Электродиализатор с многослойной жидкой мембраной
Владельцы патента RU 2522333:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинская государственная агроинженерная академия" (RU)
Изобретение относится к области получения обессоленной воды и может быть использовано для деминерализации природных и сточных вод методом электродиализа в атомной энергетике, в электронной, медицинской, фармацевтической, химической, пищевой отраслях промышленности. Электродиализатор включает корпус, расположенные в корпусе между электродами анионную и катионную мембраны, которые разделяют корпус на три камеры: анодную, катодную и исходной воды, каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата. Мембраны выполнены из слоев жидкости различной плотности и толщины, причем плотность катионной мембраны больше плотности исходной воды, плотность анионной мембраны меньше плотности исходной воды. Анионная мембрана выполнена из слоев этилового спирта и толуола, а катионная мембрана - из слоев нитробензола и глицерина, номинальная толщина каждого слоя жидкой мембраны составляет 40-45 мм. Технический результат - повышение степени обессоливания воды, снижение трудоемкости обслуживания электродиализатора и повышение надежности его эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области электрохимической технологии обработки воды, получения обессоленной (опресненной) воды и может быть использовано для деминерализации, обессоливания или опреснения природных и сточных вод методом электродиализа в различных отраслях промышленности, например в атомной энергетике, электронной, медицинской, фармацевтической, химической, пищевой.
Известен электродиализатор противоточного типа, включающий электроды, между которыми размещены ионообменные мембраны и прокладки, каналы для подачи исходного раствора и вывода диализата (опресненной воды) и концентрата (концентрированного раствора солей) (SU 1018678 A, МПК B01D 13/02, опубл. 19.02.1982).
Известен электродиализатор для обессоливания воды электродиализом с ионообменными мембранами. Электродиализатор включает электроды, между которыми размещены ионообменные мембраны и прокладки, в противоположных сторонах которых выполнены отверстия, образующие в сборе каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата. При этом в отверстия мембран и прокладок, образующих в сборе каналы для вывода концентрата и диализата, вставлены диэлектрические перфорированные трубки по всей высоте электродиализного пакета в сборе (RU 2225746 C1, МПК B01D 61/50, опубл. 20.03.2004).
Известен электродиализатор, включающий расположенные между электродами ионообменные мембраны и прокладки, имеющие отверстия, образующие в сборе каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата (RU 2201793, МПК B01D 61/46, опубл. 10.04.2003).
Недостатком указанных аналогов является сложность конструкции, трудоемкость обслуживания, недостаточная степень обессоливания воды.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является электродиализатор, описанный в SU 939399, 30.06.1982, включающий корпус и расположенные между электродами ионообменные мембраны.
Недостатком прототипа также является недостаточная степень обессоливания воды, а также сложность его эксплуатации.
Задача заявляемого изобретения заключается в повышении степени обессоливания обработанной воды, а также снижении трудоемкости обслуживания электродиализатора и повышении надежности его эксплуатации. При эксплуатации предлагаемого устройства повышается технологичность обработки воды, так как отпадает необходимость использования катионной и анионной ионообменных смол, и их регенерации.
Технический результат достигается благодаря тому, что заявляемый электродиализатор включает корпус и расположенные между электродами жидкие ионообменные мембраны, но, в отличие от прототипа, анионная и катионная мембраны делят корпус на три камеры: анодную, катодную и исходной воды, анионная мембрана, плотность которой меньше плотности исходной воды, выполнена из слоя этилового спирта и слоя толуола, катионная мембрана, плотность которой больше плотности исходной воды, выполнена из слоя нитробензола и слоя глицерина, при этом слои жидкой мембраны и исходной воды расположены в корпусе друг за другом в следующей последовательности: глицерин, нитробензол, исходная вода, толуол, этиловый спирт, электродиализатор содержит каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата.
Кроме того, толщина каждого слоя мембраны составляет 40-45 мм при средней концентрации солей в исходной воде 20-30 мг/л.
