Патент на електродиализатор плоский

Опреснение воды заключается в частичном ее обессоливании, при котором общее содержание солей снижают до величины, когда воду можно использовать для питья, т. е. до уровня, не превышающего 1000 мг/л, при содержании отдельных ионов, не превышающем нормативов, установленных ГОСТ на качество питьевой воды. При опреснении питьевой воды полное обессоливание ее нежелательно, так как оно сделало бы воду неприятной на вкус и лишило бы полезных для организма солей и микроэлементов. Можно ориентировочно считать, что оптимальное держание солей в воде находится в пределах 250-300 мг/л, а минимальное - на уровне 100 мг/л, из которых 70-80 мг/л желательны в виде карбоната кальция, придающего воде то вкусовое ощущение, которое свойственно многим природным водам.

В бывшем СССР недостаток в пресной воде испытывали Казахстан, Узбекистан, Туркмения, Донбасс, Криворожье, Южный Алтай и другие районы. Аналогичная картина наблюдается во многих других странах - США, Мексике, в странах Средней Азии, Ближнего и Среднего Востока, Северной Африки и др. Вместе с тем во многих этих районах имеются значительные ресурсы солоноватых (1-3 г/л) и засоленных вод (3-10 г/л). В то же время водные ресурсы мирового океана (содержание солей от 10 до 35 г/л) неисчерпаемы. Поэтому опреснение воды становится все более актуальной санитарно-технической проблемой. Советским Союзом и США заключено специальное соглашение о сотрудничестве в области опреснения соленых вод.

Широкому применению опреснения препятствовала его высокая стоимость, которая еще недавно достигала 1-2 рублей за 1 м3 опресненной воды, в то время как себестоимость пресной речной воды, подаваемой водопроводами, обычно составляет 1-8 коп/м3. Однако в последнее время прогресс в энергетике и методах опреснения воды позволил значительно снизить стоимость этой обработки, что будет способствовать внедрению ее в практику и в первую очередь в безводных и маловодных местностях, где стоимость транспортировки пресной воды очень велика (Алтайский край, восточное побережье Каспия и др.).

Опреснение воды может осуществляться следующими методами: дистилляцией, электрохимическим (электродиализ), ионообменным, замораживанием, кристаллогидратным, гиперфильтрацией и др.

Электродиализ.

Метод основан на том, что при прохождении постоянного тока через воду положительно заряженные катионы растворенных в ней солей двигаются к погруженному в опресняемую воду катоду, а отрицательно заряженные анионы - к аноду. В качестве электродов применяют нержавеющую сталь, магнезит, графит. Если сосуд, в который помещены катод и анод, разделить пористыми перегородками (мембранами) на три части - анодную, катодную и среднюю, рабочую, а затем заполнить опресняемой водой и включить постоянный ток, то постепенно большая часть катионов растворенных в воде солей будет перенесена электрическим током в катодное пространство, а анионов - в анодное. Вода в рабочем пространстве опреснится. В современных установках используют селективно-проницаемые мембраны, изготовляемые из ионообменных смол, катионопроницаемых (анкилит К-2, МК-100, РМУ-100) и анионопроницаемых (анкилит А-4, МА-100 и др.).

Использование селективных мембран позволило применять многокамерные диализаторы, требующие примерно в 3 раза меньшего расхода электроэнергии. Во время работы прямоточного многокамерного диализатора вода подается в четные камеры, а через нечетные камеры циркулирует исходная вода (рассол). При пропуске через диализатор постоянного электрического тока анионы из воды четных камер будут двигаться налево к аноду и легко переходить из четной камеры в нечетную слева через анионопроницаемую мембрану. Аналогично катионы будут передвигаться в нечетную камеру справа. Из нечетных камер ни катионы, ни анионы в соседние камеры не проникнут, так как на своем пути они встретят непроницаемые для катионов анионопроницаемые мембраны справа и непроницаемые для анионов катионопроницаемые мембраны слева. В итоге соли из четных камер поступят в нечетные, вода в четных камерах опреснится, а соли, поступившие в нечетные камеры, будут удаляться с вытекающим рассолом. Опресненная вода, вытекающая на всех четных камер, собирается и перекачивается в резервуар чистой воды. С увеличением содержания солей в воде стоимость опреснения ее значительно возрастает. При содержании солей 3 г/л стоимость опреснения 1 м3 воды (в зависимости от стоимости электроэнергии) составляет 15-20 коп, а при 10 г/л - 30-40 коп. Поэтому полагают, что применение электродиализа рентабельно в первую очередь для опреснения вод, содержащих до 10 г/л солей, на водопроводах малых городов, поселков и сел.

