9.7. Электродиализ.

Сущность метода - при наложении электрического поля постоянного тока катионы и анионы растворенных солей диффундируют соответственно к катоду и аноду. Если возле анода и катода установить полупроницаемые мембраны, пропускающие только катионы (возле катода) и только анионы (возле анода), то в средней части солесодержание снизится. Принципиальные схемы электродиализного аппарата (одно и многокамерного) приведены ниже.

Следует отметить, что возле катода и анода выделяются соответственно водород и кислород. Водород взрывоопасен, поэтому здесь необходима принудительная вентиляция с высокой степенью обмена.

Мембраны изготовляют из таких же материалов, из которых производят катиониты и аниониты. Они должны обладать высокой электропроводностью, селективностью, прочностью и стойкостью. Мембраны разделены диэлектрическими перегородками (пластмасса). Электроды изготовляют из материалов, стойких к окислительным процессам (платинированный титан, графит, магнетит и т.п.).

Большой проблемой при эксплуатации электродиализных аппаратов являются отложение солей на поверхности мембран. Если эти осадки рыхлые, то они удаляются периодическим смывом, иногда сопровождаемым водо-воздушной промывкой. Из-за опасности отложений приходится повышать требования к качеству исходной воды: мутность–до 1,5 мг/л, цветность – до 20⁰, окисляемость- 5 мг/л, содержание железа и марганца – до 0,05 мг/л ( выше, чем для питьевой воды). для предупреждения карбонатных отложений воду подкисляют до рН=4. иногда для уменьшения интенсивности отложений практикуют переполюсовку электродов.

В отличие от обратного осмоса электродиализом удаляются только неорганические соли, а органические остаются. Поэтому после аппарата воду приходится дезодорировать (сорбция на активном угле) и обеззараживать.

Как правило, электродиализ проводят в несколько ступеней, применяют прямоточные и циркуляционные схемы. В последних схемах воду пропускают через аппарат до тех пор, пока не получают нужное солесодержание.

Электродиализ применяют при солесодержании воды 1,5-7,0 г/л (иногда до 10-15 г/л). солесодержание опресненной воды не менее 0,5 г/л. выход опресненной воды составляет 70-85% от общего расхода. Перспективным в этом плане является метод обратимого электродиализа. Здесь полярность электродов периодически (примерно через 15 мин) меняют, одновременно производят переключение потоков в камерах и сбрасывают часть воды для промывки мембран (45-90с). выход опресненной воды в результате повышается до 90-95%.

Электродиализные аппараты выпускают производительностями 12, 24, 120, 350, 1200м³/сут. все коммуникации установок и арматура выполняются из коррозионно-стойких материалов (пластмасса, эмалированные трубы и т. п.).

10.Обескремнивание воды.

Кремний образует сложные силикатные накипи, обладающие низкой теплопроводностью, из-за чего снижается коэффициент полезного действия котлов и теплообменников. Эти накипи образуются не только с солями жесткости, но и с солями натрия, железа, алюминия и т. п. в результате резко усложняется борьба с накипью и приходится кремний из воды удалять.

Методы обескремнивания:

1. известкование с подогревом воды- при этом образуются плохо растворимые соли СаSiO₃.

2. Сорбция-

• реагентная на хлопьях гидроокиси магния, железа и алюминия,

• фильтрование через сорбенты - магнезиальный, активированную окись алюминия,

бокситы.

3. Ионный обмен с помощью сильноосновного анионита, при этом требуется предварительное удаление катионов, анионов сильных кислот и угольной кислоты.

Выбор метода обескремнивания производится, исходя из требований потребителей и состава исходной воды, а также с учетом экономических показателей. Эффективность методов иллюстрируется таблицей.

Метод обескремнивания	Остаточная концентрация SiO3-2, мг/л	примечания
ионный обмен	0,01-0,05	Самый дорогой метод
Сорбция магнезиальный сорбент Mg(ОН)2 Fe(ОН)3 или Al(ОН)3	0,1-0,2 0,8-1,2 0,2-0,3 1,5-2,0	при 400С при 1200С
известкование	0,5	при 980С

Технология обескремнивания воды известкованием - воду подогревают до 80-90⁰С, насыщают известью в сатураторах (с избытком). В результате в осадок выпадает гидроксид магния (сорбирующий SiO₃^-2), силикат и карбонат кальция. Вода при этом одновременно умягчается.

Для реагентной сорбции используют хлорное железо, железный купорос, алюминат натрия, сульфат алюминия, карбонат магния или обожженный доломит (МgСО₃ х СаСО₃). При применении солей алюминия и железа воду подщелачивают известью, доводя рН до значений, больших 8,5. Технологическая схема этого способа приведена ниже. Для обеспечения эффективности процесса высота слоя взвешенного осадка должна быть в пределах 4-5 м, а время контакта-1,0-1,5 ч. в обеих схемах на очистку подается горячая вода.

Последняя схема намного проще, однако, она имеет недостатки:

1. высокий расход реагентов,

2. повышается солесодержание воды,

3. громоздкие осветлители,

4. большие энергозатраты на подогрев воды.

при фильтровально - сорбционном методе используют минеральные сорбенты: активированную окись алюминия, бокситы, магнезиальный сорбент (смесь каустического магнезита с соляной кислотой или хлористым магнием, высушенным при 80-100⁰С и измельченным до 0,5-1,5 мм). При фильтровании образуется малорастворимый силикат магния MgSiO₃. Эффективность процесса зависит от высоты слоя (рекомендуется 3-4 м), температуры воды (40-50⁰С) и скорости фильтрования (около 10 м/ч). примерно через 6 месяцев ресурс сорбента исчерпывается, и его заменяют свежим.

При использовании активированной окиси алюминия или бокситов высота слоя сорбента меньшая –1,5м, но меньше и скорость фильтрования- 5-6 м/ч. однако в этом случае сорбент можно регенерировать щелочью концентрацией 0,1 %. Кремнеемкость загрузки довольно высокая- 10-12 кг на 1 м³ загрузки.

При анионитовом обескремнивании воды используют сильноосновные аниониты. Но предварительно вода проходит Н- катионитовые фильтры, где удаляется кальций, магний, калий и натрий, затем фильтры со слабоосновным анионитом (удаляются хлориды, сульфаты, нитраты). Затем вода дегазируется и направляется на фильтры второй ступени с сильноосновным анионитом.

К преимуществам метода относится высокое качество воды - остаточный кремний- 0,01-0,05 мг/л. недостатки метода:

• большие расходы щелочи для регенерации,

• необходимость смены загрузки фильтров второй ступени через 1,5-2,0 года,

• высокая стоимость анионита.

Фторидный метод обескремнивания. Сущность способа - перевод кремния в соединения, которые можно сорбировать значительно более дешевыми слабоосновными анионитами.

Для этого в воду вводят плавиковую кислоту или фтористый натрий. В результате получают сильную кремнефтористую кислоту:

6HF+H₂SiO₃=H₂SiF₆ + 3 H₂O.

Технологическая схема здесь упрощается, а анионит используют слабоосновный.

Электрохимическое обескремнивание основано на способности хлопьев гидроокиси алюминия Аl(OH)₃, образующихся при электролизе, сорбировать соединения кремния. Обескремнивание здесь неглубокое (60-80%), поэтому электролиз используют в качестве предварительной ступени перед сорбционным или ионообменным методами для снижения нагрузки на эти сооружения.