ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ

Процесс электродиализа (англ. electrodialysis ED) заключается в переносе ионов через селективные к ним ионообменные мембраны под действием внешнего электрического поля, возникающего при приложении постоянного электрического тока к мембранам.

Сочетание электрохимических процессов: электролиза и переноса, разделения ионов под действием постоянного электрического поля позволяет производить глубокую очистку, умягчение, опреснение, деминерализацию воды, концентрирование ионов металлов.

Скорость переноса ионов легко изменяется регулировкой силы тока. Перенос при этом, легко осуществляется против градиента концентрации.

В установках мембранного электролиза используется один тип мембраны (анионообменная или катионообменная), разделяющей пространство электролизера на две камеры (анодное и катодное пространство).

Ионитовые мембраны, являются селективно проницаемыми для соотвествующих ионов. Например, для анионов проницаемыми являются анионитовые (анионообменные) мембраны, а катионоообменные непроницаемыми и наоборот.

В установках электродиализа используется множество чередующихся анионообменных и катионообменных мембран, образующих многокамерные мембранные электролизеры, в которых электроды (катод и анод) размещаются в крайних камерах.

При пропускании через камеры электрического тока происходит перенос анионов из обрабатываемого раствора в поток концентрата через анионообменную мембрану.

Движение катионов происходит в обратном направлении, они переносятся в поток концентрата через катионообменную мембрану.

Кроме того, катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы – катионообменной мембраной с противоположной стороны.

В процессе электродиализа образуются два потока ионов, и как следствие два потока продуктов: обессоленная вода (дилюат) и рассол (концентрат).

Из крайних камер отводятся два потока: анолит (из камеры с анодом), католит (из камеры с катодом).

ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ (англ. Electrodeionisation EDI)

Метод электродеионизации объединяет методы электродиализа и ионного обмена. Электродеионизацию можно назвать «ионным обменом, регулируемым электродиализом».

Ячейка электродеионизатора (EDI) состоит из смол MBIX, зажатых между анионообменной мембраной (англ. AEM) с одной стороны и катионообменной мембраной (англ. CEM) с другой стороны].

Смолы MBIX представляют собой смесь катионообменных и аниообменных смол (англ. mixed bed ion exchange, MBIX).

Электродиализ (ЭД) обычно используется для снижения уровня солей с 1000-10 000 мг/л до нескольких сотен мг/л, тогда как EDI используется для очистки растворов, содержащих 10-100 мг/л до менее чем 1 мг/л.

Также как и в методе электродиализа движущей силой разделения ионов является постоянный электрический ток.

В процессе электродеионизации происходит непрерывная регенерация катионных и анионных ионообменных смол. В этом процессе происходит получение деминерализованной или глубоко очищенной воды стабильного качества без дополнительных операций, а также затрат на регенерацию ионообменных смол, реагенты и нейтрализацию отходов (регенерационных рассолов).

В результате при использовании одной ступени электродеионизации может быть получена вода с удельным сопротивлением до 18,0 Мом*см с использованием в качестве исходной воды пермеата обратного осмоса с проводимостью ~1,0 мкСм/см.

При этом вода с удельным сопротивлением 18,2 МОм × см при 25 °С соответствует по своему качеству «Сверхчистой воде (тип I)» по ГОСТ Р 52501-2005 “Вода для лабораторного анализа тип 1”, а также стандартам ASTM D1193 (Type 1), ISO 3696 (Grade 1).

Реверсивный электродиализ ЭДР

Реверсивный электродиализ ЭДР (англ. Electrodialysis Reversal EDR, RED) отличается от стандартного прямого электродиализа, тем, что в нем через определенные промежутки времени производится переключение полярности постоянного тока. При изменении полярности направление потоков дилюата и концентрата меняется на противоположное. Это обеспечивает самоочищение мембран и повышает процент удаления солей.

Основное преимущество электродиализа в том, что все ионы, отделяемые от основного раствора, не выделяются на электродах, а собираются в камерах концентрирования.

Число камер, которые размещаются между катодом и анодом может быть различным и ограничено только физико-химическими (например макс. допустимое падение напряжения и пр.), конструктивными, гидродинамическими и экономическими факторами.

Преимущества ED по сравнению с установками термического опреснения (в т.ч. процессом дистилляции с механическим сжатием пара (англ. mechanical vapor compression (MVC) заключается в более низких капитальных затратах, более низком энергопотреблении и гораздо большей пропускной способности.

Биполярный электродиализ (англ. bipolar electrodialysis (BPED) или electrodialysis with bipolar membrane (EDBM).

Биполярный электродиализ основан на том же основном принципе, но использует биполярную мембрану. Биполярные мембраны состоят из двух слоев – катионообменного и анионообменного. На границе этих слоёв возникает область пространственного заряда, в которой при прохождении электрического тока протекает реакция диссоциации молекул воды с образованием ионов и водорода H ⁺ и гидроксила OH ^–.

Применение биполярных мембран позволяет регулировать pH технологических растворов без применения реагентов, наиболее широко они применяются для получения чистых кислот (включая органические), щелочей из растворов солей (в т.ч. из промышленных рассолов), а также извлечения кислот из травильных растворов. Возможность изменения pH без внесения реагентов широко используется в фармацевтических и биотехнологических производствах (в т.ч. для получения аминокислот и прочих органических соединений).