В СССР налажено серийное производство электродиализных опреснительных установок производительностью 25-125 м3/ч. Получившие известное распространение опытные полупроизводственные установки действуют и в более крупных населенных пунктах (Баку, Батуми и др.). Крупная электродиализная установка мощностью 11000 м3/сут эксплуатируется в ЮАР, снижая содержание солей в опресняемой воде с 3,2 до 0,5 г/л. В таблице представлены типичные данные качества воды, опресненной методом электродиализа.

С помощью электродиализа концентрация солей в воде снижается на 90-95 %, обычно до 400-900 мг/л. Таким образом, полученная вода не нуждается в дополнительной минерализации. Однако не исключено ухудшение органолептических свойств воды, по-видимому, за счет органических соединений, образующихся в результате электролиза солей.

Мембраны типа МК-40 и МА-40, изготовленные из ионитов КУ-2 и ЭДЭ-10 П, ухудшают органолептические свойства опресненной воды, вынуждают дополнительно фильтровать опресненную воду через активированный уголь. Вещества, выделяемые мембранами в воду, могут оказывать токсическое действие, поэтому в практике водоснабжения следует применять лишь мембраны, прошедшие гигиеническую апробацию.

Опреснение морской воды на опытной судовой электродиализной установке при снижении содержания солей до 300-350 мг/л показало, что примерно половина экипажа судна признала воду малопригодной дляпитья по органолептическим свойствам. К тому же оказалось, что в опресненной морской воде содержались значительные концентрации бора (до 4,5 мг/л) и брома (до 1,8 мг/л), отрицательно влияющие на организм, обладающие тератогенными свойствами и снижающие антикариозное действие фтора воды. Поэтому возникла необходимость создания бор и бромзадерживающих мембран, обеспечивающих снижение концентрации этих микроэлементов ниже предельно допустимых величин.

Вымораживание. Как известно, соленость льда составляет лишь 40-30 % солености исходной воды. При последующем плавлении такого льда можно получить еще более пресную воду. Для этого нужно сначала сбросить воду, образовавшуюся в начале таяния льда, поскольку сначала растапливается та часть льда, которая образовалась при замерзании более минерализованного рассола. Из воды, содержащей до 15 г/л солей, можно получить этим методом воду с содержанием солей 0,5-2 г/л. Опреснение воды вымораживанием может быть осуществлено природным холодом и искусственным замораживанием.

При вымораживании природным холодом в Советском Союзе в условиях местного водоснабжения нашел применение бунтовый способ. В начале зимы наполпяют специально вырытые бассейны с дырчатым дренажным дном соленой водой. Намораживание бунта льда ведут до толщины 3-4 м. Весной лед начинает таять, рассол стекает под дренажное дно бунта и отводится из него в сток. Через 30-35 дней содержание солей в вытекающей из-под бунта воде снижается до 1,5 г/л. Получаемую таким образом пресную воду, обычно бактериально загрязненную, необходимо обеззараживать.

Замораживание искусственным холодом можно производить в любых климатических условиях круглогодично. Для искусственного замораживания используют холодильные машины. Опреснение осуществляется с конечным солесодержанием воды 500 мг/л. Применяемые жидкости для охлаждения не должны практически растворяться в воде, а микроколичества их в опресненной воде не должны изменять ее органолептические свойства и быть токсичными.

Необходимо отметить, что все описанные методы опреснения не предусматривают использования извлекаемых из воды солей. При опреснении воды на установках, расположенных на берегах морей или морских судах, рассолы сбрасывают в море. При использовании подземных засолоненных вод на местах создаются трудности при подыскивании мест для отвалов. Наиболее рационально выделение солей из рассола и получение из них ценных продуктов.

