2.2 Сілтілі алюминатты ерітінділердің электродиализі

Электродиализді қолдана отырып осы ерiтiндiлердi электрхимиялық өңдеу бойынша әдеби деректер көп емес.

Жұмыста ионалмастырғыш МК-40 және МА-40 мембраналарын пайдалана отырып, бiр уақытта қышқыл мен сiлтiні алу үшін натрий сульфаты ерiтiндiсiн тұзсыздандыруға болатыны көрсетілген. Алынатын қышқыл мен сiлтi ерiтiндiлерінiң концентрацияларының төмендеуi тоқ тығыздығының төмендеуі кезінде электромиграция есебiнен түсетін заттардың жалпы мөлшерімен салыстырғанда диффузияның әсерінен заттардың тасымалдану үлестерінің ұлғаюы есебінен болады. Электролиз барысында алынатын ерiтiндiлердiң концентрациялары мен тоқ тығыздығы арасындағы тәуелдiлiкті көрсететiн теңдеулер өрнектеліп және олар тәжірибелік мәліметтермен дәлелденген.

Натрий сульфаттың ерiтiндiлерiн сүзгі-престі электродиализаторда тазарту жұмыста жазылған.

Катодтың материалы ретінде тот баспайтын болат, анод ретінде – платина қолданылған. Сульфат-ионының концентрциясы – 0,122 г –ион/дм³; рН-ы 6-дан 7-ге дейін, тоқ тығыздығы 1,5 А/дм³. Ең жақсы тазарту көрсеткіштері тазартылған және концентрленген ерітінділердің ағу жылдамдықтарының қатынасы 2:1 болған кезде алынды. Максималды тазарту дәрежесі 37–53 %-ды құрады.

Көлденең типті қатты катоды (ваннаның корпусына жабыстырылған темiр тор) және екi ағынды диафрагмасы бар ваннада натрий сульфатын электролиздеу бойынша жартылайзауыттық тәжiрибелер өткiзiлген. Анод ретінде тесiлген қорғасынды қаңылтыр алынды. Құрамында 280 г/дм³ Na₂SO₄ бар ерітіндіні орташа кернеуліктің шамасы 4,5 В– 5 В және анодтық тоқ тығыздығы – 800А/м² кезінде электролиздеудің нәтижесінде концентрациясы ~ 98 г/дм³ -100 г/дм³ NaOH және 180 г/дм³ –200 г/дм³ H₂SO₄ бар қышқыл алынды. Орташа тоқ тығыздығы 90 %, 92 %-дық каустиктің 1 тоннасына кеткен электр энергиясының шығыны 4 мың кВт– 4,1 мың кВт∙сағ құрады. Катодта натрий сульфатының кристалдануы католиттің жоғары мөлшерде сілтіленуі кезінде байқалды.

2.3 Күкірт қышқылы мен улы натрий

Күкірт қышқылы мен улы натрий ерітінділерін 3 камералы электродиализатордың ортаңғы камерасына натрий сульфаты ерітіндісін құю арқылы алу тәсілі белгілі. Өнімдердің тазалығы мен концентрацияларын арттыру мақсатында процесті тоқ тығыздығының шамасы 400 А/м²–700 А/м², температурасы 20 ^оС– 60 ^оС және бастапқы ерітіндінің концентрациясы 400 г/дм³–350 г/дм³ (Na₂SO₄ бойынша) болғанда жүргізеді. Тәжірибенің бастапқы және соңғы кезеңдеріндегі күкірт қышқылының мөлшері 0,1 г/дм³ –250 г/дм³, улы натрдың мөлшері – 0,1 г/дм³– 180 г/дм³.

Бірақ, ортаңғы камерадан анодтық бөлімге шығарылатын SO₄ анионы түріндегі қышқылдың концентрлену шегі шектеулі, оның себебі күкіртқышқылды ерітіндімен жанасатын анионитті мембрананың селективті ионөткізгіштігінің бұзылуы мен анолиттен реакциондық кеңістікке иондардың шексіз тасымалдануы нәтижесінде электролиз процесінің тиімділігінің төмендеуі болуы мүмкін.

Жұмыста кальций тотығымен бірге күйдірілген конверторлық шлакты содамен сілтілеу барысында алынатын ванадийқұрамды ерітінділерді электродиализдеу кезінде натрий иондарын бөліп алу процесі зерттелген. Зерттеулерді бөлгіш МКК-1р (капронды армировкасы бар КУ-2 смоласы негізіндегі) катионалмастырғыш мембранасы бар екікамералы жүйеде жүргізген. Мұнда натрий иондары католитке өтеді, ал анодта оттегі бөлінеді. Алдымен натрийдің бос иондарының бөлінуі бойынша тоқ шығыны 80 – 82 % жетті, бұл кездегі анолиттегі Na₂O концентрациясы 2,3–3-ке , ал тазаланатын және концентрленетін ерітінділердің қатынасы 2:1 тең болды. Максималды тазалау дәрежесі – 37 %–53 %.

