Электродиализатор

 

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов с ионоселективными мембранами. Электродиализатор содержит электродные камеры, чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны, образующие камеры концентрирования и обессоливания, с устройствами ввода и вывода раствора. На ионообменных мембранах сформированы гидравлически проницаемые полосы в виде точечных выступов над поверхностью или в глубь поверхности мембран, ориентированные перпендикулярно устройству ввода и вывода раствора, чередующиеся с полосами, свободными от выступов; ширина полос, свободных от выступов, не превышает величину 10⁶·V·h² (м), где V - средняя линейная скорость потока раствора; h - расстояние между мембранами, а ширина полос, содержащих выступы, определяется условиями где локальные плотности потоков ионов Н⁺ и ОН^-, генерированных на свободных от выступов поверхностях анионообменных и катионообменных мембран, свободных от выступов. 3 табл., 3 ил.

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов с ионоселективными мембранами, более конкретно к электродиализным аппаратам, предназначенным для глубокой деминерализации воды до уровня деионизованной.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и назначению является электродиализатор, состоящий из чередующихся ионообменных мембран, снабженных ребрами. Ребра в поперечном сечении имеют форму равностороннего треугольника или круга и расположены вплотную друг к другу, вследствие этого рабочая площадь мембраны возрастает в 2-2,5 раза без увеличения его габаритных размеров.

Недостатком данной конструкции является низкая производительность электродиализатора при получении деионизованной воды, поскольку течение раствора в камерах обессоливания носит ламинарный характер, а устройство камер не позволяет сбалансировать потоки ионов Н⁺ и ОН^-, генерируемых на поверхности мембран при электродиализе глубокоразбавленных растворов, а также допускает проникновение продуктов диссоциации воды от одной мембраны к другой, вызывая подавление массопереноса электролита (эффект, получивший в литературе название эффект депрессии предельного тока).

Целью изобретения является повышение производительности электродиализатора при сохранении простоты его конструкции и сборки.

Цель достигается тем, что в электродиализаторе, содержащем электродные камеры, чередующиеся катионообменные и анионообменные мембраны, образующие камеры концентрирования и обессоливания с устройствами ввода и вывода раствора, на ионообменных мембранах сформированы гидравлически проницаемые полосы в виде точечных выступов над поверхностью или вглубь поверхности мембраны, ориентированных перпендикулярно устройству ввода и вывода раствора, чередующиеся с полосами, свободными от выступов. Ширина полос, свободных от выступов, не превышает величину 10⁶V˙h², где V средняя линейная скорость потока в камере обессоливания; h расстояние между мембранами. Ширина полос, содержащих выступы, определяется условием j_H+S_A=J_OH-S_K,где j_H+иJ_OH-- локальные плотности потоков ионов Н⁺ и ОН^-, генерированных на свободных от выступов поверхностях анионообменных и катионообменных мембран; S_A и S_K площади анионообменных и катионообменных мембран, свободных от выступов.

На фиг.1 изображена мембрана 1 с полосами 2 в виде точечных выступов 3, чередующихся с полосами 4, свободными от выступов 3; на фиг.2 камера обессоливания, включающая мембрану 5 с более низкой каталитической активностью, мембрану 1 с большей каталитической активностью, на которой сформированы гидравлически проницаемые полосы 2 в виде точечных выступов 3 (разрез); на фиг. 3 график зависимости превышения максимального удельного солесъема хлорида натрия Q_max (производительность аппарата) над удельным солесъемом Q_пр, обеспечиваемым электродиффузионым массопереносом, от длины L пустого канала камеры обессоливания.

Чередование на поверхности мембраны 1 полос 2, содержащих выступы 3, и полос 4, свободных от выступов, обеспечивает условия, не допускающие проникновения продуктов диссоциации воды от одной мембраны к другой.

Ширина полос 2 с выступами 3 и ширина полос 4 без выступов обоснована экспериментальным путем. Исследования, проведенные в электродиализаторах с гладкими пустыми каналами обессоливания, образованными мембранами МК-40, МА-40 при исходном солесодержании хлорида натрия 300 мг/л (pH 6,6), с межмембранным расстоянием в камерах обессоливания h=0,8 мм, среднeй линейной скоростью потока V=1,2 см/с, падением напряжения на каждую парную камеру Δϕ3,5 В, показали, что дополнительное приращение производительности аппаратов, выражающееся в превышении максимального удельного солесъема Q_max над удельным солесъемом Q_пр, обеспечиваемым электродиффузионным массопереносом, падает с увеличением длины L пустого гладкого канала (фиг.1). Обнаружено, что при L<Vh/U_H+_(OH- величина Q_max/Q_пр не падает, а при L>Vh²/U_H+_(OH- Q_max/Q_пр резко снижается вследствие проникновения продуктов диссоциации воды, генерированных на мембране с более высокой каталитической активностью, к противоположной мембране.

