ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРОВ – СРАВНИТЕЛЬНАЯ СХЕМА
Проточные электролизеры, как и электродиализаторы, представляет собой электрохимические приборы, которые состоят из корпуса, как правило герметичного, и камер, ограниченных электродами и мембранами. Мембраны электролизеров изготавливают из плотных тканей или волокнистых полимеров, пропускающих через себя только ионы. Мембраны электродиализаторов представляют собой слой мелкозернистых ионообменных смол, нанесенных на основу из лавсана, капрона или подобных тканей. Процессы, протекающие в электролизерах и электродиализаторах идентичны, поэтому применение их в различных техпроцессах также похожи.
Мембраны электролизеров отличаются простотой изготовления и достаточно низкой стоимостью. Допустимая концентрация солей в воде, пропускаемой через электролизер, в несколько раз выше чем у электродиализаторов.
Независимо от конструктивного исполнения электролизеры в основном выполняются двухкамерными, см. Рис. 1
В двухкамерном электролизере каждая из двух камер ограничена электродом и мембраной. Камера, ограниченная анодом, называется анолитной, камера, ограниченная катодом – католитной.
Не вдаваясь в подробности описания электрохимических процессов, при протекании воды через камеры электролизера в присутствии электрического поля происходит следующее:
- из одной камеры в другую через мембрану происходит перемещение ионов: ионы, имеющие положительный заряд, ( катионы) перемещаются к катоду, ионы, имеющие отрицательный заряд, (анионы) перемещаются к аноду; как правило анионы представляют собой кислотные остатки: хлориды, сульфаты, нитраты, фосфаты, карбонаты и т.п.; катионы – это как правило ионы металлов, кальция, магния, натрия и т.п.;
- вблизи электродов в результате электрохимических процессов происходит генерация ионов водорода и гидроксил-ионов; так в католитной камере происходит электрохимическое восстановление воды по формуле:
2Н2О + 2е- = Н2 + 2ОН –
иными словами в католитной камере накапливаются гидроксил – ионы ОН – и выделяется газообразный водород; в анолитной камере происходит электрохимическое окисление воды:
2Н2О = О2 + 4Н + + 4е –
в анолитной камере накапливаются ионы водорода и выделяется газообразный кислород, а при наличии хлоридов выделяется хлор; таким образом, при работе двухкамерного электродиализатора в анолитной камере образуются кислоты и выделяется кислород; в католитной камере образуются щелочи и выделяется водород.
Рассмотрим простейшие схемы применения двухкамерных электролизеров и электродиализаторов.
Схема умягчения воды, см. Рис.2:
Жесткая вода, содержащая катионы кальция и магния, проходя через электролизер, освобождается от ионов кальция и магния. Катионы под воздействием выпрямленного электрического поля попадают в католитную камеру, где уже преобладают гидроксил – ионы ОН -, и образуют при этом соединения гидроокисей Ca (OH)2 и Mg (OH)2. Эти соединения отфильтровываются, после чего вода становится мягче. Недостаток этой схемы в том, что образование хлопьев гидроокиси кальция начинает происходить при рН католита не менее 10,5, а гидроокись магния при рН не менее 11,5. Однако подобная схема работоспособна и запатентована специалистами Ровенского университета.
Более надежная схема умягчения воды показана на рисунке 3. Здесь поток католита проходит через емкость – успокоитель потока, где скорость движения уменьшается в десятки и даже сотни раз; кроме того, по пути движения католита установлен теплообменник, где происходит резкий подогрев католита; в результате гидроокиси кальция и магния выпадают в осадок в виде хлопьев и осаждаются в емкости – успокоителе; осадок периодически сливают и обезвоживают. Такая схема очень полезна для водоподготовки в котельных, прачечных и других предприятий, где необходима «мягкая» вода.
