Способ деионизации раствора электролита

 

Изобретение относится к электрохимической обработке электролитических жидкостей, в частности к способам их деионизации. Деионизацию раствора электролита осуществляют методом электродиализа с постоянным измерением режимных параметров и корректируют величину приложенного к электродиализатору напряжения по первой производной электрического сопротивления по току, поддерживая ее в диапазоне от минус 0,05 до минус 0,3. Положительный результат заключается в повышении производительности установки и ее надежности. 1 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к электрохимической обработке электролитических жидкостей методом электродиализа, в частности к способам их деионизации.

Известен способ деионизации раствора электролита методом электродиализа, включающий измерение приложенного к электродиализатору напряжения и поддержание его значения постоянным [1] .

Согласно описанному способу деионизацию раствора ведут при постоянном напряжении на электродиализаторе. В циркуляционной обессоливающей установке концентрация раствора в течение цикла деионизации понижается. Величина напряжения заранее ограничивается таким образом, чтобы плотность тока в электродиализаторе к концу цикла не превысила предельно допустимого значения, при котором возникает явление концентрационной поляризации.

Недостаток описанного способа заключается в том, что в большей части цикла обессоливания плотность тока в электродиализаторе значительно ниже допустимого значения, вследствие чего снижается интегральная величина интенсивности процесса обессоливания и возникает необходимость увеличения общей эффективной площади мембран и габаритов электродиализатора.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ деионизации раствора электролита методом электродиализа с ионоселективными мембранами под действием электрического поля постоянного тока, включающий измерение режимных параметров и корректирование величины приложенного к электродиализатору напряжения. В соответствии с известным способом измеряют текущие значения тока в электродиализаторе и удельной электропроводности - солесодержания обрабатываемого раствора и, корректируя напряжение, поддерживают заданную зависимость между текущими значениями тока и солесодержания обрабатываемого раствора, близкую к предельно допустимой [2] .

При деионизации раствора электролита известным способом расчетным путем или экспериментально определяют граничную зависимость между током в электродиализаторе и солесодержанием раствора в электродиализаторе, при котором электродиализатор будет работать в деполяризационном режиме в течение всего цикла обессоливания порции раствора. Затем настраивают систему управления на поддержание путем измерения напряжения на электродиализаторе заданной зависимости тока от текущего значения солесодержания раствора.

К недостаткам этого способа следует отнести его недостаточные надежность и эффективность, обусловленные тем, что деполяризационное ограничение зависит не только от солесодержания обрабатываемого раствора, изменяющегося в течение цикла обессоливания порции раствора, но и от других параметров обессоливаемого раствора, которые могут изменяться в эксплуатационных условиях, например скорости потока раствора в камерах электродиализатора из-за колебаний производительности насоса, температуры и рН обрабатываемого раствора, и др. Изменения деполяризационного ограничения могут привести к тому, что при поддержании жестко заданной зависимости между током и текущим значением солесодержания раствора величина тока может оказаться в ряде случаев не соответствующей предельно допустимому значению.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе деионизации раствора электролита методом электродиализа с ионоселективными мембранами под действием электрического поля постоянного тока, включающем измерение режимных параметров и корректирование величины приложенного к электродиализатору напряжения, измеряют текущие значения тока и напряжения, определяют по ним текущее значение электрического сопротивления электродиализатора, а корректирование напряжения осуществляют по первой производной электрического сопротивления по току и поддерживают ее в диапазоне от минус 0,05 до минус 0,3.

Задачей изобретения является максимально возможное увеличение плотности тока в электродиализаторе в течение всего цикла обессоливания порции раствора при одновременном предотвращении повышения плотности тока выше предельного значения, сопровождающегося возникновением концентрационной поляризации и выпадением на поверхность мембран труднорастворимых осадков.

В результате решения поставленной задачи достигается технический результат, выражающийся в повышении надежности процесса при одновременном повышении производительности установки или уменьшении габаритов электродиализатора. Указанный технический результат достигается только при использовании совокупности существенных признаков заявленного изобретения.

Анализ заявленного и известного решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественных заявленному способу. Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что измеряют текущие значения тока и напряжения, определяют по ним текущее значение электрического сопротивления электродиализатора, а корректирование напряжения осуществляют по первой производной электрического сопротивления по току и поддерживают ее в диапазоне от минус 0,05 до минус 0,3. Таким образом, заявленный способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны способы деионизации раствора электролита методом электродиализа, при которых процесс ведут при стабилизированном значении напряжения, величина которого предотвращает превышение током предельно допустимых значений - деполяризационного ограничения [1] ; обеспечивается поддержание заданной жесткой зависимости напряжения [3] или тока [2] от солесодержания обрабатываемого раствора; поддержание стабилизированного значения напряжения с увеличением к концу цикла обессоливания расхода и, соответственно, скорости протекания раствора в рабочих камерах, вследствие чего повышается деполяризационное ограничение и создается возможность повышения напряжения [4] . В литературе отсутствуют сведения о способе деионизации, идентичном предложенному, и он не следует явным образом из уровня техники. Это позволяет сделать вывод о том, что завяленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение обеспечивает достижение технического результата, может быть реализовано в электродиализных установках для различных отраслей промышленности и обеспечивает возможность его многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

На чертеже изображена принципиальная схема одного из возможных вариантов автоматизированной установки для реализации способа.

