Способ обессоливания воды в электродиализаторе

 

Изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической, молочной отраслях промышленности, в водоподготовке для получения питьевой воды. Предложен способ обессоливания воды в электродиализаторе с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, образующими камеры концентрирования и обессоливания, с периодическим изменением направления движения электрического тока и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования, в котором в процессе обессоливания используют две пары электродов, работающих попеременно для изменения направления движения электрического тока, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону фильтр-прессного пакета, аноды выполнены из пленкообразующего металла с покрытием из оксидов металлов, а катоды - из некорродирующего металла. Способ обеспечивает возможность достижения высоких плотностей тока, что повышает степень обессоливания и производительность процесса. 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической, молочной отраслях промышленности, преимущественно в водоподготовке для получения питьевой воды.

Известен способ очистки водных растворов электродиализом в электродиализаторе с использованием химически стойких электродов из платинированного титана (Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. - М.: Стройиздат, 1986, с.110).

Однако дефицитность платины препятствуют широкому распространению этих электродов.

Известен способ очистки водного раствора сульфата цинка методом электродиализа с использованием графитовых анода и катода (патент СССР №1837950, кл. В 01 D 61/44, 1993).

Данные электроды сравнительно быстро выходят из строя, особенно в присутствии органических веществ, обладают невысокой электропроводностью, разрушаются при работе с высокими плотностями тока.

Наиболее близким по технической сущности является способ обессоливания воды в электродиализаторе с периодическим изменением полярности электродов и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования (авторское свидетельство СССР №982712, кл. В 01 D 13/02, 1982).

Изменение полярности электродов по существу означает изменение направления движения электрического тока. Известный способ осуществляется с использованием графитовых электродов.

Данные электроды сравнительно быстро выходят из строя, особенно при опреснении соленой воды, при этом невозможно повышение плотности тока, что, в свою очередь, не обеспечивает высокой степени обессоливания и, как следствие, производительность процесса очень низкая.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности достижения высоких плотностей тока, что позволяет повысить степень обессоливания и увеличить производительность процесса.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе обессоливания воды в электродиализаторе с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, образующими камеры концентрирования и обессоливания, с периодическим изменением направления движения электрического тока и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования, используют две пары электродов, работающих попеременно для изменения направления движения электрического тока, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону фильтр-прессного пакета. Аноды выполнены из пленкообразующего металла с покрытием из оксидов металлов, а катоды - из некорродирующего металла.

При этом используют анод, выполненный из титана или тантала, в качестве покрытия анодов используют оксид рутения, оксид кобальта или диоксид марганца, причем используют катод, выполненный из нержавеющей стали или меди.

Кроме того, электроды обеих пар могут быть выполнены из одинаковых или разных материалов, аноды - из одинаковых или разных пленкообразующих металлов, а покрытие анодов - из одинаковых или разных оксидов металлов.

В качестве пленкообразующего металла предпочтительно использовать титан или тантал из-за их высокой химической стойкости, а в качестве покрытия применять оксиды металлов, стойких при электролизе, таких как марганец, кобальт, рутений.

Выбор оксида металла, наносимого на пленкообразующую основу, зависит от экономических соображений и состава воды, поступающей на обессоливание, например, в случае очистки хлоридных растворов преимущество выполняют покрытия из оксида рутения, поскольку получаемые при этом электроды ОРТА обеспечивают наклон поляризационных кривых, равный 40-45 мВ. На аноде преимущественно при этом выделяется хлор и данные электроды мало чувствительны к присутствию в воде органических соединений.

Аноды с покрытием из оксида кобальта ОКТА более экономичны, но и более чувствительны к примесям.

Аноды с покрытием из диоксида марганца рекомендуется использовать для очистки сульфатных и фосфатных растворов.

В качестве катодов можно использовать некорродирующий металл, поскольку в процессе электродиализа металл находится под катодной защитой.

Предпочтительно для катодов использовать нержавеющую сталь или медь, как наиболее доступные и легкообрабатываемые металлы.

При осуществлении процесса электроды обеих пар могут быть из одинаковых или разных материалов, например, оба анода могут быть из титана или один из титана, а другой из тантала. Можно также использовать одинаковые покрытия электродов, например из оксида кобальта или оксида рутения.

