Лекция 9 электродиализ

Электродиализ – процесс переноса ионов под воздействием постоянного электрического тока к электродам через полупроницаемую мембрану, помещенную в раствор электролита. Простейший трехкамерный электродиализатор состоит из трех камер: катодной, анодной и средней (рабочей) (рис. 6). Исходная вода подается во все камеры. В средней камере происходит обессоливание воды, а в крайних – концентрирование солей.

Катодная камера отделена от камеры обессоливания катионитовой мембраной, анодная камера – анионитовой.

Анионитовая мембрана имеет положительный заряд фиксированных на матрице катионов и избирательно пропускает только анионы из раствора.

Катионитовая мембрана имеет отрицательный заряд фиксированных на матрице анионов и проницаема только для катионов.

а	б

Рис. 6. Схема трехкамерной ячейки электродиализатора (а) и многокамерного электродиализатора (б) [Из [2], рис. 8, 9, С. 90-91]

На рис. а: 1 – анод; 2 – анионитовая мембрана; 3 – камера обессоливания; 4 – катионитовая мембрана; 5 – катод; 6 – катодная камера; 7 – анодная камера.

На рис. б: 1 – анод; 2 – вода для промывки анода; 3 – исходная вода; 4 – воды для промывки катода; 5 – катод; 6 – концентрированный раствор солей; 7 – катионитовые мембраны; 8 – анионитовые мембраны; 9 – раствор гидроксида натрия; 10 – опресненная вода; 11 – хлорная вода.

При пропускании электрического тока в катодную камеру из средней поступают катионы Na⁺, H⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. Ионы водорода восстанавливаются на катоде до свободного водорода:

2H⁺ + 2 e  H₂.

В анодную камеру поступают анионы, содержащиеся в воде (OH^‑, Cl^‑, HCO₃^‑, SO₄^2‑и др.). На аноде происходят реакции окисления:

OH^‑ ‑ 4e  2H₂O + O₂;

2Cl^‑ ‑ 2e  Cl₂.

Использование трехкамерного электродиализатора нерентабельно из-за больших потерь электроэнергии при протекании электродных реакций окисления и восстановления. Используют многокамерные электродиализаторы (десятки и сотни камер). В таких установках имеются ячейки, отделенные друг от друга катионитовой и анионитовой мембранами. У катода находится катионитовая мембрана, у анода – анионитовая. При этом количество электроэнергии, расходуемое на вторичные электродные реакции, снижается с 60-70 % до 1-2 %. В четных камерах получают обессоленную воду, а в нечетных – рассолы.

Применение. Для частичного обессоливания морских и минерализованных вод, а также в оборотном водоснабжении.

Недостатки. При большой карбонатной жесткости исходной воды наблюдается образование отложений карбоната кальция и гидроксида магния, особенно в катодной камере, где щелочная среда. Рационально использование метода при минерализации воды 3,5‑35 г/кг и при остаточном солесодержании не менее 400 мг/л.

Отравление мембран. При наличии в воде микроорганизмов возможно образование биологических обрастаний на мембранах. Для предотвращения воду обрабатывают хлором или гипохлоритами. Отравление катионитовой мембраны возможно и в результате отложения гидроксида железа. Требования к воде: взвешенные вещества, не более 3 мг/л; железо, не более 0,1 мг/л; бор, не более 0,1 мг/л; цветность не выше 20, окисляемость до 5 мгО₂/л.

Ионитовые мембраны. Селективно-проницаемые мембраны изготовляют из катионитов и анионитов. Мембраны могут быть:

1. гомогенные – целиком состоят из ионитного материала;

2. гетерогенные – приготовляют из тонко измельченного ионита и пленкообразующего вещества;

3. пропиточные‑ получают при пропитке пористых листовых материалов веществами, способными образовывать ионитные смолы. Идеально селективная мембрана имеет число переноса 1,0.

Технологические характеристики некоторых ионитовых мембран [3, С. 1004]

Мембраны	Толщина, мм	Обменная емкость, мг-экв/л	Удельное поверхностное сопротивление, Омсм2	Число переноса
Катионитовые МК-40 МК-100	0,7 0,3	2,3 2,8	30 2,5-5	0,93 0,98
Анионитовые МА-40 МА-100	0,7 0,3	3,0 2,3	30 5-6	0,93 0,98

Примечание. Удельное поверхностное сопротивление и числа переноса приводятся для 0,1 н раствора NaCl. Мембранный потенциал при концентрации NaCl 0,1 н с одной стороны мембраны и 0,01 н с другой равен примерно 0,05 В. Перенос воды при плотности тока 0,01 А/см² находится в пределах 0,01‑0,3 мл/(см²ч).

Электроды в электродиализаторах должны иметь высокую химическую стойкость. Их изготавливают из магнетита, платинированного титана или графита с высокой плотностью. для снижения расхода электроэнергии расстояние между мембранами сокращают до 0,2-0,3 мм.