Исследование и расчет дифуззионно-диализного разделения соле-щелочных растворов

УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДИФФУЗИОННО-ДИАЛИЗНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

СОЛЕ-ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРОВ

Н.Д. ЧИЧИРОВА, А.А. ЧИЧИРОВ, С.М. ВЛАСОВ, С.А. ПАЙМИН Казанский государственный энергетический университет

Аннотация: Для исследования процесса электромембранного разделения щелоче-солевых растворов сконструирована универсальная лабораторная установка. Разработана методика расчета диффузионно-диализного разделения многокомпонентных щелочных систем.

Ключевые слова: диффузионный диализ, гетерогенные ионоселективные мембраны, щелоче-солевые растворы, разделительные характеристики системы диализат-мембрана-диффузат.

Введение

В настоящее время основным способом утилизации жидких высокоминерализованных отходов тепловых электрических станций (ТЭС) является их концентрирование и упаривание с получением и захоронением твердых солей. При этом все химические компоненты стоков, в том числе нейтральные или ценные, теряются. В решении проблемы утилизации высокоминерализованных жидких щелочных отходов ТЭС предложено использование электромембранных методов, которые характеризуются селективностью, отсутствием потребности в химических реагентах и практически безотходностью [1-3].

Методическая часть

Для проведения исследований по разделению жидких щелочных высокоминерализованных отходов ТЭС была разработана и изготовлена универсальная электромембранная лабораторная установка. Конструкция и схема расположения внутренних элементов проточной многокамерной электромембранной ячейки показана на рис. 1.

б) в)

Рис. 1. Лабораторная электромембранная ячейка: а) порядок расположения элементов; б) вид ячейки в разобранном виде; в) внешний вид ячейки в сборе. 1 - прижимная плита; 2 - рамки, образующие приэлектродные камеры; 3 - резиновые прокладки; 4 - корпусные рамки; 5 - ионообменные мембраны; 6 - отверстия для ввода и вывода рабочих растворов; 7-электроды © Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, С.М. Власов, С.А. Паймин Проблемы энергетики, 2013, № 9-10

Конструктивно электромембранная ячейка состоит из корпуса, образованного двумя прижимными плитами (1), выполненными из текстолита и соединенными между собой шпильками из нержавеющей стали. В аппарате используются корпусные рамки-прокладки (4), образующие рабочие ячейки, ограниченные мембранами. Рамки выполнены из полимерного материала с высокими диэлектрическими свойствами (ХПВХ). В каждой из рамок корпуса имеется по два штуцера (6) для ввода и вывода рабочих растворов. Между корпусами рамок устанавливаются ионообменные мембраны (5) на резиновых прокладках (3). Крайние рамки (2) выполнены в виде П-образных вставок, образующих приэлектродные камеры. Электроды (7) двух типов: полые титановые с платиновым покрытием с внутренним охлаждением проточной водой и пластинчатые электрографитовые. Конструкция ячейки предусматривает возможность вариации количества камер, скорости подачи рабочих растворов, температуры, вида мембранного пакета.

Результаты и обсуждения

Для исследования диффузионно-диализного процесса применяли ячейку, состоящую из двух крайних камер диализата (I) и одной диффузата (II).

Методика расчета параметров процесса

II

Начальная концентрация г-го и --го компонентов в диализате обозначены С' о и

С1/о соответственно. Для диффузата С/'О = С1-о = 0 (моль/дм3), объем диализата - V

'У,О

-II

II

г,0 - ^О

объем диффузата - V' (дм ); 5" - рабочая площадь мембран (дм ); I - толщина мембран (см); т - время диализа (с, ч).

При условии, что объемы диализата и диффузата не изменяются в ходе опыта, уравнение баланса масс имеет вид

VI

II

II

= Л /

5

(с/ - С?),

& & I

где Л г- - коэффициент диффузной проницаемости /-го компонента (см2/с). Из уравнения (1) получаем

йС\

II

йт

• (С1 - С11).

