4.4.3. Электродиализные установки

Электродиализ – процесс сепарации ионов, осуществляемый в многокамерном аппарате (электродиализаторе) под действием постоянного электрического тока, направленном перпендикулярно плоскости мембран. Данный метод можно использовать как для опреснения соленых вод, так и для удаления растворенных солей из производственных стоков.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Через такую систему пропускается постоянный ток, под воздействием которого катионы, двигаясь к катоду («–»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми. Анионы, двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся электрическим током в соседние камеры (рис. 4.23).

Мембраны для электродиализаторов изготавливают в виде гибких листов прямоугольной формы и в виде рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол. Основные свойства промышленно выпускаемых ионитовых мембран приведены в приложении 23.

Рис. 4.23. Схема процесса электродиализа: К – катионитовые мембраны; А – анионитовые мембраны; 1 – выход газообразного водорода; 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразного кислорода и хлора; 4 – выпуск обессоленной воды; 5 – выпуск концентрированного рассола

Различают электродиализаторы прокладочного типа, которые имеют горизонтальную ось электрического поля и пропускную способность 2÷20 м³/ч (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000, «Родник-3»), и лабиринтного типа, имеющие вертикальную ось электрического поля и производительность 1÷25 м³/ч (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25). Аппараты прокладочного типа состоят из чередующихся обессоливающих и рассольных камер, образованных прокладками-рамками из диэлектрика и отделенных друг от друга ионитных мембран. Рамки электродиализных камер изготовляют из полиэтилена, клингерита, паронита, резины, поливинилхлорида толщиной 0.7÷1 мм. Каналы для подвода и отвода исходной воды и рассола обычно образуются проштампованными в рамках отверстиями. Сжатие рамок и мембран осуществляется торцевыми плитами с помощью стяжных болтов, гидравлических и винтовых домкратов Усилие сжатия должно в 2÷3 раза превышать давление рабочей жидкости. Катод и анод аппарата с изолированными тоководами монтируются в торцевых плитах.

Электродиализный аппарат производительностью 25 м³/ч (рис. 4.24) состоит из 128 корпусных рамок, выполненных из винипласта, между которыми поочередно проложены ионитовые мембраны марки МК-100 и МА-100. Толщина рамок составляет 3 мм. Внутри рамок уложена гофрированная сетка, которая обеспечивает зазор между мембранами и одновременно служит турбулизатором потока воды. Электроды изготовлены из титана с платиновым покрытием толщиной 1÷3 мкм, соединительные трубы – из полиэтилена. Опреснительная установка, состоящая из четырех аппаратов, рассчитана на обессоливание воды с солесодержанием от 3÷6 до 0.8÷1 г/м³.

Рис. 4.24. Эпектродиализный аппарат (разрез): 1 – штуцер; 2 –токовод; 3 – изолятор; 4 – прижимная плита; 5 – прокладка; 6 – электродная рамка; 7 – электрод; 8 – дистанционирующая сетка; 9 – катионитовая мембрана; 10 – анионитовая мембрана

Технические характеристики электродиализных аппаратов представлены в приложении 24. Оптимальная область применения электродиализаторов – при концентрации солей в воде 3÷8 г/л [3].

Для эффективной работы аппаратов необходимо осуществлять промывку приэлектродных камер для предохранения крайних мембран от разрушения продуктами электролиза (Cl₂, ClO^-). Промывной раствор (или рассол) подается в камеры по самостоятельной системе.

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов:

– аппаратов предварительной подготовки воды;

– собственно электродиализных установок;

– кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха;

– фильтров, загруженных активированным углем (БАУ или АГ-3) и бактерицидных установок.

