ЛА С Д Й
ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ Электродиализ – это процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В последнее время его начали применять и для очистки промышленных сточных вод.
Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых состоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды, – чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щёлочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.
Электродиализные аппараты бывают двух типов: прокладочные и лабиринтные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000 х200, «Родник-3» ) имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2 -20 м 3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400 М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность 1 -25 м 3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов - для сточных вод с концентрацией солей 3 -8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет промывка электродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза.
Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды; 2) собственно электродиализ ной установки; 3) кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; 4)фильтров, загруженных активированным углем БАУ или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают следующих типов – прямоточные, циркуляционные порционные, циркуляционные непрерывного действия. Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход. Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания.
Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 1. 46), в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании техникоэкономических расчетов. Исходными параметрам и для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточных вод. Например: при суточном расходе сточных вод более 300500 м считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа.
Схема циркуляционной электродиализной установки непрерывного действия: 1 – подача сточной воды; 2 – рабочие баки; 3 – бак для рассола; 4 – выпуск рассола; 5 – выпуск дилюата; 6 – электродиализатор; 7 – подача рециркуляционного рассола; 8 – насосы; 9 – подача смеси рециркуляционной и сточной воды, 10 – выпуск рассола из электродиализатора; 11 – выпуск обессоленной воды
Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1 -2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц. Расход энергии при очистке 1 м сточной воды, содержащей в 1 л 250 мг примесей, до остаточного содержания солей 5 мг составляет 7 к. Вт/ч. С увеличением содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает. Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки.
ИОННЫЙ ОБМЕН Гетерогенный ионный обмен, или ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. При адсорбции электролитов преимущественно адсорбируются ионы одного знака, которые заменяются на эквивалентное количество ионов того же знака. Раствор остается при этом электронейтральным. Он взаимодействует с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, содержащиеся в растворе.
Метод ионного обмена применяется для очистки сточных вод предприятий металлургической, химической, коксохимической, машиностроительной и др. отраслей промышленности. Ионный обмен используется в кожевенной, фармацевтической, гидролизной промышленности, а также для удаления солей из сахарных сиропов молока, вин. Иониты широко используются для снижения жесткости воды и её обессоливания, для выделения и разделения разнообразных органических и неорганических ионов. С помощью ионитов улавливают ионы ценных элементов из природных растворов и отработанных сточных вод. Применение этого метода для очистки производственных сточных вод позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и др. металлы), ПАВ (поверхностноактивные вещества) и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или системах оборотного водоснабжения. Ионный обмен делает возможным промышленное производство многих продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (антибиотиков, аминокислот).
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Катиониты извлекают из растворов электролитов положительные ионы, аниониты – отрицательные. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. В качестве ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. Иониты подразделяются на природные и искусственные, или синтетические. Синтетические ионообменные материалы выпускаются в виде зернистых порошков, волокон и мембран. Мелкозернистые порошки имеют размер частиц 0, 04 -0, 07 мм, крупнозернистые – 0, 3 -2, 0 мм. Последние предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты 1 -3 м, а порошкообразные мелкозернистые – со слоями высотой 3 -10 мм. Размер частиц ионита влияет на перепад давления в фильтрах.
Ионообменный аппарат непрерывного действия: I – подача сточной воды; II – подача воды; III – подача регенерационного раствора; IV – выпуск обработанной сточной воды; V – отвод после регенерационного раствора
Таким образом, систематизируя сказанное выше, аппараты ионного обмена можно классифицировать по различным признакам. 1. По организации процесса – аппараты непрерывного действия, периодического и полунепрерывного. 2. По гидродинамическому режиму – аппараты вытеснения, аппараты смешения и аппараты промежуточного типа. 3. По состоянию слоя ионита – с неподвижным слоем, с движущимся слоем, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим. 4. По организации контакта взаимодействующих фаз – с непрерывным контактом и со ступенчатым контактом. 5. По организации взаимного направления движения фаз – прямоточные, противоточные и со смешанным током. 6. По конструкции – на колонные и емкостные. 7. По способу подвода энергии – без подвода энергии извне (с гравитационным движением твердой фазы) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой фазы).
МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора. Если поместить в емкость концентрированный раствор какого-либо вещества, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного (менее концентрированного) раствора, то через некоторое время молекулы растворителя и растворенного вещества равномерно распределятся по всему объему жидкости. Самопроизвольный процесс перемещения молекул вещества, приводящий к выравниванию концентраций в растворе, называется диффузией. Диффузия, при которой процесс проникновения молекул в результате беспорядочного теплового движения осуществляется в обоих направлениях: из раствора с высокой концентрацией в раствор со слабой концентрацией, и наоборот, из раствора со слабой концентрацией в раствор с высокой концентрацией – называется встречной или двусторонней.
Осмосом называется односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку – мембрану. Осмотическое давление раствора – количественная характеристика осмоса – равно гидростатическому давлению, при котором достигается (наступает) равновесие при односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемая мембрана – это такая мембрана, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество нет. Такие перегородки существуют в природе, а также могут быть получены искусственно. При измерениях осмотического давления различных растворов было установлено, что величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества и ни от природы растворителя.
Схемы осмоса: а – прямой осмос; б – осмотическое равновесие; в – обратный осмос; Н – осмотическое давление; р – рабочее давление; 1 – растворитель; 2 – полупроницаемая мембрана; 3 – раствор Если же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия растворителя будет преимущественно происходить из раствора в фазу растворителя, т. е. в направлении, противоположном направлению переноса растворителя при осмосе. Такое явление получило название обратного осмоса. Таким образом, это непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы, или ионы растворенного вещества.
Простейшая установка обратного осмоса (рис. ) состоит из насоса высокого давления и модуля, соединенных последовательно. Схема установки обратного осмоса: 1 – насос высокого давления; 2 – модуль обратного осмоса; 3 – мембрана; 4 – выпускной клапан
При параллельном соединении (рис. а) все модули работают в одинаковых условиях – при одинаковом давлении и коэффициенте выхода фильтрата. Схемы соединения модулей обратного осмоса: а – параллельная; б – последовательная; 1 – насос; 2 – модуль осмоса; I – подача сточной воды; II – концентрат; III – очищенная вода
Производительность таких установок низкая. Последовательное соединение (рис. 1. 44, б) модулей позволяет увеличить выход фильтрата. Раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежуточного насоса не требуется, т. к. к давление на выходе первой ступени незначительно отличается от давления на входе во вторую ступень (потери напора составляют 0, 2 -0, 3 МПа). Такая схема для двух- и трехступенчатых установок обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70 -90 %.
Использованные литературы 1. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / С. В. Белов, Ф. А. Барбинов, А. Ф. Козьянов и др. : Под. ред. С. В. Белова. М. : Высш. школа, 1991. 192 с. 2. Родионов А. И. и др. , Техника защиты окружающей среды / А. И. Родионов, В. Н. Клушин, Н. С. Торошечников. М. : Химия, 1989. – 512 с. 3. Очистка производственных сточных вод: Учеб. пособие для вузов / С. В. Яковлев, Я. И. Карелин, Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов; Под. ред. С. В. Яковлева. М. : Стройиздат, 1985. – 336 с. 4. Глинка Н. Л. Общая химия: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А. И. Ермакова М. : Интеграл. Пресс, 2000. – 728 с. 5. Роев Г. А. Очистные сооружения газоперекачивающих станций и нефтебаз: Учебник для вузов / М. Недра, 1981. – 240 с. 6. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л. Л. Паль, Я. Я. Кару, Х. А. Мельдер, Б. Н. Репин. М. : Высш. шк. , 1994. – 336 с. 7. Куклев Ю. И. Физическая экология: Учеб. пособие. М. : Высш. школа, 2001. – 358 с. 8. Лившиц А. Б. Современная практика управления твердыми бытовыми отходами // Чистый город. 1999. № 1(5). С. 2 -12. 9. Калыгин В. Г. , Попов Ю. П. Порошковые технологии: экологическая безопасность и ресурсосбережение. М. : Изд-во МГАХМ, 1996. – 212 с. 10. Экология, охрана природы и экологическая безопасность / Под ред. В. И. Данилова. Данильяна. М. : Изд-во МНЭПУ, 1997. – 744 с.