VII • I

В уравнении (2) градиент концентраций с учетом разного объема диализата и диффузата выражаем как

(С1 С11) С1 С1 У11 С11 С1 (Сг - Сг ) = Сг,0 - Сг • — - С/ = Сг,0 -У1

(

1 + -

V'

п_ V'

• С1

^г

II

VII

Принимаем коэффициент, учитывающий разность объемов, а = 1 + -11-. Тогда

V1

йС/

II

йт V'Ц • I

5 (С' - а • СI1).

Интегрируя уравнения (4) в пределах от т=0 до т=т и выражая относительно Лг получаем

Л/ =

1 VII • I

(

а • 5

• 1п

С

л

г ,0

С1 а Си С / ,0 - а • Сг

Удельную скорость диализа можно рассчитать по уравнениям:

т

и

= —, см/с, 1

и =

Л/ • 3600 • М1 1

м • ч • ед.град

где Mi - молярная масса /-го компонента.

Критерий разделения /-го и j-го компонентов Р/ / у :

в = Л = И

Р/ у =л; - и-

Критерий разделительных характеристик системы диализат/мембрана/ диффузат для /-го компонента относительно у-го компонента (у/):

Л = И Р//у.

В качестве иллюстрации приведены результаты эксперимента по диффузионно-диализному разделению модельного раствора натриевой щелочи и хлорида натрия.

На рис. 2 показаны зависимости диффузионного процесса в камере диффузата при составе диализата 0,1 моль/л ЫаОН, 0,2 моль/л ЫаС1 при 25 0С в трехкамерной ячейке с катионитными мембранами МК-40. Расчетные коэффициенты диффузионной проницаемости Л, составили для ЫаОН 1,84-10"7 см2/с, для ЫаС1 5,88-10"8 см2/с.

Ьп (С0-аС1) -1,5

-2

-2,5

-3

-3,5

-4

-4,5

у=-0, Р 1 = 0,99 ¡6

♦

♦

¥= -0,0092 ^ = 0,9 <-2,7б" 191

♦ 1_п (СоМаО Н-аСМаО Н1 ]

1.п(СоМаС1-аС№С11|

-Линейная

(1_п(Со№0Н-аС№0Н1)(

Линейная

ММЧаИ-аСМаСЗД

20 40 60 80 100 120 140 Время, ч Рис.2. Кинетика диффузионно-диализного процесса в камере диффузата в полулогарифмических координатах для диализата (0,1 моль/л ЫаОН, 0,2 моль/л ЫаС1 при 25 0С) в трехкамерной ячейке с

мембранами МК-40

Критерий разделения компонентов раствора - щелочи (ЫаОН) и соли (ЫаС1): Р^юн/ша =3,13 и критерий разделительных характеристик системы с мембранами МК-40 уКаон =5,76-10-7 см2/с.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты № 14.В37.21.0658 и № 14.132.21.1734) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» за 2012-2013 годы.

г

Summary

The universal lab-scale plant was constructed to investigate the process of electromembrane separation of alkali-salt solutions. The estimation methodology of diffusion-dialysis separation of multicomponent alkaline systems was worked out.

Key words: diffusion dialysis, heterogenetic ion-selective membrane, alkali-salt solutions,separatory system characteristics of dialysate-membrane-diffusate.

Литература

1. Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Ляпин А.И., Королёв А.Г., Вафин Т.Ф. Разработка и создание ТЭС с высокими экологическими показателями // Труды Академэнерго. 2010. №1. С. 34-44.

2. Вафин Т.Ф., Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Закиров И.А. Технологические схемы утилизации стоков водоподготовительных испарительных установок с использованием электромембранных аппаратов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. №1-2. С. 182-186.

3. Патент на полезную модель Российская Федерация № 121500. Установка для переработки промышленных сточных вод и получения концентрированного щелочного раствора и умягченного солевого раствора / Т.Ф. Вафин, А. А. Чичиров. Опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.

Поступила в редакцию 20 августа 2013 г.

Чичирова Наталия Дмитриевна - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», директор Института теплоэнергетики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)5194212. E-mail: ndchichirova@mail.ru.

Чичиров Андрей Александрович - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(950)2531716. E-mail: pinpin@yandex.ru.

Власов Сергей Михайлович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(950)3123946. E-mail: vlasovsm@list.ru.

Паймин Сергей Сергеевич - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)5194252. E-mail: t-2-04@mail.ru.