Теоретические основы защиты гидросферы методами макрофильтрации (диализ, электродиализ) и ультрафильтрации

месей;  возможность  проведения процесса при комнатных  температурах без

применения или  с небольшими добавками химических реагентов;  простая

конструкция аппаратуры. Недостатки метода: явление концентрационной поляризации,  т.е.  рост концентрации растворенного вещества у поверхности

мембраны, что  приводит к снижению производительности установки, степе-

ни разделения компонентов и срока службы мембран;  проведение процесса

при повышенных давлениях, что требует специальных уплотнений аппарату-

ры.

Природа растворенного  вещества оказывает влияние на селективность.

При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задержива-

ются на мембране лучше, чем органические. С повышением давления удель-

ная производительность мембраны увеличивается. Однако при высоких дав-

лениях происходит уплотнение материала мембран,  что  вызывает снижение

проницаемости,  поэтому для каждого вида мембран  устанавливают макси-

мальное рабочее  давление. С ростом температуры увеличивается  проницае-

мость мембран,  но при этом повышается осмотическое давление,  которое

уменьшает проницаемость;  также начинается усадка и стягивание пор мем-

браны,  что  также снижает проницаемость;  возрастает скорость гидролиза,

сокращая срок службы мембран.  Например,  ацетатцеллюлозные мембраны

при 50°С разрушаются,  поэтому необходимо работать при  температуре

20…30°С.

Конструкция аппаратов  для проведения процессов ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность  мембран в единице объема, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа: 

1) типа фильтр-пресс  с плоскопараллельными фильтрующими  устрой-

ствами; 

2) с трубчатыми  фильтрующими элементами; 

3) с рулонными  или спиральными элементами; 

4) с мембранами  в виде полых волокон. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электродиализ

Электрохимические методы очистки сточных вод

Для очистки  сточных вод от различных растворимых  и диспергирован-

ных примесей применяются  процессы анодного окисления и катодного вос-

становления,  электрокоагуляции,  электрофлокуляции  и электродиализа. Все

эти процессы протекают  на электродах при прохождении через  сточную воду

постоянного электрического тока  (рис.1). Электрохимические методы по-

зволяют извлекать  из сточных вод ценные продукты при относительно про-

стой технологической  схеме очистки, без использования  химических реаген-

тов. Основным недостатком  этих методов является большой расход электро-

энергии. Очистку  сточных вод электрохимическими методами можно прово-

дить периодически или непрерывно.

Рис.1.Схема  электролизера. 
 

При прохождении  сточной воды через межэлектродное пространство

электролизера происходит электролиз воды, поляризация  частиц, электрофо-

рез,  окислительно-восстановительные  процессы,  взаимодействие продуктов

электролиза друг с другом.

Эффективность электрохимических методов оценивается  плотностью

тока,  напряжением,  коэффициентом полезного использования  напряжения,

выходом по току, выходом по энергии.

Плотность тока –  это отношение тока к поверхности электрода ( , ).

Напряжение электролизера (рис.1) складывается из разности электродных

потенциалов и  падения напряжения в растворе:

где  и - равновесные потенциалы анода и катода; 

и - величина анодной и катодной поляризации;

и - падение напряжения в электролите и диафрагме.

Падение напряжения в электролите  (сточной воде)  при отсутствии пу-

зырьков газа определяют по закону Ома:

где i -  плотность  тока в сточной воде, ;

ρ -  удельное сопротивление, Ом⋅см;

δ - расстояние между  электродами, см.

При выделении  газовых пузырьков, вследствие удлинения  потока между

электродами,  ΔU эл возрастает.

Отношение называют коэффициентом полезного ис-

пользования напряжения.

Выход по току – это отношение теоретически необходимого количества

электричества к практически затраченному,  выраженное в долях единицы или  в % (процентах).

Электродиализ – это процесс переноса ионов  через мембрану под действием  электрического поля, приложенного к мембране. Скорость переноса ионов может изменяться подбором соответствующей силы тока. Такой перенос может осуществляться против градиента концентрации.

 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.

При использовании  электрохимически активных  (ионообменных)  диа-

фрагм эффективность  процесса повышается и снижается  расход электроэнер-

гии.  Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов,  имеющих за-

ряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания  воды применяют гомогенные и гетерогенные мем-

браны.  Гомогенные мембраны представляют собой порошок  ионита,  сме-

шанный со связующим  веществом. Мембраны должны обладать малым  элек-

трическим сопротивлением.

