Способ снижения солесодержания водных растворов и мембранный аппарат для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B01D61/44 

Изобретение относится к обессолива- нию воды в электродиализных аппаратах и может быть использовано в водоподготов- ке для химической, радиоэлектронной, медицинской и коммунальной отраслей водопотребления.

Целью изобретения является повышение производительности и снижение энергозатрат за счет уменьшения осадка-образования на мембранах.

На чертеже изображена принципиальная схема электродиализатора.

Способ осуществляется в электродиализном аппарате, имеющем анод, катод, анионо- и катионообменные мембраны, образующие камеры анодную, катодную, ди- люатные, концентрирования, работающую в электроосмотическом режиме. Исходный раствор одним потоком поступает в анодную камеру алектродизлизатора. где под действием постоянного электрического тока, за счет анодного окисления на электроде происходит синтез протонов и соответственно подкисление исходного раствора. Затем поток последовательно протекает через дилюатные камеры, где идет обессоливание раствора за счет направления диффузии катионов через катионообмен- ную мембрану и анионов через анионооб- менную мембрану в камеру концентрирования, в результате чего происходит разделение водной системы на рассол и обессоленную воду. Полученный в результате электродиализа и электроосмоса рассол выводится из камеры концентри- рования аппарата. В камере концентрирования как следствие однопо- точного электроосмотического режима прокачки происходит нарушение условия электронейтральности рассола в кислую сторону за счет избытка протонов, синтезированных в анодной камере, что ведет к

VJ

СЛ

-ч

xj ГО СП

уменьшению осадкообразования на мембранах. Из последней дилюатной камеры поток последовательно м поступает в катодную камеру, где осуществляется нейтрализация эквивалентным количеством гидроксиль- ных ионов избытка протонов, синтезированных на катоде, и одним потоком происходит вывод готового продукта из катодной камеры.

Для полного исключения осадкообразо- вания на мембранах в камере концентрирования необходимо поддерживать кислотность с показателем рН 3, соответствующую полной диссоциации труднорастворимых солей жесткости.

В указанном способе поддержание кислой среды с показателем рН 3 в камерах концентрирования достигается управлением процессом синтеза кислоты в анодной камере путем регулирования плотности то- ка. При этом в анодной камере обеспечивается устойчивая реакция синтеза кислоты. В дилюатных камерах совместно с диффузией через катионообменные мембраны катионов солей осуществляется диффузия прото- нов, гарантирующая поддержание кислой среды в камере концентрирования с показателем рН 3.

Для реализации указанного способа предлагается электродиализатор, состоя- щий из прижимных плит 1, анода 2 и катода 3, между которыми расположены катионо-и анионообменные мембраны 4 и 5, образующие соответственно камеры: анодную 6, ди- люатные 7, концентрирования 8 и катодную 9 с рамками 10. патрубком 11 подвода исходного раствора в анодную камеру 6, патрубком 12 вывода концентрата из камеры концентрирования 8 и патрубком 13 вывода готового продукта из катодной камеры 9. Между анодной, дилюатными и катодной камерой в рабочей зоне мембран располагаются горизонтальные каналы 14,15 перетока.

Устройство работает следующим образом. Исходный раствор через патрубок 11 поступает в анодную камеру 6, где за счет анодного окисления происходит генерация протонов и соответственно подкисление ис- ходного раствора. Далее через канал 14 перетока раствор перетекает в дилюатную камеру 7, оттуда через канал перетока 15 поступает в катодную камеру 9, где происходит нейтрализация избытка протонов за счет генерации гидроксильных ионов. Далее из катодной камеры 9 через патрубок 13 лоток обессоленной жидкости подается потребителю.

В процессе перетока раствора из анодной камеры 6 в дилюатную камеру 7 под действием потенциала электрического тока, катионы диффундируют через катионооб- менную мембрану 4 в камеру концентрирования 8 соответственно из дилюатной камеры 7, а анионы через анионообменную мембрану б также диффундируют в камеру концентрирования 8. В результате диффузии избытка протонов из анодной камеры 6 в камеру 8 концентрирования образуется кислая среда с рН :S3, что препятствует образованию осадков в камере концентрирования при поддержании соответствующей плотности тока на электродах.

Далее из камер концентрирования рассол через патрубок 12 вывода рассола утилизируется из камеры за счет избыточного объемного давления.