Процесс обессоливания воды происходит следующим образом. Если камеру исходной воды корпуса электродиализатора заполнить водным раствором соли NaCl, которая является электролитом и диссоциирует на ионы при пропускании через нее электрического тока, то молекулы соли будут диссоциировать на положительно заряженные ионы Na+1 и отрицательно заряженные ионы Сl-1.
При пропускании постоянного электрического тока через данный раствор катионы, то есть положительно заряженные ионы Na+1, будут двигаться к катоду, а анионы, то есть отрицательно заряженные ионы Cl-1, - к аноду. При электролизе водных растворов, кроме ионов солей, в результате диссоциации воды образуются ионы водорода и гидроксид-ионы (OH). Образующиеся ионы солей и воды движутся к соответствующим электродам. К катоду подходят катионы солей и водорода, а к аноду - анионы солей и гидроксид-ионы.
На чертеже приведено схематичное изображение электродиализатора с многослойной жидкой мембраной.
Электродиализатор содержит корпус 1, катод 2, анод 3, анионную мембрану 4, которая выполнена из слоев этилового спирта №1 и толуола №2, катионную мембрану 5, которая выполнена из слоев нитробензола №4 и глицерина №5, канал подачи исходной воды 6, канал отвода диализата 7, канал отвода концентрата от анионной камеры 8, канал отвода концентрата от катионной камеры 9, анионную камеру 10, катионную камеру 11, емкости с соответствующими жидкими материалами слоев мембран 12, трубопроводы 13, насосы 14. Слой очищаемой воды №3 в корпусе через канал подвода исходной воды 6 соединен с входным резервуаром (не показан), а через канал отвода диализата 7 соединен с выходным резервуаром (не показан).
Очистка воды в электродиализаторе происходит следующим образом.
В корпус 1 последовательно друг за другом заливаются слои жидкой многослойной мембраны и очищаемой воды: глицерина, нитробензола, очищаемой воды, толуола, этилового спирта, при заливке номинальная толщина слоев мембраны (каждого слоя в отдельности) составляет 40-45 мм. Так как плотности слоев анионной, катионной мембран и исходной воды различны, то они не перемешиваются между собой.
При средней концентрации солей в обрабатываемой воде, составляющей 20-30 мг/л, номинальная толщина слоев мембраны (каждого слоя) составляет 40-45 мм.
При концентрации солей в обрабатываемой воде меньше и больше номинальной эффективность процесса обессоливания резко снижается.
При концентрации солей в обрабатываемой воде больше средней необходимо увеличить толщину всех слоев жидкой мембраны пропорционально их концентрации в водном растворе примерно на 10-15%.
При концентрации солей в обрабатываемой воде меньше средней необходимо уменьшить толщину всех слоев жидкой мембраны пропорционально их концентрации в водном растворе примерно на 10-15%.
Под воздействием постоянного электрического тока катионы, содержащиеся в камере исходной воды, двигаются к отрицательно заряженному катоду, диффундируют через катионную мембрану и попадают в камеру 11, а анионы, двигаясь в направлении к положительно заряженному аноду, диффундируют через анионную мембрану и попадают в камеру 10.
Концентрат из камеры 10 корпуса удаляют через канал отвода концентрата 8, а из камеры 11 - через канал отвода 9.
Обессоленная вода (диализат) выводится из корпуса через канал отвода диализата 7.
Изменение толщины слоев многослойной жидкой мембраны достигается при работе насосов 14.
Например, при необходимости уменьшения толщины первого слоя (№1) мембраны включается первый циркуляционный насос 14, который перекачивает жидкость мембраны по трубопроводу 13 из корпуса 1 в одну из емкостей 12. Аналогично уменьшается толщина остальных слоев мембраны.
При необходимости увеличения толщины первого слоя мембраны включается второй циркуляционный насос 14, который перекачивает жидкость мембраны по трубопроводу 13 из емкости 12 в корпус 1. Аналогично увеличивается толщина остальных слоев мембраны.
