2.3.4.Электродиализ

Очистка сточных вод электродиализом основана на том, что в электрическом поле катионы растворенных солей движутся к катоду, а анионы – к аноду. Схематично процесс электродиализа представлен на рис. 16.

Согласно закону Фарадея, на перенос 1 моль вещества затрачивается 96491 Кл электричества (26,8 А·ч). Количество электричества, которое нужно затратить на очистку 1 м³ воды, содержащей начальную концентрацию солей С_нач и после очистки С_кон, будет равно, Кл,

.

Выразив количество электричества через силу тока I, А и время его протекания , ч, получим

Степень совершенства электролизатора характеризуется величиной выхода по току , которая составляет 0,7¸0,9 в многокамерном электролизаторе, 0,3¸0,5 – в трехкамерном .

Очищаемая в электродиализаторах вода в большинстве случаев требует предварительной обработки.

Из сточной воды необходимо удалить грубодисперсные и коллоидные примеси, которые могут осаждаться в камерах и вызывать повышенную поляризацию мембран.

При высокой щелочности или повышенном содержании магния в исходной воде на мембранах или электродах возможно появление отложений СаСО₃ или Mg(OH)₂. Это приводит к увеличению омического сопротивления аппаратов. Борьбу с такими отложениями ведут путем подкисления промывной воды, подаваемой в катодную камеру, или исходной воды. Кроме того, сокращения отложения солей можно достигнуть путем переполюсовки электродиализатора, меняя полярность электродов на 2¸4 ч с интервалом в 24¸48 ч.

При высоком содержании в исходной воде сульфатов и ионов кальция в рассольном тракте возможно появление отложений гипса, не растворяющихся в кислоте. Устранение таких отложений может достигаться путем снижения концентрации рассола или частичного умягчения воды.

Рис. 16. Схема процесса электродиализа: 1 – катод; 2 – анод; 3 – выход газообразного водорода; 4 – подача воды на промывку катодной камеры; 5 – подача солоноватой воды в рассольные камеры; 6 – подача солоноватой воды в опреснительные камеры; 7 – подача воды на промывку анодной камеры; 8 – выход газообразных кислорода и хлора; 9 – отвод анолита; 10 – отвод очищенной воды; 11 – отвод концентрированного рассола; 12 – отвод католита

Необратимое накопление в мембранах поливалентных ионов, имеющих малую подвижность, приводит к «отравлению» мембран, т.е. к снижению их селективности и электрической проводимости. Частично удаляют их с мембран кислотой с последующим переводом в натриевую форму.

Чтобы продлить срок службы мембран, необходимо предварительно устранить из исходной воды вредные ионы. Так, рекомендуется не допускать в исходной воде содержания железа более 0,3¸0,5 мг/л, марганца более 0,05 мг/л, взвешенных веществ более 1,5 мг/л.

Расчет установок электродиализа

Расчет сводится к определению напряжения и силы постоянного тока, подводимого к аппаратам, выбору площади мембран и их числа, определению состава вспомогательного оборудования.

1. Количество электричества, которое нужно затратить на снижение солесодержания воды с С_нач до С_кон, А·ч,

,

где Q – расчетный расход сточных вод, м³/ч; _э – выход по току, определяется экспериментально по данным, приведенным на рис. 17.

2. Необходимая рабочая площадь мембран в одной камере, м³,

,

где n – число камер в аппарате, принимается конструктивно; i – плотность тока, А/м², принимается по табл. 17.

3. Фактическая плотность тока в начале и в конце цикла, уточняется по закону Ома, А/см²:

,

где _э и _м – электродный и мембранный потенциалы, В; R – внутреннее сопротивление, Ом;

_Э

с/с, моль/л

Рис. 17. Зависимость коэффициента выхода по току _э от солесодержания очищаемой воды для мембран МК-40 и МА-40

Таблица 17. Оптимальная плотность тока для электролизных установок

Солесодержание исх. воды, г/л	Расчетная плотность тока, А/см2
	для циркуляционной установки	для 1 ступени прямоточной многоступенчатой установки
15	0,008	0,032
7,5	0,007	0,022
2,5	0,005	0,015

,

где d – расстояние между мембранами в камере, принимается равным 0,1–0,2 см; К_с – коэффициент увеличения электрического сопротивления камеры сепаратором-турбилизатором или лабиринтом, определяется экспериментально, ориентировочно можно принять по табл. 18; _D, _Р – удельные электропроводности дилюата и рассола в камерах (=К_э·С^1–в), индекс (1–в) зависит от минерализации воды: М= 3 г/л – 0,89; М= 6 г/л – 0,875; К_э – коэффициент пропорциональности, равный 1/8300; С – концентрация раствора, моль/л; _к, _а – удельные поверхностные сопротивления катионитовой и анионитовой мембран, Ом·см^–1 (табл. 19).

