Способ определения соленых вод Советский патент 1985 года по МПК B01D13/02 

Од СО 00

со Изобретение относится к технологии опреснерия соленых вод методом электродиализа и может быть использовано, в частности, для опреснения морской воды. Известен способ опреснения соленых вод методом электродиализа, заключающийся в пропускании исходной воды через многокамерный электро диализатор с электродами и чередующимися катионообменными и ионообменными мембранами при прохождении через них постоянного тока. При этом происходит снижение концентрации солей в камерах, ограниченных анионитовь ми мембранами со стороны анода и катионитовыми мембранами со сто роны катода, и повышение концентрации солей в смежных камерах. Обеспе чение необходимой степени опреснения достигают за счет использования прямоточной схемы с рядом последова тельно включенных электродиализаторов и циркуляционной схемы с рециркуляцией через электродиализатор по ции исходной воды. Для предотвращения образования осадков в камерах концентрирования электродиализаторов предусматривают комплекс приемо включающий поддержание скорости опресняемого потока в электродиализат ре на деполяризационном уровне, под кислёние концентрируемого потока и очистку исходной воды от механических примесей, коллоидных частиц и ппанктона ij . Недостатком известного способа опреснения являются сравнительно вы сокие энергозатраты на транспортиро ку жидкости, обусловленные поддержанием скорости опресняемого потока на деполяризационном уровне. Кроме того, необходимость тщательной очис ки исходной воды и подкисления концентрируемого потока значительно ус ложняет конструкцию и эксплуатацию электродиализных установок. Известен способ опреснения срленых вод, используемый в электродиализных опреснителях, предназначенных для опреснения воды на судах без использования подкисления, и заключаницийся в рециркуляции порции исходной воды через электродиализатор с анионообменными и катионообменными мембрана ми в течение времени опреснения до получения необходимой степени опрес нения, отвода порции опресненной воды и подачи новой порции исходной воды pj . В соответствии с этим способом скорость рециркуляции поддерживают на деполяризационном уровне в течение всего цикла опреснения, а исходную воду подвергают тщательной очистке от механических примесей и планктона-с очисткой фильтров через каждые 1-3 дня. Недостатком этого способа являются сравнительно высокие энергозатраты на циркуляцию жидкости и необходимость тщательной очистки исходной воды.Это обусловлено тем, что предотвращение отклонения осадков в камерах концентрирования электродиализатора достигается за счет поддержания деполяризационных условий работы электродиализатора в течение всего цикла опреснения. Это вызывает необходимость поддержания скорости рециркуляции на наиболее высоком уровне, определяемом условиями деполяризационной работы электродиадизатора в конце цикла опреснения, а также требует тщательной очистки исходной воды, так как загрязнение поверхности анионообменных мембран вызывает их поляризацию в конце цикла опреснения. Таким образом, отмеченный недостаток известного способа опреснения соленых вод ухудшает его энергетические характеристики и создает серьезные трудности для использования этого способа при создании компактных автоматизированных опреснителей, предназначенных для длительной автоматической работы без обслуживания, так как требует комплектации этих опреснителей автоматически очищающимися фильтрами, что значи- : тельно усложняет и ухудшает массогабаритные характеристики подобных опреснителей. Целью изобретения является снижение, энергозатрат и упрощение процесса за счет снижения требований к очистке исходной воды; Поставленная цель достигается способом опреснения соленых вод, включающим .циркуляцию воды через электродиализатор с анионообменными и катионообменными мембранами в течение времени опреснения, причем скорость циркуляции поддерживают lia деполяризационном уровне 80.90% времени опреснения, которое не более времени переноса гидроксильных ионов через анионообменные мембраны, определяемого по формуле 5-F-X Тсобг-J где С - время пребывания гидроксил ных ионов в анионообменных мембранах; ос - отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мембране;S - толщина анионообменной мемб раны; г - число Фарадея; X - емкость анионообменной мемб , раны; 1 - средняя плотность тока за время опреснения. Поддержание скорости циркуляции на деполяризационном уровне . в теч ние 80-90% продолжительности процес са опреснения позволяет резко снизить скорость циркуляции и соответс вукмцие энергозатраты, так как скорость циркуляции, обеспечивающая де поляризационный режим работы электродиализатора, резко возрастает к концу процесса опреснения. В то же время ограничение продолжительности процесса опреснения временем пребывания в анионообменных мембранах, переносимых через них гидроксильных ионов, образующихся на катодной сто роне анионообменных к.мбран при их поляризации в конце процесса опреснения/в .течение 10-20% его продолжительности, предотвращает отложение осадков в камерах концентрирования электродиализатора и нарушение технологического процесса, в то числе и при загрязнении мембран, связанном с недостаточной очисткой исходной воды. Это обусловлено тем, что гидроксильные ионы, образующиеся на катодной стороне анионо обменных мембран, в течение поляризационного периода работы элек.