Расчет прямоточной электродиализной опреснительной установки (стр. 2 из 3)
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.
1.2 Технологические особенности мембран и аппаратов
Показатели работы электродиализных установок определяются в первую очередь характеристиками мембран.
Через идеальную катионообменную мембрану осуществляется перенос только катионов, через анионообменную – только анионов. В реальных условиях мембраны не обладают идеальной селективностью и частично переносят ионы обоих зарядов.
Кроме селективности, ионнообменная мембрана должна обладать общими свойствами: высокой электропроводимостью, химической и механической стойкостью в окислительных средах, стабильностью характеристик, большим сроком службы.
Кроме того, ионообменная мембрана должна максимально ограничивать транспорт гидратной воды (перенос молекул воды совместно с ионом, обычно в виде гидратной оболочки последнего).
Толщина мембран должна быть минимальной, чтобы наименьшим было сопротивление электротоку. Но в то же время толщина должна быть достаточной для механической прочности мембраны в связи с неравномерным распределением гидравлического давления в камерах деминерализации и концентрирования.
По функциональному назначению мембраны могут быть катионообменными, анионообменными и биполярными. По составу полимерной пленки – гомогенными и гетерогенными.
Гетерогенные мембраны получают прессованием тонкоизмельченной смолы и инертного связующего. Такими пластичными связующими материалами могут быть полиэтилен, полистирол, полиизобутилен, каучуки. Химическая стойкость мембран возрастает при использовании в качестве связующего материала фторолефинов. В гетерогенных мембранах, выпускаемых нашей промышленностью, в качестве связующего используется полиэтилен.
Гомогенные мембраны изготовляют из одной ионообменной смолы. Такие мембраны обладают высокими электрохимическими характеристиками, хотя механически они недостаточно прочны.
Наиболее перспективными считаются гомогенные мембраны. Их получают полимеризацией или сополимеризацией ненасыщенных соединений, одно из которых содержит готовые ионогенные группы или такие функциональные группы, которые легко переводятся в ионогенные (амидные, эфирные).
Плотность тока в электродиализаторах – 0,2–1,0 А/дм2. Чем больше плотность тока, тем больше затраты электроэнергии. При резком увеличении плотности тока может начаться перегрев и даже прожог мембран – допускаемая температура нагрева не более 60°С.
Расход электроэнергии при оптимально организованной технологии и минерализации исходной воды не менее 1 г/л составляет примерно 1 Вт/л.
При уменьшении минерализации воды, особенно менее 0,5 г/л, затраты электроэнергии на преодоление электрического сопротивления воды становятся значительными, и следует оценивать технологию по экономическим критериям.
Напряжение на электродиализаторе (в зависимости от количества камер, степени минерализации исходной и деминерализованной воды) может колебаться в пределах от 300 до 1000 В.
Очень важное свойство ионообменных мембран – склонность к набуханию, которая связана с гидратацией фиксированных ионообменных групп и противоионов. Чем больше обменная емкость и способность к гидратации ионов всех видов, тем больше набухание мембран. Не набухающие мембраны проводят ток в незначительной степени, а при набухании молекулы воды вызывают диссоциацию ионогенных групп, и противоионы вместе с вошедшим в мембрану электролитом начинают переносить ток[2].
Хорошими эксплуатационными характеристиками обладают полученные на основе фторированных ненасыщенных соединений мембраны МРФ-26 и МРФ-4МБ, содержащие -SO3H в качестве ионогенных групп. МРФ-4МБ весьма термостойка и может применяться при 100 °С и выше.
Эти мембраны показали химическую стойкость в сильных окислительных средах: хромовой кислоте, гипохлорите натрия, концентрированной щелочи и серной кислоте. Еще большей химической стойкостью обладает мембрана МФ-4СК, выдерживающая действие наиболее активного для ионитных мембран окислителя – 10%-ного раствора H2O2. Для обеспечения механической прочности мембран МФ-4СК смолу наносят на ткань из политетрафторэтилена.
В табл. 3.4 приведены характеристики некоторых серийно выпускаемых в России гетерогенных мембран.
