Способ деминерализации водных растворов

 

Использование: электродиализная очистка водных растворов, содержащих органические вещества. Сущность изобретения: деминерализация водных растворов, предварительно обработанных кислородсодержащими окислителями в количестве, превышающем химическое поглощение кислорода (мг 02/дм3) обрабатываемого раствора в 1,6-3,0 раза в сочетании с УФ- облучением интенсивностью света Е/дм мин. Положительный эффект: срок службы мембран увеличивается в 5 раз, энергоемкость процесса уменьшается в 2,7 раза.2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК (я)л С 02 F 1/469

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОГ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4934753/26 (22) 08.05.91 (46) 23,04,93, Бюл. М 15 (71) Институт коллоидной химии и химии воды им,А.В,Думанского (72) В.Д.Гребенюк, Н.П,Стрижак, В.В.Гончарук, А.О.Самсони-Тодоров и А.В.Гречко (56) Кульский Л,А., Гребенюк В,Д., Савлук

G.Ñ.. Электрохимия в процессах очистки воды. — Киев: Техника, 1987, с.84, (54) СПОСОБ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Изобретение относится к области обработки воды, в частности, к электродиализу водных растворов, содержащих органические вещества и может быть использовано для деминерализации природных и сточных вод.

Целью исследования является снижение расхода электроэнергии при одновременном увеличейии срока службы мембран, Поставленная цель достигается описываемым способом путем обработки водных растворов кислородсодержащими окислителем в количестве, превышающем ХПК (мг

02/дм ) обрабатываемого раствора в 1,63,0 раза в сочетании с УФ вЂ” облучением интенсивностью света 10 — 10 Е/дм мин и последующего электродиализа, Отличительным признаком заявляемого способа является обработка водного раствора перед электродиализом кислородсодержащим окислителем в сочетании с

УФ-облучением. Ы„„1810306 А1

{57) Использование: электродиализная очистка водных растворов, содержащих органические вещества. Сущность изобретения . деминерализация водных растворов, предварительно обработанных кислородсодержащими окислителями в количестве, превышающем химическое поглощение кислорода (мг 02/дм ) обрабатываемого раствора в 1,6-3,0 раза в сочетании с УФ— облучением интенсивностью света 10 — 10

Е/дм мин, Положительный эффект: срок службы мембран увеличивается в 5 раз, энергоемкость процесса уменьшается в 2,7 раза. 2 табл.

Как указано было выше, при электродиализе водных растворов с высоким содержанием органических веществ (ХПК-60 мг

02/дм ) наблюдается "отравление" анионитовой мембраны, что приводит к росту напряжения на анионитовой мембране и снижению выхода по току аниона $04 через мембрану. Нами установлено, что предварительная обработка водного раствора перед электродиализом только окислителем или УФ-облучением без окислителя не позволяет сохранить неизменными выход по току и напряжение на ионообменных мембранах в течение всего процесса электродиализа. УФ-облучение без окислителя не оказывает влияния на молекулы ФК, Величины ХПК и цветность раствора не изменяются после обработки его УФ-облучением (табл,1, примеры 1, 10), При электродиалйзе раствора с продуктами фотолиза наблюдается снижение выхода по току анионов

S0$ через мембрану и рост электрическо1810306 го напряжения на анионитовой мембране (табл.1, примеры 10 — 17) аналогичным тем которые наблюдаются в примере по прототипу (табл,1, примеры 1 — 9). При контакте окислителя без УФ-облучения с молекулами

ФК происходит их окислительная деструкция, Величины ХПК и цветность раствора изменя ются от 60 до 30 мг Oz/дм и соответственно цветность от 105 до 6 (табл.1. примеры 1, 18), Раствор при этом обогащается веществами, устойчивыми к окислительнодеструктивному действию озона, которые не позволяют вести стабильно процесс электродиализа. На анионитовых мембранах наблюдается рост электрического напряжения, выход по току снижается и достигает выхода по току приведенному в примере по прототипу(табл,1, примеры 18—

25), Нами обнаружен неожиданный эффект совместного применения окислителя с

УФ-облучением, заключающийся в создании условий для стабильной работы электродиализатора. Выход по току и электрическое напряжение на мембранах в течение всего процесса электродиализа не изменяются (табл.1, примеры 26 — 41). Это можно обьяснить образованием продуктов окислительной деструкции, которые не оказывают влияния на ионитовые мембраны.