«Флейта» для очистки воды Александр Павлов 23 ноября 2007, 14:56 Читайте также «Флейта» для очистки воды «Зеркало недели. Украина» №45, 23 ноября 2007 Газета — трибуна антинаучных взглядов? «Зеркало недели. Украина» №45, 23 ноября 2007 Украина за чистый космос «Зеркало недели. Украина» №45, 23 ноября 2007 Растения подают сигнал об опасности «Зеркало недели. Украина» №45, 23 ноября 2007 Миниатюрное устройство для опреснения минерализованной воды, которое разработал профессор кафедры прикладной физики Национального технического университета «КПИ» Александр БОГОРОШ, представляет собой пластмассовую трубку диаметром с двухкопеечную монету и длиной со стандартный карандаш. Мини-опреснитель позволяет очищать даже морскую воду. Он прост в использовании: чтобы напиться пресной воды из моря, достаточно один конец мини-опреснителя погрузить в воду, а из другого ртом потянуть воздух — вскоре вы почувствуете, что рот наполняется пресной водой. Такая «флейта» незаменима в экстремальных ситуациях для морских путешественников и вообще всех тех, кто отправляется в странствия по местам, где не гарантирована чистота водных источников. Кроме того, смена фильт­ров позволяет получать питьевую воду с любым привкусом, который предпочитает пользователь. Как известно, вкус воды создается сочетанием растворенных в воде минеральных солей. После правильно подобранного фильтра вода может приобрести привкус, напоминающий «Оболонскую», «Моршинскую», «Миргородскую» или любую другую. Это достигается путем введения специальных слоев фильтрующих элементов, содержащих соли заданной растворимости и ионообменные адсорбенты. Опреснители минерализованной воды изготавливают в различных странах. Так, небольшая частная фирма в США выпускает опреснитель, весьма похожий на наш, хотя он имеет значительно больший диаметр и длину. Кроме того, их опреснитель не позволяет изменять вкус опресняемой воды. К тому же после их очистки, как утверждает Александр Терентьевич, вода «горчит». Вместе с тем любители отдыха на Майами-Бич могут приобрести подобное устройство за 2,5 доллара, позволяющее опреснить литр морской воды. С помощью украинского опреснителя можно получить до 2,5 литра воды. Затем он подвергается регенерации и его можно вновь использовать. Это немаловажно, так как сегодня к подобным изделиям предъявляется требование, чтобы они не засоряли природу. Важным достоинством разработки является и то, что его себестоимость при массовом выпуске можно довести до 10 копеек за штуку, так как сырья для производства мини-опреснителя в Украине достаточно. Самое удивительное в этой истории то, что до сих пор никто из бизнесменов… не проявил никакого интереса к проекту.
Больше читай здесь:

http://gazeta.zn.ua/SCIENCE/fleyta_dlya_ochistki_vody.html

Материалы разрешено копировать при указании сайта в списке использованных источников и размещении активной-индексируемой ссылки на страницу или на www.mehanizator-ua.ru

Технология электродиализа

Электродиализ - процесс удаления из растворов (проводников второго рода) ионов растворенных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. Известно, что при наложении постоянного электрического поля на раствор, в последнем возникает движение катионов (включая ион водорода) к отрицательному заряженному катоду, а анионов - к аноду. При контакте ионов с соответствующими электродами протекают следующие реакции:

Катодные реакции восстановления:

и анодные реакции окисления:

Если в электродную ячейку поместить около катода мембрану, выполненную из катионита и пропускающую только катионы, а около анода - анионитную, пропускающую только анионы, что исключит перенос ионов H⁺ и OH^-, образующихся у электродов, то объем ячейки будет разделен на три камеры. В этом случае в катодную камеру из средней могут проходить только катиониты, движущиеся к катоду, а в анодную - только анионы, движущиеся к аноду. Концентрация ионов в средней камере будет уменьшаться, т.е. вода станет менее минерализованной, а в приэлектродных камерах она будет увеличиваться.

Теоретическое количество электричества Q_теор, расходуемого на перенос 1 г-экв вещества по закону Фарадея равно 26.8 А·ч или 96491 Кл, а количество электричества, А·ч,необходимого для деминерализации 1 м³ воды от концентрации C₁ до концентрации C ₂ (г-экв/м³), будет определяться по формуле:

где I - сила тока, пропускаемого через раствор, А; t - время, ч.

На практике при реализации электродиализа наблюдаются потери напряжения на преодоление омических сопротивлений в ячейках и на электродах, поэтому потребляемое фактическое количество электричества превышает теоретическое. Степень совершенства электродиализа характеризуется коэффициентом выхода по току h_э, выражаемого как:

Значение h_э теоретически изменяется в пределах от 0.3 (для неактивных мембран) до 1.0 (в идеальном процессе). Потери напряжения на электродах (3 - 4 В) существенно превышают потери на омическое сопротивление в мембранах и растворе (1 - 2 В), поэтому в трехкамерном электродиализаторе свыше 2/3 энергии расходуется бесполезно.

Для снижения перечисленных потерь до 3 - 5% применяются многокамерные электродиализаторы (рис. 5.7), состоящие из большого числа узких камер (до 300 шт.). В крайних камерах аппарата помещают катод и анод, изготовленные для предотвращения их растворения из электрохимически инертного материала (платинированного титана). Исходная вода, поступающая в четные камеры (рис. 5.7), теряет ионы примесей, т.е. обессоливается. В нечетных камерах вода обогащается солями. Обессоленная вода и концентрат(рассол) собираются и раздельно выводятся из аппарата.