Установка содержит электродиализатор 1, камеры обессоливания которого включены в циркуляционный контур установки, преобразователь 2 тока, подключенный своими выходами к электродам электродиализатора 1. В состав установки также входит контур управления, включающий взаимосвязанные амперметр 3, вольтметр 4, блок 5 деления, блок 6 дифференцирования, задатчик 7 и регулятор 8, связанный своим выходом с входом управления преобразователя 2 тока. Амперметр 3 и вольтметр 4 включены в цепь питания электродиализатора 1.

Практически деполяризационное ограничение в каждой квазистационарной точке процесса зависит от физико-химических свойств обессоливаемого раствора и гидродинамических условий в камерах электродиализатора 1 и характеризуется зависимостью приращений электрического сопротивления электродиализатора и тока в нем. Электрическое сопротивление электродиализатора 1 в данном случае определяют как отношение падения напряжения на электродиализаторе и тока в нем, измеренных с помощью вольтметра 4 и амперметра 3. Сигналы этих приборов преобразовывают в блоке 5 деления в сигнал, пропорциональный электрическому сопротивлению электродиализатора. В блоке 6 дифференцирования измеряются сигналы, пропорциональные электрическому сопротивлению и току, поступившие на входы блока, преобразуют вначале в их производные по времени, а затем в сигнал, пропорциональный первой производной электрического сопротивления электродиализатора по току, который подают на вход регулятора 8. В регуляторе 8 поданный на его вход сигнал сравнивают с опорным сигналом задатчика 7, и при их неравенстве вследствие разбаланса измерительной схемы на выходе регулятора 8 формируется сигнал определенной величины. Выходной сигнал регулятора 8 подают на управляющий вход преобразователя 2 тока и вызывают тем самым изменение напряжения на электродиализаторе до тех пор, пока сигнал, пропорциональный первой производной электрического сопротивления электродиализатора по току, не уравняют с сигналом задатчика 7 и не сбалансируют измерительную схему регулятора 8.

В связи с непрерывным изменением солесодержания обрабатываемого раствора и других параметров процесса, влияющих на величину деполяризационного ограничения, описанным образом измеряют текущее значение тока и напряжения, преобразовывают их в сигнал, пропорциональный первой производной электрического сопротивления по току, и воздействуют на величину напряжения на электродиализаторе, поддерживают этот сигнал постоянным при непрерывно изменяющихся параметрах процесса в электродиализаторе. Зависимость электрического сопротивления электродиализатора от тока имеет в каждой квазистационарной точке процесса экстремальный характер с минимумом сопротивления при предельно допустимом значении тока, выше которого возникает явление концентрационной поляризации, характеризуемое резким ростом электрического сопротивления. Поддержание значения первой производной электрического сопротивления по току постоянным в диапазоне от минус 0,05 до минус 0,3 обеспечивает возможность вести процесс обессоливания при максимально возможной плотности тока, не допуская ее увеличения выше границ предельных значений.

П р и м е р. Природную соленую воду с общим солесодержанием 4 г/л по NaCl, водородным показателем рН= 6,8 и температурой 17^оС опресняют в циркуляционной электродиализной установке при скорости потока воды в рабочей камере 0,03 м/с до остаточного солесодержания 0,6 г/л по NaCl. Объем порции воды, подвергаемой опреснению, 0,078 м³. Предельно допустимое значение тока в конце цикла опреснения составило 2А при соответствующем ему напряжении 50 В.

Процесс ведут при стабилизированном значении напряжения (режим 1) и в соответствии с изобретением при различных значениях первой производной электрического сопротивления электродиализатора по току, находящейся за пределами оговоренного в формуле изобретения диапазона (режимы 2 и 6) и в пределах этого диапазона (режимы 3, 4 и 5).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Приведенные в таблице экспериментальные данные показывают, что деионизация в соответствии со способом-изобретением (режимы 3, 4 и 5) приводит к увеличению производительности установки в условиях эксперимента в 2,5. . . 2,85 раза по сравнению с традиционно используемым способом - при стабилизированном значении напряжения (режим 1). На режимах, ведущихся за пределами рекомендованного в формуле изобретения диапазона значений первой производной электрического сопротивления электродиализатора по току, наблюдается резкое снижение производительности установки (режим 2) из-за возникновения явления концентрационной поляризации и из-за резкого понижения текущего значения тока в течение цикла обессоливания (режим 6).

Использование изобретения создает, таким образом, положительный технический результат, заключающийся в повышении производительности электродиализной установки. (56) Seto T. E. A. В журнале "Desalination", 1978, v. 25, No 1, р. 1-7.

Авторское свидетельство СССР N 435194, кл. С 02 F 1/46, 1972.

Заявка Японии N 47-24870, кл. НКИ 13(7)D43, 1972.

Заявка Японии N 51-35472, кл. НКИ 13(7)D43, 1976.

Формула изобретения

СПОСОБ ДЕИОНИЗАЦИИ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА электродиализом с ионоселективными мембранами под действием электрического поля постоянного тока, включающий измерение режимных параметров и корректирование величины приложенного к электродиализатору напряжения, отличающийся тем, что измеряют текущие значения тока и напряжения, определяют по ним текущее значение электрического сопротивления электродиализатора, а корректирование напряжения осуществляют по первой производной электрического сопротивления по току и процесс ведут при ее поддержании в диапазоне от минус 0,05 до минус 0,3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2