Существуют следующие технологические схемы электродиализных установок:

1. Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного значения до заданного за один поход (рис. 4.25, а). Преимуществами данной схемы являются неограниченная производительность ЭДУ, минимальная протяженность трубопроводов, минимальное количество запорно-переключающей арматуры, оптимальные условия работы электродиализатора, минимальный расход электроэнергии, простота автоматизации. Недостатком является чувствительность ЭДУ к изменениям расхода и состава воды;

Рис. 4.25. Технологические схемы электродиализных установок:

а) прямоточной: 1 – подача воды на обессоливание; 2 – подача воды на концентрирование; 3 – электродиализатор; 4 – отвод рассола; 5 – отвод обессоленной воды;

б) циркуляционной порционной: 1 – подача исходной воды; 2 – отвод дилюата;

3 – электродиализатор; 4 – циркуляционный трубопровод рассола; 5 – циркуляционный трубопровод частично обессоленной воды; 6 – отвод рассола; 7 – рассольный насос;

8 – рассольный бак; 9 – отвод рассола в бак; 10 – бак дилюата; 11 – насос дилюата;

12 – отвод частично обессоленной воды

2. Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания (рис. 4.25, б). Преимущество данной схемы заключается в том, что состав и температура исходной воды влияют только на производительность ЭДУ. Недостатки – большее количество трубопроводов и арматуры большее энергопотребление, непрерывное изменение плотности тока в электродиализаторе, что препятствует работе мембран в равновесных условиях и делает процесс очистки трудно контролируемым;

3. Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия, в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается к потребителю (рис. 4.26, а). Преимуществом данной схемы являются непрерывный выход дилюата, возможность обработки воды практически при любых концентрациях, работа мембран в одних и тех же равновесных условиях, легкость контроля и автоматизации ЭДУ, а также простота их эксплуатации. Недостатки – наибольший расход электроэнергии, циркуляционные системы «дилюат – рассол» имеют различные расходы;

Рис. 4.26. Технологические схемы электродиализных установок: а) циркуляционной непрерывного действия: 1 – подача сточной воды; 2 – рабочие баки; 3 – рассольный бак; 4 – выпуск рассола; 5 – выпуск дилюата; 6 – электродиализатор; 7 – рециркуляция рассола; 8 – насосы; 9 – рециркуляция сточной воды и дилюата; 10 – выпуск рассола из электродиализатора; 11 – выпуск обессоленной воды; б) с последовательной схемой движения потоков: 1 – подача промывной воды в рассольные ячейки; 2 – подача воды на обессоливание; 3 – электродиализатор; 4 – выход обессоленной воды; 5 – выход рассола

4. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. При этом вода проходит по порядку все камеры дилюатной системы, а рассол – все камеры рассольной системы (рис. 4.26, б). Преимущества этой схемы – непрерывность процесса, высокий процент удаления соли за один проход через аппарат, постоянные напряжение и ток, наличие только двух электродов. Недостатки – большая площадь мембран на единицу обрабатываемой воды, необходимость высокого давления воды на входе в аппарат, сильное влияние на работу ЭДУ расхода воды, сопротивления и селективности мембран.

Выбор технологической схемы ЭДУ производится на основании технико-экономического расчета. При производительности установок свыше 300÷500 м³/сут. по обессоленной воде рациональным считается использование прямоточных технологических схем.

Объем инженерного расчета ЭДУ зависит от наличия промышленно выпускаемых электродиализаторов или рабочих чертежей аппаратов с хорошо отработанной конструкцией и стандартными деталями. Создание нового электродиализатора – весьма сложный и довольно продолжительный процесс [7].

Даже при наличии электродиализного аппарата созданию ЭДУ должны предшествовать экспериментальные исследования, целью которых является определение исходных данных для проектирования и определение оптимальных условий проведения технологического процесса обессоливания. В распоряжении проектировщика должны быть исходные данные о выходе по току при электродиализе. Он зависит от концентрации солей и, как правило, выше для разбавленных растворов (например, при обработке природных вод выход по току падает с 90 % до 80 % при увеличении солесодержания с 10 до 50 мг-экв/л).