Рис. 5.7. Схема многокамерного электродиализатора:
К - катоинитная мембрана, пропускающая только катионы; А - анионитная мембрана, пропускающая только анионы;

Ионитные мембраны , используемые в процессе электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, иметь длительный срок службы в промышленных условиях. В табл. 5.4 приводятся характеристики некоторых отечественных мембран, причем мембраны, изготовленные из катионита, имеют обозначение МК, а из анионита - МА.

Серьезным препятствием для глубокого обессоливания воды в технологии электродиализа являются:

1) повышение электрического сопротивления в камерах с ростом степени обессоливания;

2) перенос воды через мембраны в процессе осмоса;

3) разложение воды при высоких плотностях тока;

4) возможность образования осадков на мембранах в камерах концентрирования.

Экспериментально показано, что при концентрации солей в камерах обессоливания ниже200 - 300 мг/дм³ резко возрастает расход энергии, что ограничивает глубину обессоливания воды указанными пределами.

Ограничение плотности тока при электродиализе связано с явлением концентрационной поляризации, возникающей на ионитных мембранах. Суть этого явления заключается в том, что движение ионов через мембрану под действием электрического тока идет быстрее, чем в растворе, что приводит к падению концентрации около принимающей стороны мембраны и к повышению концентрации около отдающей стороны (рис. 5.8). Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация переносимого иона около принимающей стороны мембраны снижается до 0 и начинается перенос ионов H⁺ и OH ^-, образовавшихся при электролизе воды. Этот процесс вызывает перерасход электроэнергии, не снижая солесодержания воды, и приводит к изменению pH среды, что может вызвать образование осадков на мембранах.

Рис. 5.8. Схема возникновения концентрационной поляризации на анионитной мембране:
A - анионитная мембрана, пропускающая только анионы;  - толщина граничного слоя воды; 1 - концентрация анионов

С учетом отмеченных ограничений оптимальный уровень снижения солесодержания обрабатываемой воды в одноступенчатых электродиализных аппаратах не превышает 40 - 50%.

Для предотвращения образования осадков кроме ограничения рабочей плотности тока производят подкисление воды, переполюсовку напряжения, попеременный пропуск воды через обессоливающие и рассольные камеры.

Электродиализные аппараты конструируются по типу фильтр-пресса (рис. 5.9) и включаются в схему водоприготовления последовательно или параллельно в зависимости от условий применения. Чередование обессоливающих и рассольных камер обеспечивается рамками-прокладками из диэлектрика (паронит, полиэтилен и т.п.)толщиной 0.7 - 1.0 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассола образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется с помощью торцевых плит. Внутри камер укладывается гофрированная сетка, которая дистанционирует мембраны и одновременно служит турболизатором потока воды. Исходная вода, используемая в электродиализных установках, требует предварительной обработки с тем, чтобы свести к минимуму возможность образования осадков в камерах из взвешенных частиц; подвергнутых электрокоагуляции коллоидных частиц; шлама из твердой фазы CaCO₃ и Mg(OH)₂. Кроме того, из воды должны быть удалены ионы железа, марганца и органические вещества до концентраций не менее 50 мкг/дм³ по каждому, присутствие которых приводит к "отравлению" мембран, т.е. к снижению их электрической проводимости.

Рис. 5.9. Схема многокамерного электродиализного аппарата:
1 - вода на промывку электродной камеры; 2 - анод; 3 - катод; 4 - вода на промывку рассольных камер; 5 - подача обрабатываемой воды в обессоливающие камеры; 6 - верхняянажимная плита; 7 - сток из электродной камеры; 8 - катионитная мембрана; 9 - прокладка в камере обессоливания; 10 - анионитная мембрана; 11 - прокладка в рассольной камере; 12 - отвод обработанной воды; 13 - отвод рассола; 3 - нижняя плита

Необходимость предварительной очистки воды и относительно низкая (до 50% в одну ступень) степень обессоливания на выходе из электродиализных аппаратов определили возможность комбинирования мембранной технологии с ионитным обессоливанием при обработке вод с повышенным исходным солесодержанием (более 500 мг/дм ³) В этом случае электродиализные аппараты включаются в схему после предочистки и перед ионообменными фильтрами, что позволяет сократить расход реагентов на ионообменную часть, и следовательно, резко уменьшить количество сбросов с ВПУ.