2.1 Методы организации

Организация процесса электродиализа: он может быть однонаправленным (классическим) или обратимым. При однонаправленной схеме полярность приложенного постоянного напряжения и назначение камер (опресняющих и концентрирующих) остаются неизменными. Недостаток такой схемы – загрязнение поверхности мембран минеральными и неминеральными веществами, содержащимися в воде (соли жесткости, органические и неорганические коллоиды, микробиологические организмы и т.д.). При обратимом процессе происходит периодическое изменение полярности приложенного напряжения. Отсек, который вначале был опресняющим, при изменении направления тока становится концентрирующим, и наоборот. Так осуществляется очистка мембран от загрязнений. Особенность обратимого электродиализа – использование симметричных мембран, то есть они работают одинаково в обоих направлениях, и системы ОЭД имеют симметричную конфигурацию. Недостаток метода – необходимость предварительной очистки вод от взвешенных и коллоидных частиц, которые могут засорять ионитные мембраны.

Глава 3. Теория массопереноса

Наличие в ионообменных мембранах распределенных по объему фиксированных ионогенных групп приводит к зависимости от координат потенциальной энергии подвижных ионов. Минимальной энергией противоион обладает, находясь непосредственно у ионогенной группы; коион, напротив, в этом положении имеет максимальную потенциальную энергию. Поэтому перенос ионов по объему ионита сопряжен с преодолением ряда потенциальных барьеров. Под влиянием тепловых флуктуации отдельные противоионы могут приобрести достаточную энергию для отрыва от фиксированной группы и выхода из потенциальной ямы. При этом образуются свободная фиксированная группа (ионная вакансия) и "внедренный" ион. Таким образом, движение ионов в ионообменном материале по своему механизму напоминает движение ионов в кристалле. В то же время набухшие ионообменные мембраны содержат большое количество воды, что обеспечивает, по сравнению с кристаллами, аномально высокую степень диссоциации противоионов. Во многих мембранах отмечается также аномально высокая подвижность ионов водорода (в катионообменных) и гидроксила (в анионообменных).

Основываясь на представлениях о структуре ионита, сделано утверждение, что наиболее вероятными в ионообменных материалах являются три механизма переноса ионов: вакансионный, эстафетный и сольватационный . В любом случае перенос ионов в мембране представляется, как совокупность скачков через некоторые потенциальные барьеры, что позволяет отождествлять элементарный акт переноса заряда[10]

массы в мембране с протеканием элементарного акта химической реакции и воспользоваться для описания переноса частиц теорией абсолютных скоростей реакции.

Мы рассмотрим теорию массопереноса в электродиализной ячейке, исходя из стационарных условий процесса и однородного характера ионообменной мембраны. На рис. 1 представлена электродиализная ячейка.

Средняя расчетная плотность тока по длине пути определяется выражением

iср=	L
	∫i(l)dl/L,

(2.86)

где l - общая длина пути потока.

Связь площади мембраны F_M, требуемой для достижения нужной степени деминерализации _ΔС, пропускной способности установки Q_уст и средней плотности тока i_ср определяется, согласно закона Фарадея, как

FM=	FQуст·ΔC
	η·iср

(2.87)

где F - число Фарадея; η - выход по току, т.е. эффективность использования тока с целью "переброски" иона через мембрану.

Рис. 1 Расчетная схема процесса деминерализации в электродиализной ячейке

L_I - расстояние от входа в ячейку до i-ой точки; _Δ1 - приращение длины: d_q - толщина дилюатной камеры; d_p - толщина рассольной камеры; т - ширина потока

Выход по току можно определить по отношению количества вещества j, перешедшему с одной стороны мембраны на другую, к количеству прошедшего электричества, пропорциональному i,

η=	j·F
	i

(2.88)

Количественно поток ионов определяется из потоков в растворе и мембране. Например, для катионообменной мембраны он может быть рассчитан как

j=Δj+ =Z+·j+-	i·t+
	F

(2.89)

где _Δj₊ - убыль катионов на отдающей стороне мембраны.

Общую площадь мембран F_M и пропускную способность установки представим в следующем виде:

F_M=m·L·n_M, Q_уст= V·m·d_a·n_яч,

(2.90)

где п_м - число мембран, V - скорость протекания дилюата, т - ширина потока, d_a - расстояние между мембранами, п_яч - число ячеек. Подставив в выражение (2.87) уравнения (2.90), получим:

L=	FVdqΔC
	η·iср

(2.91)

Плотность тока распределяется по длине ячейки в зависимости от содержания дилюата и рассола в соответствии с законом Ома. Значение средней плотности тока, учитывающее конструктивные параметры ячеек и прикладываемое напряжение

iср=	uяч-2 RT lnXN F
	1 ( dq+ dq +(δa/χa+δк/χк)χNaCl XN ) Cпр λ[1+0,02(T-290)]

(2.92)

где u_яч- падение напряжения; X_N - безразмерная величина, определяемая отношением концентраций рассола и дилюата в конце пути потока в аппарате, равна

XN=	Kc + β(1-Y)
	Y

(2.92’)

      β - коэффициент массопереноса; Y- степень опреснения воды; N- число ступеней опреснения;

С_пр - концентрация раствора, соответствующая точке поляризации; φ, χ - толщина и удельная электропроводность соответствующих мембран; λ - эквивалентная электропроводность раствора; T - температура.

Ранее указывалось, что при определенных условиях протекания электрохимического процесса, в т.ч. электродиализного, может возникнуть концентрационная поляризация появление которой связано с величиной плотности тока.

Возникновение концентрационной поляризации, т.е. критических условий, на границе раздела мембраны с раствором вследствие разности чисел переноса ионов в растворе и мембране определяют как

iкр	=	ZFD
Спр		(t-t)δкр

(2.93)

где D - коэффициент диффузии (иона, электролита); t -t- разность чисел переноса Z - валентного иона в мембране и растворе соответственно; δ, φ - критическая толщина диффузного слоя.

Для упрощения дальнейших расчетов примем, что коэффициент диффузии D в пределах диффузионного слоя постоянный и равен коэффициенту молекулярной диффузии.

δкр = KL(D/v)1/3(Idq)0,25[v(l-	h	)]0,5·Vср-0,5,
	dq