Мембранные методы

В мировой практике широкое распространение получили мембранные методы обработки исходных и сточных вод с целью снизить негативное воздействие ВПУ на окружающую среду. К ним относятся обратный осмос, ультрафильтрация и электродиализ. В основе всех мембранных технологий лежит перенос примесей или растворителя (воды) через мембраны. Природа сил, вызывающих такой перенос, и строение мембран в названных процессах различны. При использовании сил давления при обратном осмосе и ультрафильтрации мембраны должны пропускать молекулы воды, задерживая в максимальной степени ионы и молекулы примесей. При использовании электрических сил и электродиализе мембраны должны быть проницаемы для ионов и не должны пропускать молекулы воды.

Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселективными. Они делятся на катионообменные и анионообменные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые – ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол – органических полимеров искусственного происхождения.

По структуре ионоселективные мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными. Первые состоят только из ионообменных смол, тогда как вторые включают в себя инертный наполнитель, повышающий их механическую прочность. Также отдельно выделяют интерполимерные мембраны, которые отличаются от гетерогенных тем, что полимеры связующего и ионита в них не имеют химических связей, а соединяются путем переплетения макромолекул. Также ионоселективные мембраны могут быть классифицированы по структуре матрицы полимера.

Для примера будет рассмотрена установка электродиализа, состоящая из семи секций (см. рис. 3). Исходный соляной раствор подается в каждую из секций, разделенных ионоселективными мембранами. В крайних секциях аппарата установлены электроды, необходимые для создания электрического поля в среде электролита. Замыкание цепи происходит при помощи проводника второго рода (перенос электронов обеспечивается ионной проводимостью) – раствора электролита. При наложении электрического поля, ионы электролита и продукты диссоциации воды H⁺ и OH^- (в случае водного раствора) приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся к катоду, а анионы, соответственно, - к аноду. Перемещению ионов препятствуют мембраны, что влечет за собой появление камер концентрирования (нечетные) и обессоливания (четные) раствора. Исключение составляют крайние камеры, в которых расположены электроды, и в которых происходит процесс электролиза с образованием щелочи и кислоты. Обессоленные и концентрированные растворы из четных и нечетных секций объединяются в соответствующие потоки и раздельно отводятся из аппарата. Реально существующие аппараты состоят из значительно большего числа камер, поэтому потоки обессоленной воды и концентрата значительно превышают кислый и щелочной потоки.

Рисунок 3. Принцип работы электромембранного аппарата

По сравнению с методами ионного обмена мембранные методы используются без добавок химических реагентов, а если последние и вводятся, то в минимальных количествах.