,
Емкость – успокоитель потока представляет собой открытую цилиндрическую емкость, внутри которой закреплена входная труба, через которую в емкость подается подогретый католит. Диаметр входной трубы в десятки раз меньше диаметра емкости, за счет чего резко снижается скорость потока и возникают необходимые условия для образования хлопьев гидроксидов кальция и магния.
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРОВ
Наличие ионообменных мембран в электродиализаторах дает им огромное преимущество по сравнению с электролизерами. Простейший вариант исполнения электродиализатора – трехкамерный прибор, в котором третья камера ограничена ионообменными мембранами, см. Рис. 4.
Основное применение электродиализаторов – опреснение воды, иными словами удаление солей, находящихся в воде в виде ионов. Под действием выпрямленного электрического поля ионы, содержащиеся в исходной воде, сквозь ионообменные мембраны движутся в направлении электродов: анионы – в направлении анода, катионы – в направлении катода и оказываются в ловушках, т. е. не могут вернуться обратно даже при снятии электрического поля. В электродиализаторе организованы три потока:
Поток Н исходной воды образован с помощью камеры обессоливания электродиализатора, а также вентилями 3, 4. Анолитный поток А образован с помощью анолитной камеры, а также вентилями 1,2. Соответственно, католитный поток образован католитной камерой и вентилями 5,6.
Процессы, протекающие в анолитной и католитной камерах абсолютно идентичны процессам в электролизерах. Таким образом применение электродиализаторов основано на использовании следующих свойств электродиализатора:
- в камерах обессоливания происходит удаление ионов солей – обессоливание исходной воды;
- в католитной камере происходит накопление катионов ( положительно заряженных ионов металлов);
- в католитной камере происходит генерация гидроксил – ионов ОН – и выделяется водород, рН католитного потока возрастает, образуются щелочи;
- в анолитной камере происходит накопление анионов, отрицательно заряженных ионов – кислотных остатков;
- в анолитной камере происходит генерация ионов водорода Н + и выделяется кислород, рН анолитного потока падает, образуются кислоты.
Анолитный и католитный потоки могут быть автономными, т.е. могут быть образованы отдельными замкнутыми или разомкнутыми потоками воды с отдельными насосами, емкостями и вентилями. Как правило, при включении электродиализаторов для опреснения воды, в анолитный и католитный потоки вводится обессоленная вода.
Среди всех известных способов опреснения воды электродиализ может выигрывать только в случае удешевления материалов электродов. При положительном решении вопроса, т. е. при возможности удешевления электродов, а такая возможность уже появилась, опреснение воды электродиализом выходит на первое место.
Ионообменные мембраны электродиализаторов намного проще в эксплуатации по сравнению с обратноосмотическими и могут быть восстановлены после определенного ресурса работы обычным промыванием и высушиванием. Обратноосмотические мембраны практически не восстанавливаются и имеют ограниченный ресурс. Однако, для опреснения воды электродиализом опресняемая вода должна быть очищена от механических примесей и железа. Это объясняется тем, что ионы двухвалентного железа, попадающие в католитную камеру, мгновенно окисляются в трехвалентные с образованием осадка Fe(OH)3 и загрязняют мембраны и лабиринтообразные водоводы католитной камеры. Аналогично, рекомендуется удалять ионы марганца.
Таким образом, для опреснения соленых вод электродиализатором необходимо предусмотреть очистку от песка и механических примесей, а также предусмотреть предварительную очистку от ионов железа и марганца.
Удаление песка и механических примесей реализуется применением обычных несложных фильтров, выбор которых на сегодняшний день не представляет особых трудностей. Обычно для этого используют фильтры со сменными картриджами из полимерных волокон от 100 до 1 мкм.
Удаление железа из воды более проблематично. Известно много способов удаления железа, простейшими из которых являются способы на окислении ионов железа кислородом с образованием гидроксида трехвалентного железа и дальнейшим его отфильтровыванием. Поскольку в анолитной камере электродиализатора выделяется кислород, его можно специальным отводом подать на блок обезжелезивания и ,таким образом, ускорить процесс обезжелезивания в непрерывном режиме.
