СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONCENTRATING ELECTROLYTE SOLUTIONS AND ELECTRODIALYSER TO THIS END

Изобретение относится к технике электродиализа, а именно к способу получения концентрированных растворов и конструкции электродиализатора для его осуществления, и может быть использовано в химической и атомной промышленности, в гидрометаллургии, аналитической химии, при очистке сточных вод с утилизацией содержащихся в них компонентов и других отраслях, где требуется концентрирование электролитов.
Известен электродиализатор, включающий вертикально расположенные чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны, разделенные прокладками, образующими проточные камеры обессоливания и непроточные камеры концентрирования. В камерах концентрирования прокладки выполнены рамочной конструкции, в нижней части которых расположены щелевые пазы [1].
Недостатком такого электродиализатора является сложность конструкции прокладок камер концентрирования и возможность прогибания мембран в полость концентрирования, что снижает надежность работы аппарата.
Известен способ концентрирования растворов электролитов в электродиализаторе, включающем чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны, образующие проточные камеры обессоливания и непроточные камеры концентрирования. Прокладки в камерах обессоливания выполнены безрамочной конструкции, прокладки в камерах концентрирования выполнены рамочной конструкции, а щелевые пазы в прокладках соседних камер концентрирования смещены друг относительно друга. Исходный раствор в камеры концентрирования электродиализатора не подают, а вода в них переносится в составе сольватных оболочек катионов и анионов [2].
Недостатком этого способа является то, что при обработке концентрированных водных и водно-неводных растворов резко увеличивается гидродинамическая проницаемость ионообменных мембран. Это приводит к тому, что за счет разницы давлений возрастает барофильтрационный поток растворителя, направленный из камер обессоливания в камеры концентрирования, что снижает предельно возможное солесодержание концентрата.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа концентрирования растворов и конструкции электродиализатора, позволяющих значительно увеличить степень концентрирования растворов.
Технический результат достигается тем, что в способе концентрирования растворов электролитов путем обработки их в электродиализаторе, включающем вертикально расположенные чередующиеся катионообменные, анионообменные мембраны, образующие проточные камеры обессоливания, в которых расположены прокладки безрамочной конструкции, и непроточные камеры концентрирования, в которых расположены прокладки рамочной конструкции, в нижней части которых выполнены щелевые пазы, процесс концентрирования ведут в электродиализаторе, дополнительно снабженном поддоном, герметично соединенным с нижними сторонами мембран с помощью уплотняющей резиновой прокладки и имеющим один или несколько штуцеров ввода воздуха или инертного по отношению к концентрированному раствору газа, расположенных в торцевой стенке поддона, и штуцер вывода раствора, расположенного в днище поддона, а в камерах концентрирования поддерживают давление, равное 30-120% от величины давления в камерах обессоливания.
На чертеже представлено схематическое изображение электродиализатора для концентрирования растворов, включающего вертикально расположенные чередующиеся катионообменные 1, анионообменные 2 мембраны, прокладки безрамочной конструкции 3, прокладки рамочной конструкции 4, образующие проточные камеры обессоливания 5 и непроточные камеры концентрирования 6. Прокладки рамочной конструкции 4 имеют в нижней части щелевые пазы 7. Электродиализатор дополнительно снабжен поддоном 8. Штуцер 9 служит для нагнетания компрессором воздуха или инертного по отношению к концентрированному раствору газа и создания избыточного давления. Наличие двух и более штуцеров 9 обеспечивает более равномерное распределение газа в поддоне 8. Штуцер 10 расположен в днище поддона 8 и служит для обвода образующегося концентрата. Поддон 8 герметично соединен с нижними сторонами катионообменных 1 и анионообменных 2 мембран с помощью уплотняющей резиновой прокладки 11, что не позволяет образующемуся концентрированному раствору покидать камеры концентрирования 6, пока давление в них не компенсирует внешнее давление. Таким образом, регулируя давление в поддоне 8, можно добиться повышения избыточного давления в камерах концентрирования 6. Образующаяся в поддоне 8 газовая «подушка» приводит к разрыву жидкостной связи между раствором в камерах концентрирования 6 и в днище поддона 8. Образующийся концентрат удаляется из камер концентрирования 6 отдельными каплями. Это обеспечивает разрыв токовых линий и повышает надежность и электробезопасность электродиализатора предлагаемой конструкции, при этом значительно увеличивается степень концентрирования растворов.