Наиболее совершенные мембраны производятся в настоящее время японскими фирмами «Асахикемикал» и «Асахи глас» на основе перфторуглеродных материалов с -СООH в качестве ионогенных груп, а также фирмой «Дюпон» (CША).
Уменьшение омических потерь в растворе достигается максимально возможным сближением электродов и соответственно мембран. Интервалы между ними обеспечиваются прокладками различной конструкции, чаще всего – лабиринтно-сетчатыми. Прокладки выполняют также важную роль турбулизации потока воды (уменьшение опасности возникновения отложений). Применяются и профилированные мембраны (без прокладок), и прокладки струнного типа.
Во избежание образования застойных зон в камерах концентрирования значительную часть (до 80%) получаемого раствора возвращают в диализный аппарат – создается циркуляционный контур.
Введение в камеры деминерализации смеси гранулированных или в виде волокон катионитов и анионитов – способ снижения нижнего экономически оптимального предела – 500 мг/л – деминерализуемой воды (электродеионизация). В этом случае можно получить не только пресную, но и глубокодеминерализованную воду (рис.3).
Рис.3. Схема электродеионизационной установки
Мембраны электродиализные так же, как и обратноосмотические, требуют исходную воду определенной чистоты. Вода, подаваемая к электродиализному аппарату, должна содержать, не более:
жесткость общая – 40 ммоль/л;
взвешенные вещества – 1,5 мг/л;
цветность – 20 градусов по платино-кобальтовой шкале;
перманганатная окисляемость – 5 мгО/л;
железо общее (Fe) – 0,05 мг/л;
марганец общий (Mn) – 0,05 мг/л;
бораты (по ВО2) – 3 мг/л;
бром (Br) – 0,4 мг/л;
алюминий (Al) – 0,05 мг/л.
Электродиализные аппараты позволяют деминерализовать воду практически любой степени минерализации почти полностью.
Глубина очистки – регулировкой расхода очищаемой воды.
Срок службы аппаратов примерно 10 лет.
Расход электроэнергии – 0,5–2,5 кВт ・ ч/м3 (в зависимости от минерализации исходной воды и других условий).
Давление воды на входе – 0,15–2,0 МПа; на выходе – 0,2–0,5 МПа.
Температура воды на входе – 18–25°С; возможно повышение температуры до 40°С – в этом случае расход электроэнергии уменьшается примерно на 20–30%.
Режим работы – непрерывный. Борьба с отложениями солей на поверхности мембран: переполюсовка электродов с одновременным переключением потоков диализата и рассола, а также подкисление рассола и католита. Возможна – при необходимости – отмывка трактов повышенными дозами кислоты и растворами комплексообразователей.
2 Расчет прямоточной электродиализной опреснительной установки
Исходные данные:
1) расход воды, опресняемой установкой,
= 2000 м3/сут = 83,3 м3/ч;2) пропускная способность электродиализатора
= 500 м3/сут = 20,8 м3/ч;3) общее содержание растворенных солей в исходной воде Сн= 1418 мг/л = 1,42 г/л;
4) температура исходной воды 17°С;
5) удельная электрическая проводимость исходной воды х=30,6∙10-4 См.см-1 ;
6) выход по току
= 0,87;7) содержание ионов:
| Катион | мг/л | кмоль/л | Анионы | мг/л | кмоль/л |
Кальций  | 126,8 | 5,6 | Бикарбанат  | 152,5 | 2,5 |
Магний  | 119,1 | 4,9 | Сульфат  | 398,6 | 8,3 |
Натрий  | 248,4 | 10,8 | Хлорид  | 372,3 | 10,5 |
| Сумма | 494,3 | 21,3 | Сумма | 923,4 | 21,3 |
8) толщина дилюатной (рассольной) камеры в электродиалезном аппарате
(см);9) скорость протекания воды в ячейке
(см/с);10) площадь отдельной мембраны в аппарате
(см2);11) толщина мембраны
(см);12) тип прокладки в электродиализном аппарате – лабиринтно-сетчатый косого исполнения толщиной
(см);