П р и м е р. В двух равномасштабных электродиализаторах (прототип и предлагаемая конструкция (в равных условиях обессоливали раствор с концентрацией солей 2.68 г/л (NaCI 2,2г/л; CaCIa 0,08 г/л; CaSCU 0.4 г/л) и 5,4 г/л (NaCI 4,4г/л; CaCIa 0,16 г/л; 0,8г/л). Процесс обессоливания осуществляется до конечного со л есо держания на выходе из аппаратов 0,5 г/л, рабочая поверхность ионообменной мембраны 0,16 м2, количество мембранных пар в пакете 50 шт.

Работа электродиализатора, выбранного в качестве прототипа, осуществлялась в режиме реверса электрического тока с одновременным переключением, переброской гидравлических потоков камер обессоливания и концентрирования в течение 15 мин с подкислением до величины рН 0,7 в течение 5 мин потока, подаваемого в камеры обессоливания, с последующим сбросом всей промывной воды в сток. Время работы основного цикла обессоливания равнялось времени режима реверса 15 мин.

Работа аппарата предлагаемой конструкции осуществлялась в непрерывном ре жиме обессоливания, т.е. без остановки на реверс и подкисления потоков кислотой.

Контроль работы аппаратов осуществлялся химическим анализом диализата и рассола, а также замером электрических параметров тока и расходов воды.

Результаты анализов приведены в таблице.

Выводы: предлагаемый способ снижения солесодержания водных растворов обеспечивает увеличение производительности аппарата при снижении его энергозатрат. Как видно из таблицы, электродиалиэ в предлагаемом способе происходит при плотностях тока, превышеющих в данном случае в 1,5-2 раза плотности тока, обычно используемые в традиционном способе-прототипе. При этом в камере концентрирования эл ктродиализа- тора рН рассола за счет усиления генерации протонов в анодной камере с последующим их однопоточным, последовательным гидравлическим транспортом в объем аппарата соответствует значению менее или равному 3, обеспечивающему кислую среду, препятствующую выпадению осадков солей жесткости в камере концентрирования, что обуславливает получаемый результат.

Предлагаемый способ позволит увеличить производительность и снизить энергозатраты за счет последовательной однопоточной прокачки камер анодной, ди- люатных и катодной.

Предлагаемый аппарат для реализации описанного выше способа позволит увеличить производительность, снизить энергозатраты и уменьшить габариты электродиализатора за счет последовательной системы каналов перетока между анодной, дилюатными и катодной камерой, проходящими через рабочую (активную) зону мембрану.

Формула изобретения 1. Способ снижения солесодержания водных растворов, содержащих соли жесткости, методом электродиализа, путем пропускания обрабатываемого раствора через анодную, дилюатные и катодную камеры с

0

5

0

5

0

получением продукта и вывода концентрата из камер концентрирования, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и снижения энергозатрат за счет уменьшения осадкообразования на мембранах, обрабатываемый раствор после анодной камеры направляют последовательно в дилюатные и катодную камеры.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения стоимости продукта за счет исключения осадкообразования на мембранах, процесс ведут при плотностях тока, обеспечивающих поддержание в камере концентрирования показателя рН 3.

3.Мембранный аппарат для осуществления способа снижения солесодержания водных растворов, содержащих соли жесткости, имеющий две плиты, между которыми расположен набор чередующихся анионо- и катионообменных мембран и рамок, образующих камеры анодную, дилюатные, катодную и концентрирования, патрубки ввода раствора в анодную камеру, вывода из катодной камеры и вывода концентрата из камер концентрирования,отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, снижения энергозатрат и уменьшения габаритов аппарата, на мембранах в зоне рабочей поверхности выполнены переточные каналы, соединяющие последовательно анодную камеру с дилюатными камерами и с катодной камерой.

10

10

И 12

Использование: обессоливание воды в электродиализных аппаратах в процессах водоподготовки для промышленных и коммунальных целей. Сущность изобретения: обрабатываемый раствор после анодной 6 камеры злектродиализатора направляют по переточным каналам последовательно в ди- люатные 7 и катодную 9 камеры, откуда потребителю. Рассол накапливается в камере 8 концентрирования, в которой поддерживают значение показателя рН 3. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 1 ил. 1 табл.