Таблица 18. Коэффициент увеличения электрического сопротивления камер с сепараторами-турбилизаторами при расстоянии между мембранами 1 мм

Тип сетки сепаратора	Значение Кс
Безотходная просечная НИИИТ	0,54
Техническая капроновая, арт. № 21394	0,48
Техническая капроновая, арт. № 22194	0,34
Перфорированная гофрированная	0,62

Таблица 19. Технологическая характеристика ионитных мембран

Показатели	Мембраны катионитовые			Мембраны анионитовые
	МК-40	МКК-10	МК-41л	МА-40	МАК-10	МА-41л
Размер сухих мембран	1420450´0,3	1000´500´0,2	1350´450´0,6	1420´450´0,3	1000´500´0,15	1420´450´0,6
Тип мембран	Гетерогенная	Гомогенная	Гомогенная	Гетерогенная	Гомогенная	Гомогенная
Ионообменная смола	КУ-2	КУ-2	КУ-2	ЭДЭ-10П	АВ-17	АВ-17
Уд. поверхн. сопротивление, Ом·см-2	30	–	32	35	–	20
Селективность в 0,1 н растворе	0,955-0,97	0,95-0,96	0,96	0,93-0,96	0,95-0,96	0,96
Статич. обменная емкость, моль/г	2,6±0,3	2,95	2,0	3,8±0,4	4,5	2,1

4. Напряжение на аппарате, необходимое для поддержания средней расчетной плотности тока, В,

U = i·f·n·R_cp + E_э·n·E_м,

где E_э – падение напряжения на электродах, равное 3¸4 В; E_м – мембранный потенциал, В;

.

При уточнении плотности тока может оказаться, что она далека от оптимальной, – подбор аппарата оказался неудачным. Если поверочный расчет показал, что плотность тока, вычисленная для начала и конца цикла и в среднем за цикл, окажется меньше оптимальной, принятый ЭД аппарат следует разбить на несколько аппаратов, работающих параллельно как по току воды, так и по электрическому питанию, и повторно произвести расчет.

5. Далее должна быть решена схема работы аппарата (циркуляционная или прямоточная), что позволит определить параметры насосов. В камерах должна быть обеспечена деполяризующая скорость движения воды _деп, значение которой, в зависимости от типа турбулизирующей сетки, составляет 2,9…9,3 см/с, поэтому производительность насосов, подающих в камеры опресняемую воду и рассол, должна быть не менее, м/ч,

Q_н = 36·10^–4·_деп·d·b·n·m,

где d – расстояние между мембранами, см; n – число камер в аппарате; m – число аппаратов, работающих параллельно; b – ширина прохода для воды в камере, см (равна расстоянию между внутренними краями рамки в направлении, перпендикулярном к направлению движения воды, а в лабиринтной камере – расстоянию между направляющими стенками лабиринта).

6. Критическая скорость потока воды через камеры, см/с,

,

где В и р – параметры, зависящие от конструкции камеры, типа сепаратора-турбилизатора, соотношения коэффициентов диффузии растворенных в воде солей, температуры воды, определяются экспериментально, ориентировочно по табл. 20; С – средняя концентрация растворенных солей в очищаемой воде, моль/л; d_экв – эквивалентное расстояние между мембранами, см (табл. 20).

Таблица 20. Рабочие параметры электролизных ванн, зависящие от конструкции и типа сепараторов-турбилизаторов

Конструкция камеры	р	В	Расст. между мембранами, мм	dэкв, см	Reкр	Критич. скорость, см/с	Потеря давления при кр на 1 м длины камеры, Па·10–2
Камеры лабиринтного типа без сепаратора	0,54	30	2 1	0,385 0,196	2320	69 135	26 196
Камеры прокладочного типа: с сепаратором из перфорированного винипласта (гофры поперек потока) то же (гофры вдоль потока) с сепаратором, изготовленным методом просечки-вытяжки	0,43 0,53 0,67	3 0,45 2,5	2 2 1	0,203 0,203 0,105	92 220 26,5	5,2 12,4 2,88	2,63 24,6 78

7. Расход электроэнергии на опреснение воды электродиализом складывается из расхода электроэнергии (постоянного тока) на собственно электролиз и расхода электроэнергии (переменного тока) на прокачивание через ЭДА очищаемой воды, рассола и воды для промывки катодного и анодного пространств, кВт·ч,

,

где f_нетто – активная площадь одной мембраны, м²; m – число пакетов в аппарате.

Для двух одинаковых насосов с подачей 20 % воды на промывку катодной и анодной камер

,

где – расход воды, подаваемой одним насосом, л/с; Н – напор, развиваемый насосом, м; _э – коэффициент полезного действия электродвигателя, равный 0,950,97; _н – коэффициент полезного действия насоса, равный 0,70,8.

Расход электроэнергии на очистку 1 м³ воды, кВт·ч/м³,

.