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

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.

Диализ широко используется для очистки растворов белков и других ВМС от растворенных солей, для отделения щелочи от гемицеллюлоз после процесса обработки целлюлозы щелочью (мерсеризации) и т. п., электродиализ – для обессоливания воды, молочной сыворотки, обескисливания цитрусовых соков.

Диализ является простейшим методом очистки коллоидных систем. Очистка коллоидных методом диализа заключается в том, что с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны) коллоидные мицеллы могут быть отделены от примесей растворенных в дисперсионной среде низкомолекулярных веществ. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а коллоидные частицы, неспособные диализировать (проникать через мембрану), остаются за ней в виде очищенного коллоидного раствора. Явление диализа для коллоидных систем возможно благодаря тому, что размер мицелл гораздо больше размера молекул низкомолекулярных веществ.
Простейшим прибором для диализа - диализатором - является мешочек из полупроницаемого материала (коллодия), в который помещается диализируемая жидкость. Мешочек опускается в сосуд с растворителем (водой). Периодически или постоянно меняя растворитель в диализаторе можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы). Отчасти также недостатком диализа является факт, что длительный диализ обусловливает не только удаление из раствора примесей, но и стабилизатора, что может повлечь за собой коагуляцию коллоидного раствора.
В настоящее время существует много усовершенствованных конструкций диализаторов, ускоряющих процесс диализа. Интенсификация процесса достигается увеличением поверхности, через которую идет диализ, непрерывной заменой растворителя и нагреванием, ускоряющем процесс.
Процесс диализа обусловлен процессами осмоса и диффузии, что объясняет методы интенсификации процесса диализа.

Задача

Сточные воды очищают от коллоидно-диспергированного катализатора ультрафильтрацией. Рассчитайте рабочее давление процесса, обеспечивающее отделение от сточных вод взвеси, содержащей 60% катализатора, если плотность катализатора , средний диаметр взвешенных частиц 60нм, а рабочее давление процесса превышает осмотическое давление отделяемого концентрата примерно в 100 раз. Плотность концентрата принять равной 2600, температура 20 .

Решение:

Температура:

Т=(20+273,15)=293,15К

Плотность концентрата = 2600

Плотность катализатора = 4200

Массовая доля катализатора 60%

Рассчитаем массовую концентрацию дисперсной фазы:

Диаметр взвешенной частицы:

Масса одной частицы для сферических частиц:

Или, удельную поверхность частиц:

Постоянная Больцмана:

Осмотическое давление в дисперсных системах рассчитывается по уравнению Вант-Гоффа:

Рабочее давление процесса:

Ответ: рабочее давление процесса равно 6,09367кПа.

Заключение

Баромембранные процессы используются во многих отраслях народного хозяйства и в лабораторной практике, для опреснения соленых и очистки сточных вод. Например: разделения азеотропных и термолабильных смесей, концентрирования растворов и т.п.; для очистки сточных вод от высокомолекулярных соединений, концентрирования тонких суспензий, выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, вирусов, очистки крови, концентрирования молока, фруктовых и овощных соков и др. используют ультрафильтрацию. Успехи внедрения ультрафильтрационной технологии в очистке поверхностных и обезжелезивании подземных вод, в доочистке   водопроводной воды еще не говорят о возможности дальнейшего             расширения области применения этого метода. Использование             ультрафильтрационных мембран ограничено видами возможных             загрязнений, содержащихся в воде.

С помощью диализа можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы). Отчасти также недостатком диализа является факт, что длительный диализ обусловливает не только удаление из раствора примесей, но и стабилизатора, что может повлечь за собой коагуляцию коллоидного раствора.

В настоящее время существует много усовершенствованных конструкций диализаторов, ускоряющих процесс диализа. Интенсификация процесса достигается увеличением поверхности, через которую идет диализ, непрерывной заменой растворителя и нагреванием, ускоряющем процесс.
Процесс диализа обусловлен процессами осмоса и диффузии, что объясняет методы интенсификации процесса диализа.

Список литературы

1.Ветошкин А. Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы). Учеб. пособие, ПГТА, 2004г.; 325с.

2.Дытнерский Ю. И., «Обратный осмос и ультрафильтрация», М., 1978;

3. Дытнерский Ю. И., «Мембранные процессы разделения жидких смесей», М., 1975

4. Технологические процессы с применением мембран, под ред. Р. Лейси и С. Леба, пер. с англ., М., 1976

5. Хванг С.-Т., Каммермейер К., «Мембранные процессы разделения», пер. с англ., М., 1981

6. http://ru.wikipedia.org/wiki.

21