Способ реализуется следующим образом.

В качестве окислителя нами применялись озон и перекись водорода, Для получения озона использовали лабораторнуо установку трубчатого типа, производительностью 2 r Oz/час. В стеклянную колонку барботажного типа, пропускали озоно-воздушную смесь со скоростью 1 дм /мин, з массовая концентрация озона s смеси — 10 мг/дм, рН реакционной среды 8 — 9. Обработку рабочего раствора с рН реакционной среды 3 — 4 проводили перекисью водорода в кварцевом реакторе, термостатированном при 25 С, Окислитель вводили в количестве, превышающем ХПК (мг 02/дмз) срабатываемого раствора в 1,6-3,0 раза. При ХПК 60 мг Oz/дм вводили в рабочий раствор окисз литель в количестве 96 — 180 мгlдм . Одноз временно с введением окислителя проводили фотолиз с использованием кварцевого светильника с лампой высокого давления интенсивностью света 10 — 10

Е/дм мин, Процесс обработки рабочего раствора совместным действием окислителя с УФ-бблучением вели 120-140 мин. Обработанный таким образом рабочь и раствор направляли в пятихамерный электродиализатор с чередующимися гетерогенными катионитовыми МК вЂ” 40 и ан онитовыми MA-40 мембранами (ГОСТ

17553-72). Процесс электродиализа вели в гальваностатическом режиме при = 10

mA/ñì непрерывно в течение 50 ч, Эффективность процесса деминерализации характеризовали величиной электрического напряжения на мембранах, выходом по току, величиной ХПК и цветностью.

Пример 1, Электродиализ раствора с продуктами фотоокислительной деструкции озоном, В кварцевую колонку барботажного типа, диаметром 70 мм с высотой слоя жидкости 300 мл, помещали раствор с массовой

15 концентрацией фульвокислоты 30 мгlдм (ХПК= 60 мг 02/дм ), рН реакционной среды

-8. В кварцевую колонку помещался коаксиально кварцевый светильник, герметично изолированный от рабочего раствора, Кварцевый светильник оборудован лампой высо.кого давления ДРТ-230 с интенсивностью света 10 Еlдм мин. В рабочий раствор, содержащийся в кварцевой колонке, подавали озон-воздушную смесь со скоростью 1 дм /мин. Массовая концентзоация озона в смеси составляла 10 мг/дм . При этом в реакционную смесь было введено озона в . количестве 180 мг/дм, превышающем ХПК (мг 02/дм ) рабочего раствора в 3 раза, Кварцевый светильник включался одновременно с подачей в раствор озона-воздушной смеси. Время обработки составляло 120 мин. После фотоокислительной деструкции рабочий раствор имел ХПК 16 мг 02/дм и цветность — Оо. Полученный раствор подавали в электродиализатор, Процесс электродиализа вели в гальваностатическом режиме при i = 10 вА/см в пятикамерном электродиализаторе с площадью мембран 1

40 см2. Процесс вели непрерывно на протяжении 50 часов. Об устойчивой работе электродиализатора свидетельствует постоянство электрического напряжения на мембранах и значения выхода по току, которые равны 1,5

В и 98 + 1 / соответственно (табл.1, примеры 26 — 33).

Пример 2. Электродиализ раствора с продуктами фотоокислительной деструкции перекисью водорода.

В кварцевый реактор помещался рабочий раствор с массовой концентрацией фульвокислоты 30 мг/дм (ХПК = 60 мг

02/дмз), рН реакционной среды -3, Раствор термостатировали при температуре 25ОС.

Раствор в реакторе облучали кварцевым светильником с лампой высокого давления

ДРТ вЂ” 230 с интенсивностью света 10

Е/дм мин, Время облучения 140 мин. Одз. новременно с включением кварцевого све1810306 тильника в реактор вводилась перекись водорода в количестве 96 мг/дм, превышаю. щем ХПК рабочего раствора в 1,6 раза.

