Очистка сточных вод методом электродиализа

Содержание

Введение……………………………………………………………………………3

1. Электродиализ………………………………………………………………….4

1.1 Ионообменные  мембраны……………………………………………………4

1.2 Сферы  применения электродиализа………………………………………...5

2. Обессоливание………………………………………………………………….6

2.1 Электродиализные  установки……………………………………………….10

3. Биполярный  электродиализ…………………………………………………..12

4. Электродиализ  в технологии редких металлов……………………………..14

4.1 Электродиализ  в технологии урана…………………………………………14

4.2 Электродиализ  в технологии рения…………………………………………17

Заключение………………………………………………………………………..20

Список  литературы……………………………………………………………….22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Очистка сточных  вод проводиться с целью устранения вредных и опасных свойств, которые  могут привести к пагубным последствиям в окружающей среде. Применение различных  технологий очистки направленно  на нейтрализацию, обезвреживание или  утилизацию ценных компонентов. Таким  образом, выбор технологии очистки  и оборудования зависит в первую очередь от свойств сточных вод  и их отклонений от свойств природных  вод. Другими словами, выбор метода очистки стоков зависит от вредных  факторов, которыми обладает сточная  вода [1].

Для очистки сточных  вод от различных растворимых  и диспергированных примесей применяют электрохимические процессы. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки без использования химических реагентов [2]. 

1. Электродиализ

Электродиализом называют процесс удаления из раствора ионов  растворенных веществ путем избирательного их переноса через мембраны, селективные  к этим ионам, в поле постоянного  электрического поля. Таким образом, для осуществления электродиализа необходимо создание в качестве движущей силы градиента электрического потенциала.

Сущность процесса электродиализа состоит в том, что  при наложении постоянного электрического поля на раствор ионизированных веществ (электролитов)  возникает направленное движение ионов растворенных солей, а также ионов H⁺ и OH^ˉ. Причем катионы движутся к отрицательно заряженному катоду, а анионы к положительно заряженному аноду, так как ионы – поляризованные частицы и в электрическом поле они перемещаются в соответствии со знаками своих зарядов. Если раствор разбить на секции с помощью специальных мембран, проницаемых только для катионов или анионов, то катионы, двигаясь к катоду, будут свободно проходить через катионитовую мембрану. Для анионов же она практически непроницаема. Анионы, пройдя через анионитовую мембрану, будут двигаться к аноду. Таким образом, раствор разделится на обессоленную воду, находящуюся между мембранами, и концентрированные рассолы – щелочной католит и кислый анолит [3].

1.1. Ионообменные мембраны

Мембраны подразделяются по знаку заряда на катионитные и анионитные, а по способу получения на гетерогенные и гомогенные  (рис. 1)  [4]. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100 – 200 камер) с чередующими катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току [2]. 

Рис.1. Анионообменная и катионообменная мембрана.

Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы  и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой  порошок ионита, смешанный со связующим  веществом – каучуком, полистиролом, метилмеркаптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1 – 2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц [2].

Ионитные мембраны для процесса электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью и химической стойкостью.

1.2. Сферы применения  электродиализа

Обычно электродиализ  применяют для опреснения соленых  вод. В последнее время его  начали применять для выделения (регенерации) ценных компонентов из высококонцентрированных сточных  вод, образующихся при химической и  электрохимической обработке стали  и цветных металлов. В результате удаления из этих растворов катионов металлов и анионов кислот можно  получить растворы кислот и щелочей  и снова их использовать в производстве [5]. Метод электродиализа целесообразно  применять для очистки стоков после отдельных видов покрытия. Это дает возможность повторно не только использовать очищенную воду, но и утилизировать сконцентрированные вещества. Процесс электродиализа используется для очистки сточных вод от радиоактивных загрязнений [6].

2. Обессоливание воды

В настоящее время  для обессоливания воды используются многокамерные плоскорамные аппараты. Они представляют собой мембранный пакет, зажатый между пластинами, которые являются анодом и катодом соответственно  (рис.2). Мембраны разделены прокладками и турбулизирующими вставками (сетками), которые служат для улучшения гидродинамики движения растворов в аппарате. Стягивание мембранного аппарата может осуществляться как вручную с помощью стяжных шпилек, так и с помощью гидравлического оборудования  [3]. Количество и размер мембран в пакете зависят от требуемой производительности аппарата. В качестве материала электродов используют графит, нержавеющую сталь, платинированный титан, магнезит и др. Для процесса электродиализа используют постоянный ток напряжением до 380 B.

Когда включается постоянное электрическое поле, все катионы  устремляются к отрицательному полюсу. Если первая мембрана на пути катиона  является катионной, катион проходит через  нее в соседний водяной отсек, где происходит концентрация катионов, а первый отсек частично опресняется. Если ее первая мембрана на пути катиона  является анионной, то катион не может  пройти через нее и остается в  первом отсеке, который становится концентрирующим отсеком. Из рис. 2 видно, что анионы ведут себя аналогично, но движутся в противоположном направлении, так как их притягивает положительный  полюс.

В электродиализной батарее, где анионные и катионные  мембраны чередуются, каждый ион либо остается в своем отсеке, либо переходит  в соседний отсек, где он задерживается  мембраной противоположного свойства. В результате ионных перемещений  опресняющие отсеки чередуются с  концентрирующими.

Описанная выше система  представляет собой классический, или  однонаправленный, электродиализ (ЭД). Однонаправленным его называют потому, что полярность постоянного электрического поля не изменяется, ионы все время  движутся в одном направлении  и назначение водяных отсеков (опресняющих  и концентрирующих) сохраняется  неизменным.