Пример. Для подтверждения достижения поставленной технической задачи проводили процесс концентрирования раствора хлористого лития в водных и водно-органических растворах, содержащих диметилацетамид и изобутиловый спирт, в электродиализаторе, включающем пятьдесят пять парных камер концентрирования 6 и камер обессоливания 5, образованных чередующимися катионообменными мембранами 1 марки МК-40 и анионообменными мембранами 2 марки МА-41 и прокладками рамочной конструкции 4 и безрамочной конструкции 3.
В таблице приведены результаты исследования, полученные при концентрировании хлорида лития из водно-органических растворов (ДМАА - 27,8%; ИБС - 28,0%; вода - 44,2%, хлористый литий - 0,85%) при различном значении компенсирующего давления. Давление в камерах обессоливания 5 электродиализаторов поддерживалось постоянным и составляло 1,0 атм, напряжение на одной парной камере 6,2 В.
Зависимость состава концентрата от компенсирующего давления в поддоне
Р<sub>комп</sub>, атм
Р<sub>комп</sub>/Р<sub>0</sub> %
LiCl, %
Вода, %
ДМАА, %
ИБС, %
η, %
Q, кВт-ч/кг
0.0
0
1.6
41.1
29.3
27.7
84.6
4,6
0.1
10
1.9
41.6
28.3
27.1
71,2
4,8
0.3
33
4.3
45.0
26.7
23.8
69.9
5.8
0.7
70
6.9
49.9
24.6
18.4
67.7
6.4
0.9
90
10.6
55,5
21,3
10,1
44.3
8.8
1.0
100
12.1
61.7
19.8
6.3
30.2
12.9
1.2
120
14.2
70.1
17.3
5.1
25.1
17.3
1.5
150
Концентрат не образуется
0
где Р, атм - среднее давление в камерах обессоливания;
комп
Р, атм - компенсирующее давление в камерах концентрирования;
комп
Р, % - компенсирующее давление в % от величины давления в камерах обессоливания;
η, % - выход по току;
Q, кВт-ч/кг - затраты электроэнергии в расчете на концентрирование 1 кг хлористого лития.
Из таблицы видно, что при увеличении компенсирующего давления снижается перенос растворителя из камер обессоливания 5 в камеры концентрирования 6 при незначительном снижении электромиграционного переноса ионов соли (хлористого лития), что в целом вызывает увеличение содержания хлористого лития в концентрате. Заметный эффект проявляется при компенсирующем давлении 0,3 атм, что составляет 33% от среднего давления в камерах обессоливания 5. При компенсирующем давлении больше 1 атм барофильтрационный поток растворителя меняет свое направление на противоположное и направлен из камер концентрирования 6 в камеры обессоливания 5. При давлении 1,5 атм барофильтрационный поток становится больше, чем электроосмотический перенос воды в камеры концентрирования 6 и процесс концентрирования прекращается.
В оптимальном диапазоне компенсирующего давления от 33 до 120% удается почти на порядок увеличить содержание хлористого лития в концентрате, в то время как выход по току уменьшается только в 3 раза, а энергозатраты на концентрирование - в 4 раза. Кроме этого, был обнаружен еще один дополнительный положительный эффект, связанный с увеличением содержания органических растворителей ДМАА и ИБС в обессоленном растворителе. Это позволяет снизить затраты энергии и упростить процесс получения чистых растворителей методом ректификации.
Литература
1. А.с. СССР №587960, МКИ B01D 13/02.
2. А.с. СССР №845312, МКИ B01D 13/02.