После фотоокислительной обработки рабочий раствор имел ХПК 16, цветность — О . 5

Электродиализ полученного раствора вели в пятикамерном электоодиализаторе с пло- щадью мембран 1 см в гальваностатическом режиме при i = 10 mA/см . Процесс вели в условиях аналогичных выполнению 10 примера 1. Время электродиализа 50 часов, Об устойчивой работе электродиализатора свидетельствует постоянство электрического напряжения на мембранах и выход по току, которые равны исходным и составляют 15

1,5 В и 98 + 1 соответственно (табл.1, примеры 34 — 41).

Проведенные ресурсные испытания показали, что стабильность величин выхода по току и напряжения на анионитовых мембра- 20 нах в злектродиализе растворов с высокой окисляемостью при использовании предварительной обработки окислителями совместно. с УФ-облучением обуславливает увеличение срока службы мембран до 5 лет, 25 который равен сроку службы мембран при электродиализе растворов с низкой окисляемостью (2 мг 02/дмз).

В табл.2 приведена зависимость эффективности процесса электродиализа от кон- 30 центрации окислителя в рабочем растворе и интенсивности света УФ-облучения. Установлено, что заявляемые концентрации окислителя и интенсивность света УФ-облучения при совместном их применении в ви- 35 де предподготовки перед электродиализом обеспечивает увеличение срока службы ионообменных мембран и уменьшение энергоемкости процесса (табл.2, примеры

1-31). Предлагаемыцй способ обеспечивает 40. высокую эффективность деминерализации водных раствооо в с окисляемостью от 60 до

2400 мг Oz/дм, Несмотря на то, что после фотоокислительной обработки рабочего раствора с высоким значением ХПК(2400 мг 45

Oz/äì ) получается раствор ХПК и цвет-. ность которого выше, чем после фотоокисления растворов с более низким ХПК (60 мг

02/дммз), процесс деминерализации протекает стабильно. Образующиеся продукты 50 фотоокислительной деструкции не оказывают влияния на ионообменные свойства мембран: электрическое напряжение на мембранах и выход по току в течение всего процесса электродиализа остаются неиз- 55 менными; 1,5 В и 98+1 (соответственно (табл.2, примеры 20-31).

Запредельное снижение концентраций окислителей (табл.2. примеры 32 — 36), так же, как и запредельное снижение интенсивностей УФ вЂ” облучения (табл.2, примеры 35, 39) при сохранении остальных параметров в заявляемом режиме, не обеспечивает необходимой глубины фотоокислительной деструкции, что сказывается на повышении электрического напряжения на мембране и снижении выхода по току, то есть приводит к повышению энергоемкости процесса и

"отравлению" мембран.

При проведении фотоокислительной деструкции в условиях повышенного содержания окислителя (табл..2, примеры 33, 37) и повышенной интенсивности УФ-облучения (табл.2, примеры 34, 38) не наблюдается повышения эффективности процесса деминерализации, однако увеличивается расход окислителя и увеличивается энергоемкость окислительного процесса, что является экономически нецелесообразным.

Преимущество предлагаемого способа деминерализации подтверждают данные табл,1, 2. Предлагаемый способ деминерализации водных растворов позволяет: — снизить энергоемкость процесса электродиализа, что характеризуется уменьшением электрического напряжения на мембранах во времени (50 ч) от 4,1 до 1,5 В, т.е. в 2,5 раза. — увеличить срок службы мембран в про- цессе электродиализа водных растворов с высокой окисляемостью в 5 раз. — вести электродиализ с сохранением производительности мембран, что характеризуется стабильностью выхода по току аниона SO4 через анионитовую мембрану на протяжении всего процесса электродиализа, Формула изобретения

Способ деминерализации водных растворов с высокой окисляемостью в электродиализаторе с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, отличающийся тем, что, с .целью снижения расхода электроэнергии при одновременном увеличении срока . службы мембран, водный раствор предварител ь но об рабаты вают кислородсодержащим окислителем в количестве, превышающем химическое поглощение кислорода обрабатываемого раствора в 1,6 — 3,0 раза, при одновременном УФ вЂ” облучении с интенсивностью света 10 — 10 Е/дм мин, 1810306

Цветность, градусы

U напряжение на мембране )N-40, 0

Выход по тону, а

Способ обработки рабоиего раствора

flPH

tte p

ХПК, мгОа ди3. 981 ) 0,05 М

))4000,, 0

30 нг/дмэ

105

1,5

1,5

2,6

2,7

3,0

3,1

3,2

3,7

4,1 8042

1,5 98)1

«tl

25

36

60

0,05 )1 0

nP2004 . продукты

Фотолиэа

ФК

УФ-облучение

t э

1,6

2,6

11 !