Натрий сульфатының электролизі бойнша жартылайзауыттық тәжірибелеркөлденең типті қатты катоды (ваннаның корпусына жабыстырылған темiр тор) және екi ағынды диафрагмасы бар ваннада жүргізілген. Анод ретінде тесiлген қорғасынды қаңылтыр алынды. Құрамында 280 г/дм³ Na₂SO₄ бар ерітіндіні орташа кернеуліктің шамасы 4,5 В– 5 В және анодтық тоқ тығыздығы –800 А/м² кезінде электролиздеудің нәтижесінде концентрациясы ~ 98 г/дм^{3 –} 100 г/дм³ NaOH және 180 г/дм³– 200 г/дм³ H₂SO₄ бар қышқыл алынды. Орташа тоқ тығыздығы 90 %, 92 %-дық каустиктің 1 тоннасына кеткен электр энергиясының шығыны 4 мың кВт– 4,1 мың кВт∙сағ құрады. Католиттің жоғары мөлшерде сілтіленуі кезінде катодта натрий сульфатының кристалдануы байқалады.

Белгілі тәсіл бойынша үшкамералы электродиализатордың ортаңғы камерасына натрий сульфаты ерітіндісін беру арқылы күкірт қышқылы мен улы натр ерітінділерін алады. Өнімдердің тазалығын мен концентрацияларын арттыру мақсатында процесті 400 А/м² -700 А/м² тоқ тығыздығында, 20 ^оС– 60 ^оС температурада және бастапқы ерітіндінің концентрациясы 400-350 г/дм³ (Na₂SO₄ бойынша) болғанда жүргізеді. Бастапқы және соңғы кезеңдердегі күкірт қышқылының мөлшері 0,1 г/дм³–250 г/дм³, улы натрдың мөлшері – 0,1 г/дм³–180 г/дм³.

Мұнда ортаңғы камерадан анодтық бөлімге шығарылатын SO₄ анионы тәрізді қышқылдың концентрлену шегі шектеулі болады, оның себебі күкіртқышқылды ерітіндімен жанасатын анионитті мембрананың селективті ионөткізгіштігінің бұзылуы мен анолиттен реакциондық кеңістікке иондардың шексіз тасымалдануы нәтижесінде электролиз процесінің тиімділігі төмендеуі мүмкін.

Кальций тотығымен бірге күйдірілген конверторлық шлакты содамен сілтілеу барысында алынатын ванадийқұрамды ерітінділерді электродиализдеу кезінде натрий иондарын бөліп алу процесі жұмыста зерттелген. Екікамералы бөлгіш МКК-1р (капронды армировкасы бар КУ-2 смоласы негізіндегі) катионалмастырғыш мембранасы бар жүйеде зерттеулерді жүргізді. Процесс барысында натрий иондары католитке өтеді, ал оттегі анодта бөлінді. Натрийдің бос иондарының бөлінуі бойынша алғашқы тоқ шығыны 80 – 82 %, және Na₂O бойынша электр энергиясының шығыны 2,3 кВт.сағ/кг– 3 кВт.сағ/кг тең. Жұмыста анод материалының сілтілік ортада қаншалықты төзімді екені туралы мәліметтер көрсетілмеген.

Темірванадийлі концентраттарды натрий тұздарымен күйдіріп, сілтілеп және сілтіні регенерациялап және оны қайтадан процеске тазаланған ерітінділерден ванадийді бөліп алу үшін жіберу арқылы ерітінділердің электродиализін жүргізу тәсілі зерттелген.

Электродиализ тәсілімен ионитті сүзгінің хромқұрамды регенратынан сілті алу тәсілі жұмыста жазылған. Анионитті сүзгінің хромқұрамды регенератын электродиализ арқылы өңдеп, сілті алу схемасында осы ерітінділердің мембранамен байланысы көрсетілген. Үш камералы электродиализатордың құрамында екі катионитті мембрана бар, олар арқылы электр тогының тасымалдануы екі механизммен жүреді және олар аппараттың екі бөлек жағында жүзеге асады. Тоқ сипатының уақытқа байланысты өзгеруі регенераттың суйытылу дәрежесіне тәуелді екені көрсетілген. Процестің экономикалық тиімді электрлік режимі анықталды. Жұмыста иналмастырғыш суды тұзсыздандырғыш қондырғылардың қышқылды регенерациялық ағындарын электродиализдеу процесінің кинетикасы тәжірибе барысында зерттеліп, осы ерітінділерден тұз және күкірт қышқылын алудың тиімді және экономикалық үнемді екеніне баға берілген, электродиализді жүргізудің рационалды режимі таңдалған. Бірақ, онда қышқылдық орталарда ұзақ уақыт пайдалану жағдайында қолдануға жарамды мембраналардың типтері және олардың тұрақтылығы туралы мәліметтер келтірілмеген.

Электродиализ процесін алюминатты ерітінділерге қолдану бірнеше зерттеушілерді қызықтыратын себебі, сілтінің мөлшерін (каустикалық модулін) тез төмендету және ерітіндіні ыдыратуға дайындау бойынша қызығушылықтар туындайды.

