МНОГОКАМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОР ГЛУБОКОЙ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ
MULTICHAMBER ELECTRODIALYSIS APPARATUS FOR DEEP DEMINERALISATION

Изобретение относится к технике электродиализа, в частности к многокамерным электродиализаторам с ионообменной насадкой в камерах обессоливания, и может быть использовано для получения деионизованной и обескремненной воды высокого качества, в процессах концентрирования микроколичеств вещества, для удаления слабоионизированных оснований и кислот и т.п.
Известен электродиализатор, состоящий из чередующихся катионообменных и анионообменных мембран, образующих камеры обессоливания и концентрирования, и расположенных между ними рамками, заполненными полислоем смешанного слоя ионитов [1].
Недостатком подобной конструкции электродиализатора является его низкая производительность. Это объясняется хаотичным расположением гранул катионообменных и анионообменных смол, что приводит к появлению как «полезных» биполярных контактов между катионитом и анионитом, на которых происходит электросорбция, так и «вредных» биполярных контактов, на которых происходит «выброс» сорбированных ионообменниками ионов в фазу раствора. Кроме того, значительная толщина рамок, заполненных полислоем катионита и анионита, приводит к увеличению энергозатрат, а существующие антиполярные контакты между ионообменниками и мембранами - к экранированию части поверхности мембран.
Известен электродиализатор для обессоливания водных растворов, содержащий корпус с расположенными внутри него электродами, между которыми помещены чередующиеся анионообменные и катионообменные мембраны, образующие камеры концентрирования и камеры обессоливания с размещенной в них засыпкой из ионообменного наполнителя, снабженный водопроницаемыми прокладками, размещенными внутри камер параллельно мембранам. Зысыпка выполнена из анионообменного наполнителя, помещенного между анионообменной мембраной и водопроницаемой прокладкой, и катионообменного наполнителя, помещенного между катионообменной мембраной и водопроницаемой прокладкой. Водопроницаемые прокладки могут быть снабжены различно расположенными перегородками [2].
В указанном электродиализаторе преодолевается ряд недостатков конструкции [1], связанных с наличием «вредных» биполярных контактов катионит/анионит и мембрана/ионит. В то же время сохраняется значительное межмембранное расстояние, обусловленное наличием рамок из органического стекла, внутри которых установлены водопроницаемые прокладки, снабженные перегородками, расположенными по обе стороны последних. В электродиализаторе данной конструкции поочередно омывается слой катионообменного наполнителя, расположенный у катионообменной мембраны, и анионообменного наполнителя - у анионообменной мембраны. Процесс обессоливания состоит из электросорбции солей из раствора гранулированным катионитом и анионитом и отводом их через мембраны в камеры концентрирования. Необходимыми и достаточными условиями для работы электродиализатора является наличие эквиполярных контактов мембран с соответствующими гранулами ионитов и антиполярных контактов анионит/катионит в центре камеры обессоливания. При этом эффективно работают по направлению движения тока (перпендикулярно электродам) только две упорядоченно расположенные гранулы катионита и анионита. Полислой гранул ионообменника, расположенный перпендикулярно электродам, является только средой для переноса ионов и по существу является балластом. Балластные зерна ионита, расположенные в рамках электродиализатора, увеличивают энергозатраты и снижают удельную производительность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции электродиализатора, позволяющего увеличить степень очистки воды, в том числе, более полно удалить поликремниевые кислоты, угольную кислоту и другие слабоионизированные соединения, а также увеличить производительность электродиализатора и снизить расход электроэнергии на процесс деминерализации воды.
Технический результат достигается тем, что в многокамерном электродиализаторе глубокой деминерализации, состоящем из электродных камер, чередующихся катионообменных и анионообменных мембран, образующих камеры обессоливания и концентрирования, в которых расположены гранулы катионообменной и анионообменной смолы, гранулы катионобменной смолы расположены слоем в одно зерно и соприкасаются с катионобменной мембраной, гранулы анионообменной смолы расположены слоем в одно зерно и соприкасаются с анионообменной мембраной, между гранулами катионообменной смолы и гранулами анионообменной смолы расположена сетчатая прокладка из непроводящего материала, нити которой образуют ячейки, причем гранулы катионобменной и анионообменной смолы имеют диаметр, больший размера ячейки сетчатой прокладки и меньший суммарного размера ячейки и диаметра нити сетчатой прокладки.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого электродиализатора, состоящего из анода 1, катода 2, чередующихся анионообменных мембран 3, катионообменных мембран 4, образующих камеры обессоливания 5 и камеры концентрирования 6. Гранулы катионообменной смолы 7 расположены в камерах обессоливания 5 между катионнообменной мембраной 4 и сетчатой прокладкой 8. Гранулы анионообменной смолы 9 располагают в камерах обессоливания 5 между анионообменной мембраной 3 и сетчатой прокладкой 8. Гранулы катионообменной смолы 7 и гранулы анионообменной смолы 9 расположены слоем в одно зерно и через ячейки сетчатой прокладки 8 соприкасаются друг с другом, при этом исключаются нежелательные контакты катионообменная мембрана 4 - анионообменная смола 9 и анионообменная мембрана 3 - катионообменная смола 7, а область, где происходит диссоциация воды на антиполярных гранулах смол 7 и 9, смещается в центр камер обессоливания 5.