Однонаправленный  ЭД имеет ряд недостатков, характерных  в той иной степени и для  других мембранных процессов. Для надежной работы установки, даже в течение  нескольких часов, обычно требуется  добавлять кислоту или комплексообразователь (например, гексаметафосфат натрия), или смягчители воды. Это вызвано присутствием в воде больших количеств углекислого кальция, стронция, сульфата бария и железа. Эти вещества оседают на поверхности мембран и снижают эффективность процесса концентрации. Неминеральные вещества, содержащиеся в воде (органические и неорганические коллоиды, микробиологические организмы, растворимые органические вещества), загрязняют поверхности мембран и не могут быть удалены в процессе ЭД. Обычно аппарат останавливают раз в неделю или месяц для очистки мембран, что более или менее эффективно.

Даже при добавления  комплексообразователя  пропускная  способность однонаправленных систем заметно снижается через несколько  месяцев, если вода насыщена сульфатом  кальция или органическими веществами.

Разница между обратимым  электродиализом и однонаправленным электродиализом заключается лишь в одном, но важном обстоятельстве. Если взять однонаправленную систему  ЭД (показанную на рис. 2), дать ей поработать некоторое время (15 мин), а затем  с помощью автоматического переключателя  изменить полярность приложенного электрического поля на тот же период времени и  непрерывно повторять эту процедуру, то получим систему, работающую по принципу обратимого электродиализа (ОЭД).

Отсек, который вначале  был опресняющим, при изменении  полярности тока становился концентрирующим, и наоборот. Это означает, что  вскоре после изменения полярности тока надо также переключать клапаны, через которые вода втекает и  вытекает. В момент переключения полярности также необходимо отвести оба  потока на период от 45 до 90с для очистки  всех отсеков до возвращения потока деминерализованной воды в отсеки и  продолжения процесса очистки.

Таким образом, ОЭД  осуществляется путем обращения  движения очищаемой воды через равные интервалы времени, так что нерастворимые  или плохорастворимые вещества удаляются из процессора, вместо того, чтобы оседать на мембранах.

Для работы системы  ОЭД вода должна поступать в опресняющие  отсеки под давлением порядка 5 … 6 МПа, включать источник постоянного  тока с устройством для автоматического  переключения полярности и мембранные батареи.

Выход очищенной  воды при ОЭД составляет от 90 до 95% поступающей воды при регулируемой циркуляции концентрированного потока и других дополнительных мерах. Обычная  рециркуляция концентрированного потока дает выход очищенной воды от 70 до 85%.

Расход электроэнергии можно приблизительно оценить как  сумму двух слагаемых – энергии, потребляемой водяным насосом (0,5 кВт·ч  на 1 м³ воды), и энергии, идущей на перенос ионов (0,5 кВт·ч на каждый 1 м³ воды и на каждый 1 г соли, удаленной из воды).

Система ОЭД обычно не требует предварительного умягчения  воды и могут обрабатывать воду с  температурой до 45^ºС без какой – либо подготовки. Предварительная обработка требуется, когда концентрация железа больше 0,3 мг/л, а концентрация марганца и сероводорода свыше 0,1 мг/л. Присутствие кремнезема в воде не снижает эффективности ее очистки, поэтому его из воды не удаляют [7].

Рис. 2.  Схема электродиализной установки.

Метод электродиализа целесообразно применять для  опреснения воды с содержанием солей  от 2,5 до 10,0 г/л, получая воду с содержанием  солей не ниже 500 мг/л. В аппарат  может подаваться вода с такими качественными  показателями: содержание взвешенных веществ – не более 2 мг/л; цветность  – до 20 град; окисляемость – до 5 мг O₂/л; содержание железа – до 0,1 мг/л [7].

В зависимости от требуемой производительности и  глубины обессоливания выбирается режим работы электродиализных аппаратов. В некоторых случаях возможна установка нескольких аппаратов, включенных последовательно и работающих на проток (по диллюату). В основном же применяется схема с циркуляцией диллюата и постоянным отбором обессоленной воды и подводом исходной. При необходимости получения глубокообессоленной воды электродиализный аппарат работает в периодическом режиме. Диллюат циркулирует в аппарате до достижения требуемой глубины обессоливания, а затем полностью выводится из аппарата и заменяется новой порцией исходной воды [3]. 
 

2.1. Электродиализные  установки

Электродиализные  опреснительные установки разделяют  на прямоточные, циркуляционные порционные и циркуляционные непрерывного действия.

В прямоточных солесодержание опресняемой воды снижается от исходного  до заданного за один проход через  установку. В зависимости от солесодержания исходной воды эти установки могут  иметь одну  и более ступеней (рис. 3).

Рис. 3. Схемы прямоточных  электродиализных установок: а –  одноступенчатая; б - многоступенчатая; 1- бак исходной воды; 2- бак рассола; 3- электродиализатор; 4- насос

Прямоточная система  рекомендуется при больших производительностях  электродиализной установки (ЭДУ). В  этой схеме степень очистки зависит  только от продолжительности пребывания воды в ячейках. Недостаток схемы  заключается в чувствительности к колебаниям качества исходной воды. Порционные схемы ЭДУ легко регулируются при колебаниях качества воды за счет изменения режима рециркуляции. Их недостаток – в большей энергоемкости, в сравнении циркуляционной системой

В циркуляционных порционных опреснительных установках опресняемая  вода забирается насосом из бака соленой  воды и прокачивается в тот  же бак через опреснительные делюатные камеры многокамерного электродиализного аппарата до требуемой величины. Одновременно при помощи другого насоса осуществляется циркуляция рассола через рассольные камеры до того же аппарата. По достижении требуемой опреснения воды производится переключение аппарата на второй бак подлежащей опреснению воды. Опресненная вода из первого бака поступает потребителю.