родиапизатора, не успевают в течение этого периода проникнуть на аноднзто сторону анионообменных мембран, а накапливаются на их катодной стороне. При последуюп1ем миграционном переносе порции гидроксильных ионов их концентрация снижается по мере 794 продвижения к анодной стороне анионообменных мембран вследствие диффузии. В результате плотность потока гидроксильных ионов на анодной стороне анионообменных мембран оказывается значительно ниже плотности потока этих ионов на катодной стороне тех же мембран в период их поляриза ции, что предотвращает образование осадков. Проведены ресурсные испытания опытного образца электродиализного опреснителя на реальной морской воде. Электродиализный опреснитель включал в себя многокамерный электродиализатор с анионообменными мембранами МА-40 и катионообменными мембранами МК-40, емкости и циркуляционные насосы. Электродиализатор содержал 50 рабочих ячеек (каждая ячейка состояла из двух мембран и двух рабочих рамок прокладочного размером 200 X 450 мм. Расстояние между мембранами 2 мм; основная площадь ячейки 560 см. В качестве сепараторов использовали перфорированный и гофрированныйвинипласт, а в качестве электродов - листы из платинированного титана. Объем циркуляционного контура опресняемой воды составлял 10 л, а скорость циркуляции 600 л/ч, что обеспечивало линейную скорость в камере опреснения электродиапизатора 2,3 см/с. Потеря напора в циркуляционном контуре не превышала I м вод.ст. В процессе непрерывных трехмесячных испытаний на воде с солесодер- жанием 41 г/л, поступившей в опреснитель после грубой очистки от механических примесей, на электродиализаторе, поддерживали напряжение 32-34 В и.контролировали величину тока электродиализатора, его поляризационные характеристики и производительность опреснителя. Общее солесодержание опресненной воды составляло 700-900 мг/л. Опреснитель работал следующим об-. разом. Порции исходной воды многократно рециркулировали в циркуляционных контурах опресняемого и концентрируемого потоков, образрва1:ных соответствующими камерами электродиаЯизатора, емкостями, насосами и трубопроводами. После снижения солесодержания опресняемой воды до 7СО900 мг/л циркуляционные контуры опорожнялись, затем заполнялись новой порцией исходной воды, и цикл опреснения повторялся. В процессе испытаний начальный ток уменьшался с 7,5 до 5,0 А при сохранении величины тока в конце цикла опреснения на уровне 1,0-1,2 А. Соответственно снижалась производительност опреснителя с 7,0 до 5,5 л/ч и сред ний ток электродиализатора с 5,0 до 3,8 А, а также увеличивалась продолжительцрсть процесса опреснения с 57 до75 мин. Ориентировочную величину времени пребывания гидроксильных ионов в анионообменных мембранах определя ли по формуле где f - время пребывания гидроксильных ионов в анионообменных мембранах или время опреснения; ОС - отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мемб ране} 5 - толщина анионообменной мембраны, см; F - число Фарадея; X - емкость анионообменной мембраны, г- экв/см ; 1 - средняя за цикл опреснения плотность тока. А/см . Для мембран МА-40:« - 3, 5 Л 10 с X 3 .экв/см. Расчет времени пребывания гидро сильных ионов в анионообменных мем ранах Дал значение 66,5 мин для на ла испытаний и 95,5 мин в конце ис пытаний. Из представленных данных видно, что продолжительность процесса опреснения (57-75 мин) во время испы таний бьша меньше продолжительност пребьтания гтроксильных ионов в анионообменных мембранах. Контроль поляризационных характеристик элек родиапизатора, который проводили по изменению рН опресняемой воды, показал, что заметная концентрацио ная поляризация в начале испытаний развивалась при концентрации опрес няемой воды ниже 3 г/л, а в конце испытаний ниже 3,5-4 г/л. Величи на рН опресненной воды снижалась по сравнению с исходной на 1,2-1,8 ед. Продолжительность деполяризационной работы электродиализатора составила приблизительно 90% от общей продолжительности процесса опреснения в начале испытаний и снизилась приблизительно до 80% к концу испытаНИИ. Основные данные, характеризующие работу опытного образца электродиализного опреснителя во время ресурсных испытаний, сведены в таблицу, в которой для сравнения представлены также данные, характеризующее прототип. Ревизия опытного образца электродиализного опреснителя, проведенная по окончании его трехмесячной непрерывной работы, показала отсутствие в камерах обессоливания и концентрирования электродиализатора осадков труднорастворимых веществ, за исключением камеры, примь1кающей к катоду. В то же время поверхности мембран и сепараторы были загрязнены примесями, поступавшими с исходной водой. Последующие испытания опытного образца с загрязненными ме1 бранами, в процессе которых продолжительность теполяризационной работы снижалась с 80% в начале испытаний приблизительно до 70% к моменту прекращения испытаний, дали отрицательные результаты из-за образования осадков в электродиализаторе. Это делает рискованным расширение временного интервала в сторону его уменьшения. Расширение временного интервала в сторону увеличения, т.е. увеличение продолжительности деполяризационной работы, требующее увеличения скорости жидкости в ячейках электродиализатора, не может повлиять отрицательно на работосцособность опреснителя, но ухудшает его энергетические характеристики из-за резкого увеличения расхода энергии на циркуляцию жидкости. Полученные результаты свидетельствует о том, что поддержание продолжительности процесса опреснения менее времени пребывания гидроксильных.ионов в анионообменных мембранах обеспечивает длительную работу опреснителя без отложения осадков даже в том случае, когда из-за пониженной скорости ре-

