениях концентрации исходного раствора. При концентрации соли в растворе 0,56 моль/л (79,5 г/л) диффузионные ограничения отсутствуют, о чем свидетельствует характер кривой с возрастающей крутизной. При концентрации соли в растворе 0,12 моль/л (17 г/л) наблюдается явление концентрационной поляризации, приводящее к замедлению роста плотности потока ионов соли при увеличении напряжения на электродах.

С увеличением скорости прокачки раствора через камеры аппарата интенсивность массопереноса увеличивается. Это связано с уменьшением толщины диффузионного пограничного слоя и, как следствие, снижение отрицательного эффекта концентрационной поляризации. Возрастание плотности потока вещества через мембрану при увеличении скорости движения раствора соли иллюстрирует график рисунка 5. Начальная концентрация соли равна 0,56 моль/л, напряжение на электродах - 6 В.

1,0 0,8 0,5 -0,3 -0,0

-о

0,0 0,5 1,0 1,5 Сщ , моль/л

2,0

^ 1 А

2 1,0

6

^ 0,8 Ч

I 0,5

"О

о 0,3

^ 0,0

0,1 0,2 0,3 0,4 Ск , моль/л

0,5

Рис. 2. Зависимость плотности потока вещества от начальной концентрации щелочи: 1- концентрация соли 1,6 моль/л, скорость растворов 0,625-10"3 м/с; 2-концентрация соли 0,8 моль/л, скорость растворов 0,225-Ю3 м/с. Начальная концентрация кислоты ОД моль/л

Рис. 3. Зависимость плотности потока вещества от начальной концентрации кислоты. Концентрация соли 1,6 моль/л. Скорость движения растворов 0,225-Ю"3 м/с. Начальная концентрация щелочи 0,5 моль/л

Рис. 4. Зависимость плотности потока ионов соли от напряжения на электродах. Начальная концентрация соли в растворе, моль/л: 1 - 0,56,2 - 0,12

Графики рис.6 характеризуют зависимости степени выделения сульфата натрия из раствора от разности потенциалов на электродах. Для раствора с начальной концентрацией соли 0,12 моль/л при разности потенциалов 10 В достигнута 100%-ая степень извлечения соли. В

Рис. 5. Зависимость плотности потока ионов соли от скорости движения раствора

опыте с концентрацией раствора 0,56 моль/л при напряжении на электродах 6,8В достигалась предельная для используемого источника питания сила тока, поэтому дальнейшее увеличение разности потенциалов не представлялось возможным.

Рис. 6. Зависимость степени выделения соли от напряжения на электродах: 1-концентрация соли 0,12 моль/л; 2-концентрация соли 0,56 моль/л. Скорость движения растворов 3,4-10~3 м/с

Рис. 7. Зависимость плотности тока от скорости прокачки растворов. Начальные концентрации, моль/л: соли - 0,56; щелочи - 0,1: кислоты - 0,2. Напряжение на электродах 6 В

На рис.7 изображена зависимость плотности тока, устанавливающейся в стационарном режиме работы, от скорости движения растворов. Плотность тока уменьшается при увеличении скорости движения растворов. В то же время плот-

0 4 8 12 16 W 103, м/с

Рис. 8. Зависимость выхода по току от скорости прокачки растворов. Начальные концентрации, моль/л: соли - 0,56; щелочи - 0,1: кислоты - ОД. Напряжение на электродах 6 В

ность потока ионов соли возрастает (рис.5). Оба этих фактора приводят к увеличению выхода по току с ростом скорости движения растворов в камерах электродиализного аппарата (рис.8).

3 5 7 9 11

и, в

Рис. 9. Зависимость выхода по току от напряжения на электродах: 1 - концентрация соли 0,12 моль/л; 2 - концентрация соли 0,56 моль/л. Скорость движения растворов 3,4-103 м/с

С увеличением напряжения на электродах, наоборот, выход по току уменьшается, что иллюстрирует график рис.9. Это объясняется тем, что все большее количество электричества переносится за счет ионов Н+ и ОН, генерируемых на поверхности раздела мембрана-раствор. Доля ионов соли в общем переносе электричества уменьшается.

При достаточном времени пребывания раствора в аппарате в получаемом диализате выделяемая соль практически отсутствует. На основании проведенных экспериментов по выделению солей из водных растворов глицерина можно сделать заключение о том, что возможна переработка органоминеральных растворов с концентрацией соли до 80 г/л при доста-

точно высоких выходах по току и степени разделения.

Работа выполнена в лаборатории "Тепломассоперенос в химически реагирующих средах" НИИ Термодинамики и кинетики химических процессов ИГХТУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пилат Б.В. Основы электродиализа. М.: Аввал-лон, 2004. - 456 с.

2. Бурчу М.П., Липин А.Г., Струков Ю.Н. // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24: сб. трудов 24 Междунар. науч. конф.: в 10т. Т.7. Секция 11. - Пенза, 2011. - С.67-69.

3. Абоносимов O.A., Горбачев A.C., Лазарев С.И. // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51 № 5. С. 109-111.

Рукопись поступила в редакцию 27.06.13.

ORGANIC MATTER AND ELECTROLYTE SOLUTIONS' DETACHMENT IN ELECTROMEM-

BRANE MACHINE

A. Lipin, M. Burchu, A. Lipin

In the article the results of experimental investigation of "organic matter - inorganic salt - water" three-component solutions' detachment process in three-celled electromembrane machine are carried out. Mechanisms of the main technological parameters influence on process intension and effectiveness are researched.

Key words: electrodialysis, three-component solution, detachment.