Величина L= Vh²/U_H+_(OH- определяющая длину пути проходимого порцией раствора в камере обессоливания, в то время как продукты диссоциации воды мигрируют от одной мембраны к другой, принята за максимальную ширину полосы 4 без выступов.

Полученную формулу L≅Vh²/U_H+_(OH- можно упростить, подставив в нее максимальные значения величин U_H+_(OH-_)иΔϕ В соответствии со справочными данными U_H⁺= 32,4˙10^-8 м²/B˙с; U_OH^-=17,8˙10^-8 м²/В˙с. Падение напряжения на парной камере в электродиализных аппаратах не превышает 5 В, так как в противном случае резко возрастают утечки тока. При этом падение напряжения между мембранами в камере обессоливания равняется примерно 3 В. Таким образом L≅Vh²/U_H+_OH-_)Δ=Vh²/3,24˙10^-8˙3=Vh²/(97˙10^-8[м²/c])=Vh²˙10⁶[м] Известно, что интенсивность диссоциации воды вблизи межфазной границы мембрана/раствор зависит от значений локальной плотности тока. Перераспределение значений локальной плотности тока можно вызвать формированием выступов над поверхностью или вглубь поверхности мембраны. Если площадь боковой поверхности выступа в несколько раз превышает площадь его основания, то локальная плотность тока на поверхности выступа будет много меньше локальной плотности тока на поверхности мембраны 2, свободной от выступов. Таким образом чередуя полосы 4, свободные от выступов (с избытком Н⁺ ионов), и полосы 2, содержащие выступы 3 (с избытком ОН^- ионов), и подобрав соотношение их ширины, можно получить нейтральный раствор и не допустить проникновения продуктов диссоциации воды от одной мембраны к другой.

Площадь поверхности мембраны без выступов определяется по площади всей мембраны за вычетом площади оснований всех выступов 3. Долю поверхности мембраны без выступов можно найти из условия равенства интегральных потоков ионов Н⁺(j_H⁺) и OH^-(j_OH^-), генерируемых соответственно на поверхности анионо- и катионообменных мембран.

Учитывая, что скорость диссоциации воды резко падает со снижением плотности тока, можно пренебречь генерацией Н⁺ и ОН^- ионов на поверхности выступов 3. Тогда условие можно записать в виде j_H+=j,(1) где j_H+иj_OH- локальные плотности потоков ионов Н⁺ и ОН^-, генерируемых соответственно на поверхностях анионообменной мембраны площадью S_A и катионообменной мембраны площадью S_K, свободных от выступов.

Если сформировать выступы на поверхности только той мембраны, у которой диссоциация воды протекает более интенсивно, например, только на анионообменной мембране, то доля поверхности мембраны без выступов определится из (1) как α=S_A/S_K=j_OH-/j_H+(2) Отношение j_OH^-/j_H⁺ можно определить в отдельном эксперименте с каналом, образованным анионо- и катионообменными мембранами с гладкими поверхностями, или рассчитать теоретически. В табл.1 показаны результаты такого эксперимента.

Полученные данные показывают, что максимальной ширине L полосы мембраны 2 без выступов 3, определенной по фиг.1 и равной 7 мм, соответствует α= 0,80± 0,01. Так как поток Н⁺ ионов j_H^+A, генерируемых анионообменной мембраной, выше потока ОН^- ионов j_OH^-K, генерируемых катионообменной мембраной, необходимо сформировать полосы из выступов на анионообменной мембране.

Выбор ширины полос 2 с выступами 3, предназначенных для нейтрализации продуктов диссоциации воды, образовавшихся на пустом участке камеры обессоливания, осуществлен в электродиализаторах с изменяющимся отношением ширины полос 2 с выступами и полос 4, свободных от выступов.

Камеры обессоливания и концентрирования электродиализатора образованы мембранами МК-40, МА-40, причем поверхность анионообменной мембраны с выступами обращена в камеру обессоливания. Величина α варьируется количеством рядов выступов 3.

Средняя скорость потока в камерах обессоливания во всех случаях составляет V= 1,2 см/с, межмембранное расстояние h=0,8 мм. Модельные растворы содержат 300 мг/л хлорида натрия при pH 7,0. Процесс электродиализа ведут в прямоточном режиме.

Полученные результаты приведены в табл.2, где представлены данные по электродиализным аппаратам с различной шириной полос 2 с выступами 3 и полос 4 свободных от них.