Қарастырылған жұмыс тоқ тығыздығының шамасы 300 А/дм² –700 А/дм² кезінде алюминатты ерітінділерді ыдырату үшін электродиализді қолдану мүмкіндігін зерттеу мақсатында жүргізілген. Тәжірибені синтетикалық ерітінділермен екікамералы электролизерде жүргізген, оның бөлгіш катионалмастырғыш мембранасы бар МК–40. Католит ретінде сілтінің әлсіз еретінідісін –4 г/дм³–5 г/дм³ Na₂O қолданды. Анолиттегі сілтінің концентрациясы төмендеуі нәтижесінде алюминатты ерітіндінің ыдырауы жүреді. Тәжірибе көрсеткіштеріне сәйкес, 1-ші сатыдағы алюминатты ерітіндінің ыдырау дәрежесі камера арқылы өткен тоқтың шамасына тәуелді. Электр тогының шамасы белгілі бір мөлшерге жеткенде ыдырау процесі қарқынды жүріп, осы параметрге тәуелді болмай қалады. Белгілі бір тоқ шамасына жеткенде ерітіндіден Al(OH)₃ жылдам бөлінуі алюминатты ерітіндінің қанығу дәрежесінің шегіне жеткендігімен түсіндіріледі. Электродиализ кезінде бұл әдеттегі қарапайым ыдыратуға қарағанда біршама жоғары болуы мүмкін. Алюминат – иондарының катодтық камерадан өтуі аз болды.

Жұмыс электродиализ тәсілін өңделген сілтілі-алюминатты ерітінділерді – алюминийден жасалған бұйымдардың сыртын тазартуға қолданылған NaOH ерітіндісін құрамындағы қоспалардан тазартуға тиімді қолдануға арналған.

Зерттеулер зертханалық үшкамералы катионитті (МК – 40) және анионитті (МА– 41) мембраналары бар электродиализаторларда жүргізілген. Катод–титаннан, анод–платинамен қапталған титаннан жасалған. Қалдық ерітінді ортаңғы камераға құйылады, католит ретінде 5 %-дық NaOH ерітіндісі, ал анолит ретінде – 3 %-дық натрий сульфаты ерітіндісі алынды, pH ~ 13-ке дейін негізделген. Мембранаға жақындатылған электр жазығының әсерінен натрий иондары катионды мембраналар арқылы разрядталады, ал сутегі катиондары катодта газтәріздес сутегін бөлу арқылы разрядталады. Гидроксил және алюминат – иондары ортаңғы камерадағы анионитті мембрана арқылы анодтық бөлікке өтеді. Гидроксил иондары анодта разрядталып, О₂ түзеді, ал алюминат – иондары гидролизге түсіп, тұнба түзетін алюминий гидроксиді мен ОН^- иондарын түзеді. Соңғысы да анодта разрядталып, анолиттің рН-ы тұрақты күйінде сақталады. Тәжірибелерде тоқ тығыздығының шамасы 1 А/дм² және 2 А/дм², t =25 ^оС, ваннадағы кернеу 3,5 В және 4 В болды. Өңделген ерітіндідегі алюминийдің концентрациясы 17,1–20,5, ал каустикалық соданың концентрациясы 4 – 5 г/дм³ құрады. Католиттегі сілтінің концентрациясы оның ортаңғы камерадағы бастапқы концентрациясына байланысты болады, және тәжірибенің соңына қарай 90 г/дм³-нан 148 г/дм³-ке дейін жетеді. Электр энергиясының шығыны 0,87 кВт.сағ/кг –0,98 кВт.сағ/кг NaOH болған. Бұл католиттің негіздігі осыншама көп болған кезде күмән тудырады.

б_к –ның 1,2–1,25-ке дейін төмендеуі катионитті мембранасы бар (КУ – 2 смоласының негізіндегі) екі камералы ұяшықта электролиз жүргізу арқылы жүргізіледі, ары қарай ерітіндіні бұрау сатысы бойынша мәліметтер жұмыста келтіріледі.

Ыдырау 15-20 сағат ішінде 70–90 % -ға жеткен, және бұл Байер тізбегімен салыстырғанда өте терең болып саналады; ваннадағы бастапқы кернеу U_баст = 4 – 4,5 В, Al(ОН)₃ тұнбаға түскен сәттен бастап кернеу 5,6 В –9,66 В интервалында өсе бастайды; t=30 ^оС, тоқ тығыздығы 280, 415, 560 А/дм², электр энергиясының шығыны – 1800 кВт.сағ. Катодтық кеңістікте авторлар 180 г/дм³ –320 г/дм³ болатын сілті алған, бірақ сілті концентрациясының ұлғюына байланысты регенрациялау процесінің тиімділігі өзгергені туралы мәліметтер келтірілмеген. Себебі мембраналар селективтілігінің шектеулі болуынан ұзақ уақыт пайдаланғанда жанасатын ерітіндінің сілтілігінің жоғары болуына рұқсат етілмейтіні анық.