При расчете электродиализных аппаратов учитывают, что рабочая ячейка состоит из двух мембран (катионитовой и анионитовой) и двух камер (дилюатной и рассольной). Количество рабочих ячеек в установке для обессоливания воды рассчитывают по формуле [9]:

,

(4.68)

где Q – производительность установки, м³/ч;

ΔC – снижение концентрации солей в воде, г-экв/м³;

i_p – расчетная плотность тока, А/см²;

F – расчетная площадь мембраны, см²;

η_эл – выход по току, принимаемый не менее 0.8;

26.8 – количество ампер-часов, необходимое для переноса 1 г-экв соли.

Количество ячеек в каждом аппарате должно быть не более 200÷250. Общее число параллельно работающих электродиализных аппаратов в установках циркуляционного типа и в каждой ступени установок прямоточного типа:

.

(4.69)

Снижение солесодержания для циркуляционных установок определяется по выражению: ΔС = С₀ – С₁, где С₀ и С₁ – содержание солей в исходной и обессоленной воде; для прямоточных установок: ΔС = С_вх – С_вых, где С_вх и С_вых – концентрация солей в дилюате, входящем в аппарат на любой ступени (на 1-й ступени равна концентрации солей в исходной воде), и дилюате, выходящем из той же ступени (для последней ступени равна концентрации в обессоленной воде). В каждой ступени прямоточной установки С_вых =α · С_вх. Коэффициент снижения концентрации дилюата вычисляется по формуле:

,

(4.70)

где l – путь, проходимый в камере дилюатом, см;

d – толщина слоя дилюата, равная расстоянию между мембранами, см;

k^’ – коэффициент, учитывающий деполяризационные свойства прокладок-сепараторов. Для полихлорвиниловых прокладок, изготовленных методом просечки-вытяжки равен 2 · 10⁴, для капроновых плетеных прокладок – 3 · 10⁴.

Оптимальная расчетная плотность тока i_p определяется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов. Расчетные оптимальные плотности тока по ступеням прямоточной установки должны изменяться по соотношениям:

,

(4.71)

где i_n – плотность тока на i-ой ступени.

Напряжение на электродах электродиализных аппаратов, В:

,

(4.72)

где U_э – падение напряжения на электродах, принимаемое равным 3÷5 В;

Е_м – мембранный потенциал ячейки, В;

r_я – сопротивление ячейки, Ом.

Мембранный потенциал может быть вычислен с учетом концентрационной поляризации по формуле:

,

(4.73)

где φ и ψ – коэффициенты, зависящие от температуры (см. табл. 4.7)

С_р – расчетная концентрация рассола, мг-экв/л, принимаемая в 3÷4 раза больше солесодержания исходной воды;

С_д – расчетная концентрация дилюата, мг-экв/л.

Таблица 4.7

t, ºC	1	5	10	15	18	20	25	30
φ	0.084	0.086	0.087	0.089	0.090	0.091	0.093	0.095
ψ	0.079	0.080	0.081	0.083	0.084	0.085	0.086	0.088

Расчетная концентрация дилюата в любой ступени прямоточной многоступенчатой установки вычисляется по формуле (4.74), а в аппарате циркуляционной установки по формуле (4.75):

.	(4.74)
.	(4.75)

Сопротивление ячейки рассчитывают по формуле:

,

(4.76)

где δ – коэффициент увеличения сопротивления камеры сепаратором. При толщине прокладочных камер d = 0.1 см для сеток из ПВХ, изготовленных методом просечки-вытяжки принимается равным 1.54, для плетеных сепараторов из капрона – 1.48;

χ_д и χ_р – удельные электропроводности дилюата и рассола, Ом^-1 · см^-1;

ρ – удельное поверхностное сопротивление мембран, Ом · см².

Для обеспечения электродиализной установки постоянным током подбирается выпрямитель соответствующей мощности. Пригодные для использования в ЭДУ серийные выпрямители имеют выходное напряжение до 460 В и ток от 12 до 320 А [7]. Подробный расчет электродиализных установок весьма сложен и рассматривается в специальной литературе [14].

Принцип действия, устройство и порядок расчета электрофлотационных установок рассмотрен в п. 4.3.