2.2.6 Электрофорез

Электрофорез – это электрокинетическое явление перемещения частиц дисперсной фазы ( коллоидных или белковых растворов) в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поля.

В биологических системах и сбросных водах большинство коллоидов при обычных условиях имеют отрицательный заряд. Такие коллоиды можно удалить или сконцентрировать. Электрофоретическая ячейка состоит из ряда мембран и фильтров. Через мембраны свободно проходят небольшие ионы под действием электрического тока, а большие коллоиды задерживаются. С другой стороны, большинство коллоидов и вода свободно проходят через фильтры. Когда в мембранном наборе используют достаточно высокий внешний электрический потенциал, то отрицательно заряженные коллоиды концентрируются в секции с анодной стороны фильтра.

При наложении внешнего давления на исходный поток растворитель – вода выдавливается через фильтр а противоположную секцию. В тоже время, небольшие анионы, которые могут присутствовать в секции с исходным раствором, переносятся через мембрану в секцию, обращенную к анодной ее стороне, а катион переносится через фильтр в секцию, к которой обращена катодная сторона фильтра (см. Рис. 2.13).

Рис. 2.13. Схема процесса с вынужденным электрофоретическим потоком:  М – плотная мембрана; F – фильтр; 1 – анод;  2 – повторяющийся элемент; 3 – катод.

Если бы из исходного потока надо было непрерывно удалять содержащиеся в нем небольшие ионы, то вместо нейтральных мембран было бы эффективнее применение ионообменных.

Катионообменные мембраны обладают такой высокой емкостью и настолько плотны, что практически полностью задерживают анионы, но их проницаемость по воде очень мала. Однако нейтральная мембрана высокопроницаема для воды, но не обладает достаточно большим солезадержанием. В этом наборе (см. Рис. 2.14 ) внешний электрический потенциал заставляет соль оставаться в секции исходного раствора, а внешнее давление выдавливает воду через нейтральную мембрану в секцию, которая контактирует с ее анодной стороной.

Таким образом, этот мембранный процесс осуществляется под действием электричества и давления. Главные преимущества  – это относительно небольшие затраты энергии и применение небольшого внешнего давления. Кроме того, нет необходимости нейтральные мембраны делать такими же тонкими, как активный слой у обратноосмотических мембран [21].

Рис. 2.14. Схема процесса обессоливания при вынужденном электрофорезе: С – катионообменная мембрана; N – нейтральная мембрана; 1 – анод;  2 – повторяющийся элемент; 3 – катод.

 

Электрофильтрование

Электрофильтрование – это метод электрообработки при котором осаждение и удерживание частиц ведут на поляризованной внешним электрическим полем диэлектрической загрузки в коллекторе и внутри ее.

Данный метод применяется в технологии использующей ионнообменные смолы.

Удержание веществ мембраной зависит от их размеров и формы молекул. В качестве индикатора удерживающей способности используется молекулярная масса растворенного вещества, при которой мембрана удерживает до 90 % молекул.

Многие вещества обладают способностью к коагуляции в стесненных условиях, вследствие чего действительный размер молекул у поверхности мембраны может оказаться намного больше, чем в исходной жидкости. Для максимального удержания данного вида молекул рекомендуется применять мембраны, граница фильтрации которых намного ниже молекулярной массы вещества. В основе данного процесса лежат эффекты воздействия на движущиеся с потоком воды частицы примесей сил однородного и неоднородного электрических полей, обеспечивающие коагуляцию частиц и их отделение от воды.

В однородном электрическом поле движение частиц обусловлено силами электрофореза, а их взаимодействие — поляризационными силами. В неоднородном электрическом поле, напряженность которого является функцией пространственных координат, на частицу помимо электрофоретической силы действует диполофоретическая сила, вызванная тем, что к одному заряду диполя частицы прикладывается поле большей напряженности, чем к другому.

Электроэкстракция

Электродиализ

Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В последнее время его начали применять и для очистки промышленных сточных вод.

Методом электродиализа осуществляется разделение и концентрирование ионных при-

месей в воде. Сущность метода заключается в использовании направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их заряда под действием разности потенциалов, приложенной к электродам.

Метод электродиализа целесообразно применять для очистки локальных стоков. Это дает возможность использовать в рецикле не только очищенную воду, но и сконцентрированные вещества: кислоту, щелочь. Промывные воды при наличии механических примесей направляются на фильтр, заполненный активированным углем, а при отсутствии примесей - сразу в электродиализатор.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембра-

нами, образующими те же чередующиеся концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (диэлюатные) камеры. Через такую систему пропускается постоянный ток, под действием которого катионы, двигаясь к катоду ("-"), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода ("+"), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер, например, из ряда четных камер, ионы обоих знаков выводятся в смежный, нечетный, ряд камер (рис.19).

Рис.. Схема процесса электродиализа: К – катионитовые мембраны; А - анионитовые мембраны; (-) – катод; (+) – анод.

Таким образом, происходит очистка загрязненной ионами воды, которая из четных камер

собирается в один поток, а сконцентрированные соли из нечетных камер - в другой поток.

На рис. представлена принципиальная схема электродиализной очистки промывных и

сточных вод. Катоды в электродиализаторах изготавливаются из нержавеющей стали или титана, аноды - из платинированного титана или графита. Анионитовые и катионитовые мембраны марок МА-40 и МК-40 выпускаются серийно.

Очистка сточных вод в электродиализаторах ведется при следующих условиях: величина рН сточной воды - 4-9; начальная концентрация ионов тяжелых металлов до 100 мг/л,

конечная концентрация ионов тяжелых металлов до 0,1 мг/л солесодержание в сточной воде 100-5000 мг/л; плотность тока - 0,8-1,8 А/дм2; скорость потока - 0,5-0,7л/мин; температура - 18-30 0С.

Периодически электродиализный комплекс промывается серной кислотой. Эта операция

позволяет содержать электродиализатор в работоспособном состоянии и избегать избыточного электросопротивления от образования пленки солей на мембранах.[9.2]

Рис.. Принципиальная схема электродиализной очистки промывных и сточных вод: 1 – на-

копитель стоков; 2 – насос; 3 – механический фильтр; 4 – сорбционный фильтр; 5 – электро-

диализатор; 6 – выпрямитель.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом — каучуком, полистиролом, метилмер-каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1—2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц.[9.1]

Достоинства метода [9.1] 1) Возможность очистки до требований ПДК. 2) Возврат очищенной воды до 60% в оборотный цикл. 3) Возможность утилизации ценных компонентов. 4) Отсутствие фазовых переходов при отделении примесей  что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии. 5) Возможность проведения при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов. 6) Простота конструкций аппаратуры. Недостатки метода [9.1] 1) Необходимость предварительной очистки стоков от масел ПАВ органики растворителей солей жесткости взвешенных веществ. 2) Значительный расход электроэнергии. 3) Дефицитность и дороговизна мембран. 4) Сложность эксплуатации. 5) Отсутствие селективности. 6) Чувствительность к изменению параметров очищаемых вод

Список использованных источников информации:

1. http://refy.ru/113/342427-ochistka-stochnyh-vod-galvanicheskih-proizvodstv.html

2. Сосновская Н.Г., УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»