Аналогично катоды обеих пар могут быть выполнены из одного материала, например из нержавеющей стали, или из разных, например нержавеющей стали и меди.

Сущность способа поясняется чертежом, на котором схематично показан электродиализатор.

Электродиализатор содержит первую пару электродов 1 и 2, вторую пару электродов 3 и 4, катионообменную 5 и анионообменную 6 мембраны, рабочую рамку 7, камеры 8 и 13, отверстия 9-12 для ввода соленой воды и вывода дилюата и рассола.

Электроды 1 и 2, а также 3 и 4 служат для попеременного подведения постоянного электрического тока к электродиализатору, причем электрод 1 является анодом, 2 - катодом, 3 - катодом, 4 - анодом. Аноды 1 и 4 выполнены из титана с покрытием из оксида рутения, а катоды 2 и 3 - из меди.

Способ обессоливания воды проводится в электродиализаторе, который работает в режиме синхронного реверса гидродинамических потоков и электрического тока. Реверсирование тока электродиализатора (периодическая смена полярности на электродах) связано с одновременным переключением линий обессоливания и концентрирования, причем переключение осуществляется через определенные промежутки времени, например, через 15 минут.

В течение первого цикла исходная вода через отверстия 9 и 10 подается в рабочие камеры, образованные мембранами 5 и 6 и рабочей рамкой 7. Под действием статического поля, создаваемого электродами 1 и 2, катионы и анионы мигрируют к поверхности анионоселективной 6 и катионоселективной 5 мембран. Вода, постепенно очищаясь, последовательно проходит через ряд аналогичных рабочих камер. С помощью отверстия 11 для вывода дилюата из прианодной камеры 8 (камеры обессоливания) и отверстия 12 для вывода рассола из прикатодной камеры 13 (камеры концентрирования) очищенная вода выводится из аппарата.

Для предотвращения отложения солей на мембранах 5 и 6 через определенный промежуток времени электроды 1 и 2 отключаются, одновременно прекращается подача соленой воды в электродиализатор. При этом нерастворимые соли и микропримеси вымываются из мембран 5 и 6.

После переключения электрического тока на электроды 3 и 4 в течение второго цикла соленая вода подается через отверстия 11 и 12. Деминерализация дилюата и концентрирование рассола происходит за счет миграции разноименных ионов солей через ионоселективные мембраны 5 и 6, рассол выводится через отверстие 9 из прикатодной камеры 8 (камеры концентрирования), а дилюат - через отверстие 10 из прианодной камеры 13 (камеры обессоливания).

Через 15 минут работы электродиализатора опять осуществляют реверс электрического тока, повторяя первый цикл. Затем через 15 минут повторяется второй цикл.

Цикличность процесса обеспечивает долговременную работу мембран, в то же время использование двух пар электродов позволяет практически не ограничивать напряжение и ток, при котором проводится процесс.

Синхронное изменение направления электрического тока и гидравлических потоков способствует значительному удлинению срока службы мембран за счет предотвращения отложения в порах сульфата кальция.

Пример 1 (прототип)

Раствор обессоливают в стандартной электродиализной установке с перфорированными графитовыми электродами. Площадь электродов 0,03 м². Напряжение на аппарате 170 В. Начальная плотность тока на электродах 233 А/м². Реверс направления движения тока и гидравлических потоков осуществляют каждые 15 мин. Производительность аппарата 30 л/ч. Конечное солесодержание дилюата 3,2 г/л. Объем пропущенного раствора 150 л в течение 5 ч.

Пример 2 (по предлагаемому способу)

Раствор, содержащий 28,0 г/л соли по NaCl, обессоливают в электродиализаторе, используя две пары электродов, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону камеры электродиализатора, а анод выполнен из титана толщиной 2 мм с покрытием из оксида рутения ОРТА, а катод - из нержавеющей стали. Площадь анодов и катодов 0,03 ². Напряжение на аппарате 300 В. Начальная плотность тока на электродах 900 А/м². Производительность аппарата 30 л/ч. Рабочая поверхность ионообменных мембран 0,07 м².