циркуляции и недостаточной очистки исходной воды электродиализатор часть цикла опреснения работает в поляризационном режиме.

Использование предлагаемого способа опреснения соленых вод обеспечивает по сравнению с известными, основанными на поддержании деполяризационных условий работы электродиализатора в течение всего цикла опреснения, возможность уменьшения

скорости циркуляции, что приводит к резкому сокращению энергозатрат на циркуляцию и улучшению массогабаритных характеристик. Кроме того, снижаются требования к очистке исходной воды, что приводит к упрощению конструкции и эксплуатации опреснителей и позволяет создать компактные, длительно работающие без обслуживания, автоматизированные опреснители.

СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ СОЛЕНЫХ ВОД, включающий циркуляцию воды через электродиализатор с анионообмениыми и катионообменными мембранами в течение времени опреснения, о т л и ч а ю и и с я тем, что, с целью снижения энергозатрат и упрощення процесса, скорость циркуляции поддерживают на деполяризацйоином уровие 80-90% времени опреснения, которое не более времени переноса гидроксильных ионов через анионообменные мембраны, определяемого по формуле 5-Р-Х ОМ, ; ,1 время пребывания гидрок- где сильных ионов в анионообменных мембранах; об отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мембране; 5толщина анионообменной мембраны; 1(0 Fчисло Фарадея; Xемкость анионообменной мембраны; 1средняя плотность тока за время опреснения.

Средняя плотность тока, мА/см

Линейная скорость в камерах опреснения, см/с

Продолжительность процесса опреснения, мин

Время пребывания гидроксильных ионов в анионообменных мембранах, мин

Продолжительность работы в деполяризационном режиме, % от общей продолжительности процесса опреснения

Величина снижения рН опресненной воды

Продолжительность работы бе% очистки фильтров исходной воды сут

9,8 - 6,8

25

2,3

10 57 - 75

132 - 378

6,5 - 95,5

26

90 - 80

100 1,2 - 1,8 ,

0,38

90

1 - 3