Расстояние между  мембранами оказывает большое влияние  на эффек-

тивность работы электродиализатора. Оно составляет 1…2 мм.

Расход энергии  при очистке воды, содержащей 250 мг/л примесей до ос-

таточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт⋅ч/ .

С увеличением  солесодержания в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком  электродиализа является концентрационная по-

ляризация,  приводящая к осаждению солей на поверхности  мембран и сни-

жению показателей  очистки.

Главное преимущество процесса электродиализа с ионитовыми мембранами заключается в том, что  все ионы, удаленные из камер обессоливания, или диализата, не должны обязательно выделяться на электродах, а могут собираться в камеры концентрирования, которые граничат со следующими камерами обессоливания. Эта идея лежит в основе многокамерного электродиализатора, предложенного Мейером и Штраусом в 1940 г. Число камер, которые можно поместить между электродами в многокамерной ячейке, ограничено только инженерными соображениями, такими, например, как максимально достижимое падение напряжения через ячейку, размеры аппаратов, прочность системы и гидродинамические факторы, связанные с равномерным распределением жидкости по всем камерам и по поверхностям мембран.

В аппарате применяются два вида мембран: мембраны, селективно проницаемые для катионов – катионитовые (катионообменные) мембраны, и мембраны, селективно проницаемые для анионов – анионитовые (анионообменные) мембраны. Они заключены между двумя электродами. При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны катода. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. С другой стороны, катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы – катионообменной мембраной с противоположной стороны.

Таким образом, исходный раствор очищается  от растворенного в нем электролита  посредством двух потоков концентрата, омывающих мембранную ячейку с исходным раствором, причем перешедшие через  мембраны ионы остаются в концентрате.

Реверсивный электродиализ (ЭДР) – тот же самый  процесс, с изменением полярности постоянного  тока через определенные периоды  времени. В этом случае потоки обессоленной воды и концентрата меняются местами. Это обеспечивает самоочищение мембран от засоряющих их частиц, повышает удаление солей из исходной воды до 90-95% . 

Рис.2.Процесс  электродиализа. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Диализ

При получении коллоидных растворов с помощью различных методов, особенно с помощью химических реакций, является невозможным использовать эквимолярные соотношения реагентов. По этой причине в образовавшихся золях может присутствовать избыточное количество электролитов, что в значительной степени снижает устойчивость коллоидных растворов. Приготовленный каким-либо способом коллоидный раствор может содержать, помимо электролитов, и другие вещества, например стабилизаторы, ВМВ и др. 
Все эти примеси могут содержаться в коллоидном растворе также в следствие загрязненности исходных продуктов или по другим причинам: 
1. Вследствие взаимодействия металлов с водой и гидролиза образующихся солей при использовании диспергационного метода получения золей - электрораспыления. 
2. Внесение электролита при использовании пептизации осадков электролитами. 
3. Частичное растворение (диссоциация) осадка при использовании пептизации промыванием. 
4. Внесение электролитов при использовании химической пептизации. 
5. Внесение ПАВ при пептизации ими. 
6. Образование побочных продуктов при получении коллоидных систем с помощью химических реакций. 
Как можно заметить, все виды нежелательных примесей представлены в основном низкомолекулярными веществами, а поэтому очистка коллоидных систем преследует своей целью освобождение коллоидных систем от низкомолекулярных примесей.

 

     Диализ – старейший метод очистки коллоидных растворов от ионных и молекулярных примесей с применением мембран. Он основан на различной скорости диффузии веществ с различной молекулярной массой. Через мембрану проходят низкомолекулярные растворенные вещества и ионы, в то время как коллоидные частицы и растворенные вещества с массой более 1000 задерживаются. Чтобы очистить золь от молекулярных и ионных примесей, его помещают в сосуд с полупроницаемыми стенками (или дном) М и опускают в большой сосуд с чистым растворителем. Молекулы и ионы диффундируют в наружный сосуд Б диализатора, коллоидные частицы остаются во внутреннем А. Сменяя воду в наружном сосуде, можно очистить коллоидную систему от примесей. Основным недостатком этого метода является его малая скорость и разбавление исходной системы осмотическим потоком растворителя. Поэтому все усовершенствования диализа шли по линии его ускорения. В настоящее время применяются также электродиализаторы, в которых диффузия ионов заменяется их движением в электрическом поле, происходящим с гораздо большей скоростью.