Количество мембранных пар в пакете 100 штук. Реверс направления движения тока и электрических потоков осуществляют каждые 15 мин. Конечное солесодержание дилюата 0,52 г/л.

Пример 3

Аналогично примеру 2, только с использованием анода из тантала. Конечное солесодержание дилюата 0,65 г/л.

Пример 4

Аналогично примеру 2, только с использованием анодов с покрытием из оксида кобальта (ОКТА). Конечное солесодержание дилюата 0,55 г/л.

Пример 5

Аналогично примеру 2, только с использованием анодов с покрытием из диоксида марганца. Конечное солесодержание дилюата 0,52 г/л.

Пример 6

Аналогично примеру 2, только с использованием катода из меди. Конечное солесодержание дилюата 0,50 г/л.

Пример 7

Аналогично примеру 2, только с использованием одного анода из титана с покрытием из оксида рутения, а другого анода - из тантала с покрытием из оксида рутения. Конечное солесодержание дилюата 0,54 г/л.

Пример 8

Аналогично примеру 2, только с использованием одного анода из титана с покрытием из оксида рутения (ОРТА), а другого - из титана с покрытием из оксида кобальта (ОКТА). Конечное солесодержание дилюата 0,55 г/л.

Пример 9

Аналогично примеру 2, только с использованием одного катода из нержавеющей стали, а второго - из меди. Конечное солесодержание дилюата 0,54 г/л.

Контроль процесса обессоливания в электродиализаторе осуществляют химическим анализом дилюата и рассола, а также замером электрических параметров тока и расходов воды.

Результаты опытов представлены в таблице.

В другой серии опытов сохранялось конечное солесодержание 3,2 г/л, а изменялся объем раствора, подвергаемый обессоливанию, пропускаемый в течение 5 часов.

Пример 10

Аналогично примеру 3, только отличается тем, что производительность аппарата по обессоленному раствору составила 52 л/ч и увеличилась в сравнении с прототипом на 73,33%. Объем пропущенного раствора составил 260 л.

Пример 11

Аналогично примеру 4, только отличается тем, что объем пропущенного раствора составил 240 л, а производительность аппарата по обессоленному раствору составила 48 л/ч и увеличилась в сравнении с прототипом на 60,0%.

Пример 12

Аналогично примеру 5, только отличается тем, что производительность аппарата по обессоленному раствору составила 50,5 л/ч и увеличилась в сравнении с прототипом на 68,33°. Объем пропущенного раствора 253 л.

Пример 13

Аналогично примеру 6, только отличается тем, что производительность аппарата по обессоленному раствору составила 53 л/ч и увеличилась в сравнении с прототипом на 76,66%. Объем пропущенного раствора 265 л.

Из приведенных данных следует, что при проведении процесса обессоливания при высоких плотностях тока с использованием двух пар электродов степень обессоливания одинаковых объемов воды возрастает с 88,57 до 97,68 - 98,21%. При сохранении в опытах одинакового конечного солесодержания - 3,2 г/л - при осуществлении предложенного способа производительность процесса увеличивается на 60,0 - 76,66%.

Формула изобретения

1. Способ обессоливания воды в электродиализаторе с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, образующими камеры концентрирования и обессоливания, с периодическим изменением направления движения электрического тока и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования, отличающийся тем, что в процессе обессоливания используют две пары электродов, работающих попеременно для изменения направления движения электрического тока, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону фильтр-прессного пакета, аноды выполнены из пленкообразующего металла с покрытием из оксидов металлов, а катоды - из некорродирующего металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе обессоливания используют анод, выполненный из титана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе обессоливания используют анод, выполненный из тантала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве покрытия анодов используют оксид рутения.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве покрытия анодов используют оксид кобальта.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве покрытия анодов используют диоксид марганца.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе обессоливания используют катод, выполненный из нержавеющей стали.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе обессоливания используют катод, выполненный из меди.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды обеих пар выполнены из одинаковых материалов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды обеих пар выполнены из разных материалов.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены из одинаковых пленкообразующих металлов.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены из разных пленкообразующих металлов.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие анодов выполнено из одинаковых оксидов металлов.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие анодов выполнено из разных оксидов металлов.

РИСУНКИ

Рисунок 1