Из полученных данных видно, что при значениях α меньших найденного из предварительной серии экспериментов значения α0,8± 0,01, имеет место превышение нейтральных значений pH получаемой воды (эксперимент N 3 pH 7,45; N 6 pH 7,61; N 9 pH 7,71; N 12 pH 7,68), и наоборот pH понижается, если α превышает значения 0,80 ± 0,1 (эксперимент N 1 pH 6,21; N 4 pH 6,52; N 7 pH 6,47; N 10 pH 6,35). Наиболее близкое соответствие pH нейтральному значению (около 7) обеспечивается при α0,80±0,01 (эксперимент N 2 pH 6,81; N 5 pH 6,95; N 8 pH 7,10; N 11 pH 7,08). Наибольшая производительность для каждой из трех систем достигается при значениях pH, близких к нейтральному (эксперимент N 2 Q= 7,5˙10^-5 моль/м²˙с; N 5 Q=7,5˙10^-5 моль/м²˙с; N8 Q= 4,7˙10^-5 моль/м²˙с; N11 Q=3,6˙10^-5 моль/м²˙с) в системах I, II, когда L≅10⁶ Vh², производительность предлагаемого аппарата выше производительности прототипа, а в системе III при L>10⁶ Vh² наблюдается резкое снижение производительности предлагаемого аппарата, и эта производительность (Q=(3,6 и 4,7)˙10^-5 моль/м².с) ниже производительности прототипа (Q=4,8˙10^-5 моль/м²˙с).

Аналогичный эффект может быть достигнут, если точечные выступы над поверхностью мембраны заменить выступами вглубь мембраны при сохранении условий, оговоренных в формуле изобретения. И в этом случае эффект перераспределения локальной плотности тока приводит к повышению производительности предлагаемого аппарата. Причина повышения производительности предлагаемого аппарата связана с созданием условий для наиболее полной реализации положительного воздействия сопряженных эффектов концентрационной поляризации на массоперенос, а также созданием лучших, чем в прототипе, гидродинамических условий, сокращением площади гетерополярных границ ионообменных материалов и периодической коррекцией pH рабочего раствора в направлении, перпендикулярном устройствам ввода и вывода.

П р и м е р. Электродиализатор предложенной конструкции состоял из чередующихся катионообменных мембран 5 МК-40 и анионообменных мембран 1 МА-40, образующих камеры обессоливания и концентрирования. Межмембранное расстояние в камерах обессоливания составляет 0,8 мм, в камерах концентрирования 0,5 мм. Полезная площадь каждой камеры 4 дм² (10х40 см²). Выступы на поверхности анионообменной мембраны обращены в камеру обессоливания, причем полосы 4 без выступов чередуются с полосами 2, содержащими выступы 3, и ориентированы стороной, равной 10 см перпендикулярно устройству ввода и вывода. Ширина полос 2 с выступами 3 равняется 0,8 см. Ширина полос 4 без выступов равняется 0,7 см. Диаметр оснований выступа равен 0,8 мм, расстояние между вершинами выступов в одном ряду равно 1,4 мм, а между соседними рядами 1 мм.

Раствор хлорида натрия с исходной минерализацией 300 мг/л подают в камеры обессоливания электродиализатора с линейной скоростью 1,2 см/с. В соответствии с вышеприведенными формулами, этой скорости (V=1,2 см/с) и межмембранному расстоянию (h=0,8 см/c) при подвижности U_H⁺=34,8˙10^-8 м²/с.В отвечает максимальная протяженность пустого участка L=8 мм, т.е. примененная ширина полосы 4 без выступов не превышает максимально допустимую.

Перед началом эксперимента ионообменные материалы в аппаратах приводились в равновесие с раствором исходной концентрации. Измерения электропроводности и pH осуществлялись при 25^оС. Данные эксперимента в сравнении с известной конструкцией приведены в табл.3.

Полученные данные показывают, что во всем исследованном диапазоне рабочих плотностей тока предложенный аппарат обеспечивает более высокую (в 1,4-1,7 раз), по сравнению с прототипом, производительность процесса и лучшее качество обессоленной воды. Так, например, при i=8,8 А/м² pH обессоленного раствора, полученного в предложенном аппарате, равно 6,95, а в прототипе 3,9, концентрация хлорида натрия в обессоленном растворе равна 1,74 моль/м³ и 2,27 моль/м³ соответственно, выход по току 0,80 и 0,46 соответственно, производительность 7,30 и 4,22 соответственно. Т.о. использование заявляемого изобретения позволяет повысить производительность электродиализных установок при одновременном улучшении качества получаемого продукта.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОР, включающий электродные камеры, чередующиеся анионообменные и катионообменные мембраны с различной каталитической активностью ионогенных групп по отношению к реакции дисооциации воды, образующие камеры концентрирования и обессоливания с устройствами ввода и вывода раствора, отличающийся тем, что мембраны с большей каталитической активностью ионогенных групп по отношению к реакции диссоциации воды снабжен полосами в виде точечных выступов, размещенных перпендикулярно к устройству ввода и вывода раствора, при этом ширина полос без выступов не превышает величину
10⁶ · v · h², м,
где v средняя линейная скорость потока раствора;
h расстояние между мембранами,
а ширина полос с выступами определяется условием
I_H+· S_A=I_OH- · S_K,
где I_H+, I_OH- плотность потоков H⁺ и OH^-, генерированных на поверхности мембран без выступов;
S_А, S_К площади мембран без выступов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5