Юг Аква Системы
ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ
ТЕЛ./ ФАКС:
+7(905)402-11-48
E-MAIL:
  
  

Электродиализ и электродеионизация

Электродиализ и электродеионизация занимают особое положение среди мембранных методов водоподготовки. В отличие от других мембранных методов (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос), он являются электромембранными, т.е. разделение растворов происходит при протекании электрического тока, приложенного перпендикулярно потоку воды.

Электродиализом называется процесс удаления из раствора ионов растворенных веществ путем их переноса через мембраны, селективные к этим ионам, в поле постоянного электрического тока.

При наложении электрического поля на раствор электролитов возникает в растворе возникает электрический ток - направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов диссоциации воды - H+ и ОН-. Катионы (положительно заряженные ионы) движутся к отрицательному электроду - катоду, анионы (отрицательно заряженные ионы) – к положительному электроду - аноду. Если раствор разделить на камеры (секции) с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов (катионообменная или катионитовая мембрана - МК) или только для анионов (анионообменная или анионитовая мембрана - МА), то катионы, двигаясь к катоду, будут свободно проходить через катионитовую мембрану. Для анионов же она практически непроницаема. Анионы, пройдя через анионитовую мембрану, будут двигаться к аноду. Таким образом раствор разделится на обессоленную воду, находящуюся между мембранами, и концентрированные растворы – щелочной католит и кислый анолит (смотри флэш-анимацию ниже).

Аппараты с ионообменными мембранами (электродиализаторы), например для обессоливания водопроводной воды, состоят из ряда камер (ячеек) — так называемого мембранного пакета, в которые подается исходная вода (раствор электролитов) – так называемых камер обессоливания (КО) и чередующихся с ними камер, откуда отводится концентрат - камер концентрирования (КК). Количество таких камер варьируется в зависимости от решаемой задачи от 20 до 200 и более. Камеры разделены ионитовыми мембранами поочередно – катонообменными (МК) и анионообменными (МА). В крайних камерах расположены электроды, благодаря которым к мембранному пакету подводится напряжение. Эти камеры называют электродными камерами. Поскольку катионообменные мембраны пропускают лишь катионы, а анионообменные - анионы, камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исходная (неочищенная) вода разделяется на два потока - обессоленный и концентрированный. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит вследствие различия между скоростями их переноса через мембранную перегородку. Для снижения отложений на мембранах в аппаратах применяют турбулизаторы (как правило сетчатого типа), устанавливаемые в камерах. Турбулизаторы также позволяют интенсифицировать протекание процесса электродиализа за счет участия в массообмене.

Ионитовые мембраны для процесса электродиализа должны обладать

  • высокой селективностью;
  • малой проницаемостью для молекул воды;
  • хорошей электрической проводимостью;
  • высокой механической прочностью и химической стойкостью.

Современные ионитовые мембраны, представляют собой полимерный композитный материал, состоящий из двух компонентов - ионитной матрицы (подобной по составу ионообменным смолам) и полимерного наполнителя (полиэтилен, полипропилен, фторопласт и т.д.). Такие мембраны называют гетерогенными мембранами за счет неоднородности структуры. Существуют также гомогенные (однородные) мембраны, однако при лучших обменных характеристиках такие мембраны имеют более низкие механические и прочностные свойства.

Область применения электродиализа 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. Энергозатраты составляют 1-4 кВт/м3 очищенной воды.

Обычный электродиализный аппарат способен обессолить воду до нескольких десятков мг/л и получить концентрат с содержанием солей до 35 г/л.

С практической точки зрения, интересно применение электродиализа в качестве метода концентрирования так, как при этом возможно достижение значительной степени концентрирования растворов. При больших концентрациях целесообразно использовать выпаривание, для выделения концентрированных веществ в чистом виде. Еще одним важным применением электродиализа является отделение электролитов из смешанных органо-минеральных растворов.

Одной из разновидностей электродиализа является реверсивный электродиализ. Суть процесса заключается в периодической смене направления протекающего тока в модуле (переполюсовке). Это позволяет минимизировать осадкообразование на поверхности мембран и продлить срок службы аппаратов. Реверсивный электродиализ нашел применение для обессоливания солоноватых и соленых вод с содержанием солей 3-10 г/л.

Другая не менее важная модификация электродиализа - электродеионизация. Установки электродеионизации воды имеют конструкцию, аналогичную конструкции электродиализных установок, за исключением того, что в камерах обессоливания находится смешанный слой катионита и анионита.

В настоящее время для обессоливания воды методом электродеионизации используются многокамерные плоскорамные аппараты. Каждый слой ионообменной смолы, мембраны и соответствующий коллектор образуют «ячейку». Несколько ячеек монтируются вместе в модуль, на концах которого (электродные камеры) установлены электроды. При помощи электродов в пространстве внутри модуля создается электрическое поле, под действием которого происходит перенос ионов через мембраны.

Опресняемая вода поступает в камеры, заполненные смешанным слоем ионита (камеры обессоливания), и параллельными потоками движется через них. С другой стороны этих камер выводится опресненная вода. Наличие ионообменной смолы в камерах обессоливания существенно уменьшает электрическое сопротивление модулей, что приводит к снижению энергозатрат при работе установок непрерывной электродеионизации по сравнению с обычными электродиализными установками.

Электродиализ и электродеионизация воды. ЮгАкваСистемы.

Через нечетные камеры (камеры концентрирования) циркулирует рассол извлеченных солей. У анода и катода происходит разрядка анионов и гидроксил-ионов, катионов и водородных ионов, соответственно, с образованием кислого анолита и щелочного католита.

Кроме того, в камерах обессоливания установок электродеионизации происходит диссоциация воды под действием электрического тока. Продукты диссоциации (Н+ и OH-) ионы одновременно регенерируют катионит и анионит. Таким образом достигается дополнительное обессоливание с авторегенерацией смешанного слоя. Энергозатраты составляют 0,2-0,5 кВт/м3. При этом, для снижения энергозатрат, дополнительно поддерживают постоянную электропроводность раствора в камерах концентрирования за счет периодического дозирования раствора хлорида натрия.

В последние несколько лет в практике водоподготовки появились рулонные (спиральные) модули электродеионизации, по своей конструкции подобные модулям обратного осмоса. Одним из преимуществ их использования является лучшие гидродинамические характеристики за счет более простого устройства.

Технология электродеионизации получила широкое применение для получения глубокообессоленной воды в промышленности: микроэлектроники, фармацевтики, медицины, лабораторных исследований. В качестве исходной воды используют фильтрат обратного осмоса, из которого предварительно удален углекислый газ. В настоящее время технология итенсивно развивается. Всемирно известными производителями аппаратов являются E-CELL (GE Osmonics) – Канада-США, IONICS (США), IONPURE (США). Кроме того, разработками в этой области занимаются в Японии, Китае, России, Казахстане.

Тел./факс: +7(905) 402-11-48 info@vodarus.ru
Оборудование для водоподготовки, г. Краснодар
© «ЮгАкваСистемы», 2011 г.