13 !

22

28 и

16

17

;18

60 105

30 . 6 80+2

98 ь) Оэонироеа - нив

0,05 И

"а 400 4 продукты овонилиэа ФК

То we 1,5

1,7

1,7

t 9

1,9

2,0

2,2 8241 10

1,5 . 98+1 16

»l I

22

36

«It»

50

Оэонирование совместно с УФоблучением

1,5

1,5

1 5

1,5

1,5

1,5

1,5 98t) 16

1,5 98+) 16

То же з

»»t l «« 28

l l»

»»tl»»

Перекись водо рода совнестно с УФ-облучением 0

0,05 ц 0

Мад 004 продукты йютоокис" лительной деструкции перекисью водорода

Ta we

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1. 5

98 16 0

3

5 ,6

8

10

19

21

22

23

24

27

28

29

31

32

33

36 З7

З8

39

40 и

Р абочий раствор,, подаваемый в электродиалиэатор

0,05 M

Ма Я04 продукты йютоокислительной деструкции оэоном ФК

t, .время от начала работы элект родиалиэатора, ч

1.

5

22

28

36

2,7

3>0

3, l

3,7

4,1

1,5

Таблица 1

1810306

Таблица2

Характеристика рабонего раствора и мембран после 50 насев электроднал.

Обработка воды

Характеристика исхолного раооцего раствора перед окислительной обработкой н менбран перел электро" диалиэон

Интенсив. уфоблучения, k/äèe мин

При" не р колицество окислителя природа окнспите» ля

V,0 хпК нгОс дмт цветностЬ, градусы кратность по отноюению к ХПК массовая концент рация мг /дн?

По изобретению

ХПК 60 нг

02/дмэ

Цветность 105

q - 98 12

V" 1,50

О 9881 1 5 16

l,6

i Озон 96

16

98- 1 1, 5

1,8 . !О

108

16

l0

То ме

10

1,6

10

О!

6 н

16

1,6

Перекись водо рода

10

1,6

° 1

l0

16 и

3

1,6

II 16

ХПК 100 ""-" 20 мгО" дмэ

Цвстность, 130 20 с 9881 20

U»»1,5Â

Озон

1,6

9821 1, 5

9821 1, 5

98+1 1, 5

98 1,5

9841 1, 5

98з! 5

96

120 !

96

180

О

О

О

20

17

18

19

21

Перекись водорода!

20!

О

20

1,6 2

ХПК 2400 нг О /дмэ

Озон

10

10 Цветность 5360 50

6- ВВз?2

V»»150

96

96

180 е6

То ве 50

10 н

10

l0

Перекись водорода

50

50

50

50

180

10 3»предельные значения

XI!K 60 мг 0 /дн 30

Цеетность !05 30

4.- ЭВ I

V. 1,5 8

То we 40

1,3

3,3

3,0

Озон

8181 4,0

9881 1 5

В0

198 180

32

33

10 I0

180 .801

198

180

3,0 .

1,3

3 ° 3

3,Р

309

36

37

38

ВОХ\ 4,2

798! Il ° о

98eI 1, 5

98+1 1 ° 5

80!I 4, 2

10 и

Перекись водорода

10

»11

10 и

По прототипу

ХПК 60 нг О, /дмэ

Цветность 105

t?.» -98 1

U - 1,5 О

ВОь2 4, 1

105

Составитель Н,Стрижак

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор M.Керецман

Редактор Т,Иванова

Заказ 1417 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10"

23

24

26

27

28

29

30 31

4

6

8

10 !

12

13

14

180 96

96 120

l8O ! 96 !

26

180 .96

180

l,6

3

1,6

3

1,6

25 .

98!81 1,5

98е1 l,5

98I.1 1,5

98ь1 1,5

98+1 1,5

98н! 5

9821 1 5

9ef I 1,5

982! 1>5

981 1,5

9Ât1 5

98-Н 1, 5

98+! 1, 5

98+1 1,5

98 с! 1, 5

98+1 1, 5

9881 1,5

98ь! 1,5

98 1,5

98?1 1, 5

9881 1 5

98+1 1, 5

98У11 5