+
-
+
-
Гранулы катионообменной смолы 7 и гранулы анионообменной смолы 9 касаются друг друга, образуя биполярную границу, на которой происходит диссоциация воды. При этом электромиграционные потоки H и ОН - ионов направлены соответственно к катионообменной 4 и анионообменной 3 мембранам, что исключает нежелательное явление депрессии электродиффузии потоков ионов соли, снижающее величину потоков ионов через мембраны. Кроме того, образующиеся на биполярной границе гранул ионы протона и гидроксила замещают ионы соли в смолах 7 и 9, переводя их в H и ОН - форму, что включает дополнительный ионообменный механизм сорбции ионов из раствора гранулами смол.
На фиг.2 схематично представлен вид сверху на сетчатую прокладку 8, образованную нитями 10 из непроводящего материала, в ячейках которой расположены гранулы катионообменной смолы 7 и гранулы анионообменной смолы 9, которые на фиг.2 не видны, т.к. расположены под гранулами катионнобменной смолы 7. Диаметр гранул катионообменной смолы 7 и гранул анионообменной смолы 9 должен быть больше размеров ячейки сетчатой прокладки 8 (что исключает их контакты с антиполярной им мембраной), но не должен превышать суммарного размера ячейки и диаметра нити 10 сетчатой прокладки 8 для исключения взаимной технической деформации и смещения соседних гранул смол 7 и 9.
2
Пример 1. Электродиализатор предлагаемой конструкции был собран из пятнадцати катионообменных мембран 4 марки МК-40 и пятнадцати анионообменных мембран 3 марки МА-40, площадью 4 дм каждая. В камеры обессоливания 5 был помещен бинарный слой ионнобменных смол, состоящий из гранул катионообменной смолы 7 марки КУ-2 и гранул анионообменной смолы 9 марки АВ-17. В качестве сетчатой прокладки 8 была выбрана капроновая сетка марки 16К ОСТ 17-46-82, имеющая размер ячеек 0,48 мм. Диаметр нитей 10 равен 0,14 мм.
Гранулометрический состав катионообменной смолы 7 и гранул анионообменной смолы 9 равен 0,50-0,62 мм. Их объемное соотношение равно 1:1. Межмембранное расстояние в камере обессоливания 5 равно 0,9 мм, в камере концентрирования 6 - 0,5 мм.
Электродиализатор испытывался в циркуляционном режиме на частично обессоленной водопроводной воде г.Краснодара с удельным электросопротивлением 0,25 МОм·см. Скорость рециркуляции очищенной воды равна 110 л/ч. Напряжение на электродиализаторе поддерживалось постоянным и составляло 15 В на парную камеру, плотность тока изменялась от 147 до 233 mА. Процесс проводился до достижения максимально возможного электросопротивления воды. Дополнительно измерялось содержание поликремниевых кислот в исходной и обессоленной воде.
2
Пример 2. Электродиализаторы с бинарным слоем ионитов и двумя внутренними ступенями с суммарной длиной рабочего пути в камерах обессоливания, равной 80 см, в составе пилотного электродиализного комплекса получения сверхчистой воды для теплоэнергетики были испытаны на ТЭЦ г.Армавира. Аппарат с площадью электродов 16 дм имел 80 парных камер, причем первая секция была изготовлена из мембран МК-40 и МА-40., а вторая секция - из мембран МК-40 и МА-41. Электродиализатор испытывался при проточности по камерам обессоливания 380 л/ч и камерам концентрирования 60 л/ч, напряжении 400 В и силе тока 0,8 А.
На электродиализатор подавали частично обессоленную воду с удельным электросопротивлением 0,01-0,017 МОм·см, что близко к удельному сопротивлению воды, подаваемой на очистку в известный электродиализатор (прототип). В исходной и очищенной воде определялась также концентрация поликремниевых кислот.
Результаты работы известного электродиализатора и предлагаемого представлены в таблице.
Таблица
Результаты сравнения работы электродиализаторов (прототип и предлагаемый)
Измеряемые параметры
Прототип
Предлагаемый
с прокладками без перегородок
с прокладками и перегородками
Пример 1
Пример 2
циркуляционный режим
прямоточный режим
циркуляционный режим
прямоточный режим
Достигнутое удельное сопротивление обессоленной воды, МОм·см
0,24
1,39
4,0
1,2
Расход электроэнергии на обессоливание 1 л раствора до удельного сопротивления, 1,0 МОм·см, Вт·ч/л
21,7
8,0
0,6
0,84
Производительность электродиализатора при удельном сопротивлении обессоленной воды 1,0 МОм·см, л/ч
2,4
7,3
ПО
380
Концентрация поликремниевых кислот, мг/л (исходная вода)
Не определялась
Не определялась
7,88
21,0
Концентрация поликремниевых кислот, мг/л (очищенная вода)
Не определялась
Не определялась
0,5
1,6
Как видно из таблицы, предлагаемый электродиализатор обеспечивает увеличение в 50 раз удельной производительности и снижение более чем на порядок удельных энергозатрат. Кроме того, почти на порядок достигается снижение содержания поликремниевых кислот.
Список литературы
1. Гребенюк В.Д., Гнусин Н.П. Заводская лаборатория, 1966, 32, 10.1290.
2. Авторское свидетельство СССР №1119708, 23.10.84, МКИ В01D 13/02.