6.7. Электродиализ
Разделение и концентрирование ионных примесей в водных растворах может проводиться методом электродиализа. Сущность метода состоит в использовании направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их зарядов под действием разности потенциалов, приложенной к электродам.
Принцип метода можно проиллюстрировать на примере аппаратов с тремя камерами. Разделение аппарата производится с помощью двух селективных мембран. Две крайних камеры являются электродными камерами, концентрирующими соответствующие ионы. Таким образом можно получать очищенную воду в среднем отделении (рис. 6.5). Процесс электродиализа объединяет явления электролиза, включающего разряд ионов и их транспорт к поверхности электродов, диализа и осмоса.
В растворе поваренной соли происходит электролиз, электрические заряды от катода к аноду переносятся ионами OH- и Cl-, а от анода к катоду – ионами Na+ и H+. Ионы Na+ и Cl- уходят из среднего отделения в электродные камеры, а ионы OH- и H+ поступают соответственно из анолита и католита в среднее отделение, что приводит к опреснению воды в этом отделении.
Рис. 6.5. Схема изменения концентрации растворов в ячейках трехкамерного аппарата для электрохимического обессоливания воды
Через мембраны может происходить диффузия как электролита из среднего отделения в электродные камеры, так и кислоты и щелочи в обратном направлении. Количество вещества, диффундирующего в единицу времени, зависит от коэффициента диффузии и разности концентраций по граням мембраны. По мере увеличения щелочности и кислотности в электродных камерах в процессах переноса все в большей степени начинают принимать участие ионы OH- и H+, образующие в среднем отделении воду. В практических условиях часть тока расходуется на обратный перенос ионов, а также повторный вывод этих ионов из среднего отделения, что снижает выход по току.
Повышение эффективности обессоливания воды может быть достигнуто за счет высоких ионоселективности и проводимости мембран, малой скорости свободной диффузии, низкой осмотической проницаемости мембран. Такими качествами обладают ионообменные мембраны с фиксированными зарядами: мембраны, имеющие отрицательный заряд и проницаемые для катионов (катионитовые), и мембраны с положительным зарядом и проницаемые для анионов (анионитовые). Мембраны изготавливаются из органических ионообменных смол без основы или на основе капроновых, нейлоновых и других тканей. Это – практически нерастворимые в воде соли, кислоты или основания, активные группы которых способны к обменным реакциям. Они могут быть гомогенными, гетерогенными и пропиточные. Гомогенные, в свою очередь, подразделяются на поликонденсационные, полимеризационные, активированные и пленкообразующие. Гетерогенные изготавливаются прессованными и пропиточными.
В капиллярах мембран, находящихся в электрическом поле, могут происходить электроосмотические явления. Это – движение жидкости относительно неподвижной перегородки, несущей заряд. Направление переноса жидкости определяется знаком заряда стенки капилляров мембраны. Если анодная мембрана заряжена положительно, то будет происходить перенос жидкости из среднего отделения в анодную камеру, а при отрицательном ее заряде - в обратном направлении. Электроосмос изменяет не только объем раствора в среднем отделении аппарата, но и приводит к изменению его концентрации, так как электроосмотически переносится не только чистая вода, но и раствор электролитов.
Скорость удаления ионов из среднего отделения при электродиализе выражается уравнением
,
(6.18)
где
– объем жидкости; J
– сила
тока;
– коэффициент
диализа;
– площадь мембран; C
– разность концентраций.
Из этого уравнения может быть определена продолжительность электродиализа
(6.19)
где
– рабочий объем раствора.
Приведенное уравнение допускает, что электричество полностью расходуется на удаление ионов электролита. Однако в переносе электричества через мембраны принимают участие не только анионы и катионы электролита, удаляемые из среднего отделения, но и ионы OH- и H+, поступающие из электродных камер. По этой причине выход по току снижается. Он определяется по формуле
(6.20)
Электродиализные установки применяются в первую очередь для опреснения морской воды, частично для очистки стоков и отработанных растворов, например травления сталей.