На своем пути к катоду (см. чертеж), содержащиеся в камере очищаемой воды катионы, то есть положительно заряженные ионы Na, проникают через слои катионной мембраны нитробензола и глицерина, которые расположены ниже слоя обрабатываемой воды.
На пути к аноду, содержащиеся в камере очищаемой воды анионы, то есть отрицательно заряженные ионы Cl, проникают через слои анионной мембраны из толуола, этилового спирта, которые расположены выше слоя обрабатываемой воды.
Проходя через слои многослойной жидкой мембран, катионы и анионы образуют треки, которые в результате разной сжимаемости слоев жидкой мембраны и обрабатываемой воды (см. табл.) закрываются. Таким образом, гарантируется невозможность обратного прохода катионов и анионов в слой очищаемой воды и обеспечивается ее надежная и качественная очистка.
Под треками понимается явление возникновения сквозных каналов правильной формы вдоль траектории движения ионов (Дытнерский Ю.И. Изучение пористых структур мембран. Коллоидный журнал. - 1982. - Т.44. №6. - С.1160-1167).
Сжимаемость слоев анионной мембраны из толуола и этилового спирта, расположенных выше слоя обрабатываемой воды, больше, чем сжимаемость воды.
В свою очередь, сжимаемость слоев катионной мембраны из нитробензола и глицерина, расположенных ниже слоя обрабатываемой воды, также больше, чем сжимаемость воды. Сжимаемость слоев жидкости и обрабатываемой воды представлена в таблице.
| Изменение плотности и сжимаемости слоев жидкости по толщине мембраны при температуре 20°C, атмосферном давлении 1×105 Па | |||
| № слоя по толщине мембраны | Наименование слоев жидкости | Плотность ×10+3 | Сжимаемость ×10-9 |
| - | кГ/м3 | м2/Н | |
| 1 | этиловый спирт | 0,79 | 1,17 |
| 2 | толуол | 0,8 | 0,81 |
| 3 | обрабатываемая вода | 1 | 0,47 |
| 4 | нитробензол | 1,2 | 0,97 |
| 5 | глицерин | 1,26 | 0,51 |
Из табл. следует, что сжимаемость слоев жидкой мембраны различна: для этилового спирта сжимаемость составляет 1,17 м2/Н, для толуола - 0,81 м2/Н, для нитробензола - 0,97 м2/Н, для глицерина - 0,51 м2/H.
При прохождении через слои этилового спирта, толуола, нитробензола глицерина, имеющие разную сжимаемость, ионы солей попадают в камеры 10 (фиг.) и 11 корпуса и не могут вернуться назад в слой обрабатываемой воды ввиду различной сжимаемости жидких слоев мембраны и исчезновения треков.
Снижение трудоемкости обслуживания заявляемого электродиализатора и повышение его надежности достигается тем, что при эксплуатации устройства отпадает необходимость использования сложных по составу и химическим свойствам катионообменной и анионообменной смол для поддержания в рабочем состоянии мембран, применяемых в настоящее время в электродиализаторах и необходимых для их регенерации.
При использовании электродиализатора для доочистки питьевой воды степень обессоливания составляет 98-99%.
1. Электродиализатор, включающий корпус и расположенные между электродами жидкие ионообменные мембраны, отличающийся тем, что анионная и катионная мембраны делят корпус на три камеры: анодную, катодную и исходной воды, анионная мембрана, плотность которой меньше плотности исходной воды, выполнена из слоя этилового спирта и слоя толуола, катионная мембрана, плотность которой больше плотности исходной воды, выполнена из слоя нитробензола и слоя глицерина, при этом слои жидкой мембраны и исходной воды расположены в корпусе друг за другом в следующей последовательности: глицерин, нитробензол, исходная вода, толуол, этиловый спирт, электродиализатор содержит каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата.
2. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что при средней концентрации солей в исходной воде 20-30 мг/л толщина каждого слоя мембраны составляет 40-45 мм.