Выгоды технологии электродиализа при очистке воды и сточных вод:

– высокая степень очистки до 95 %;

– высокая концентрация TDS в солевом концентрате до 200 г/л;

– устойчивость к активному хлору;

– устойчивость к засорению органическими веществами;

– допустимо использование едких химреагентов для эффективной очистки (сильные кислоты, щелочи);

– оксид кремния не снижает эффективность;

– срок службы мембран от 10 лет.

Основные сферы применения электродиализа при водоподготовке и очистке сточных вод:

– технологии нулевых сбросов (закрытый контур водооборота) (англ. zero liquid discharge ZLD) – закрытый цикл водного хозяйства;

– обессоливание солоноватых вод (примерно 10% от рынка обессоливания);

– концентрирование солевых растворов, концентратов от установок обратного осмоса;

– очистка конденсата при производстве удобрений и концентрирование солей (NPK);

– обессоливание вод с высоким содержанием оксида кремния;

– очистка сточных вод в бумажной промышленности (pulp industries);

– очистка сточных вод текстильной промышленности (textile industry);

– очистка сточных вод от градирен (cooling towers);

– обессоливание молочной сыворотки.

«АСП ТЕХПРОГРЕСС» предлагает технологии электродиализа как самостоятельное решение, так и в составе современных технологических схем очистки воды, сточных вод, отходов.

ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ

Ионы в камерах электродеионизатора перемещаются к соответствующим гранулам ионообменных смол. Данный процесс может повторяться несколько раз последовательно, что обеспечивает гораздо меньшее сопротивление элемента. Модуль EDI состоит из нескольких пар ячеек (конструктивно может быть до 240 пар ячеек), расположенных последовательно. Слои ионообменных смол в толстых ячейках составляют 8-10 мм, а в тонких ячейках – 3 мм. Питание постоянным током подается на положительный электрод (анод), расположенный на одном конце модуля, и на отрицательный электрод (катод), расположенный на другом конце.

Ионообменные мембраны имеют заряд и являются ионоселективными, т.е. катионообменная мембрана (CEM) пропускает только катионы, а анионообменная мембрана (AEM) пропускает только анионы. Поскольку полимерная основа мембран является гидрофобной, вода не проходит через них.

Исходная вода поступает в ячейки между мембранами и течет сверху вниз, при этом при прохождении происходит перемещение ионов в горизонтальном направлении, таким образом поток обессоливается, деминерализуется, на выходе получается вода (продукт) с пониженным содержанием солей и электропроводностью. Скорость потока продукта может быть увеличена или уменьшена в пределах диапазона, указанного в спецификациях, в соответствии с требованиями к использованию. Увеличение расхода воды выше указанного диапазона снижает качество воды для продукта. При этом существует два режима работы EDI: постоянное напряжение и постоянный ток.

В процессе постоянного тока, который подается через электроды перпендикулярно потоку, анионы направляются к аноду через селективно проницаемую анионообменную мембрану (AEM). Аналогичным образом, катионы направляются к катоду через катионообменную мембрану (CEM). Ионы в отсеке для отделения выходят из модуля и направляются в слив (в канализацию). По мере последовательного прохождения воды через ячейки для очищенной воды (продукта) она становится все более чистой и имеет все меньшее содержание солей.

В процессе с постоянным напряжением происходит разложение части деионизированной воды в нижней части продуктовых ячеек, т.е. молекулы воды расщепляются на водород (Н⁺) и гидроксил (ОН^–) ионы. H⁺ и OH^– ионы вступают в реакцию, непрерывно регенерируя смолы смешанного слоя на дне ячеек, таким образом, образуя высокочистую воду.

В результате система электродеионизации EDI имеет существенное преимущество, в том, что она безвредна для окружающей среды, поскольку для регенерации смолы не требуются химические вещества. Кроме того, процесс электродеионизации более эффективен, чем MBIX (ионный обмен на смешанных смолах), для удаления слабо ионизированных ионов бора и кремния.

Блоки электродеионизации EDI спроектированы таким образом, чтобы работать практически без простоев и обеспечивают извлечение глубоко обессоленной воды (продукта) в диапазоне 90-95% от количества исходной воды.

Для максимальной эффективности электродеионизации рекомендуются следующие рабочие параметры:

– рекомендуется использование фильтров- умягчители (Na-кат) вместо антискалантов для предварительной обработки перед обратным осмосом;

– чем меньше показатель общей жесткости после обратного осмоса и селективность мембран, тем более высокое качество очистки на EDI и эффективность;

– рекомендуется снижение щелочности и нагрузки в виде CO₂ на EDI за счет повышения pH (>9,0);

– CO₂ не отделяется мембранами и переносится в систему отделения EDI. Когда отходы с EDI возвращаются на вход RO, pH питательной воды RO повышается и становится более 9,0, поскольку производится подача каустической соды, необходимой для преобразования CO₂ в бикарбонат натрия, который отделяется на обратноосмотических мембранах;

– если концентрация CO₂ составляет более 5,0 мг/дм³, то питательную воду следует дегазировать, чтобы предотвратить накопление CO2 в системе, что снижает производительность и эффективность процесса очистки. В качестве альтернативы можно повысить рН питательной воды RO до >9,0.

– температура питательной воды, жесткость, щелочность, свободный хлор и рН должны соответствовать требованиям к подаче на электродеионизацию EDI (давление воды 2-7 бар; температура 10-45 град. С; pH в диапазоне 4-10; свободный хлор (кратковременно) менее 0,02 мг/дм³; железо, марганец, сульфиды менее 0,01 мг/дм³; кремний менее 2,5 мг/л при 90% извлечении (10% уходит в качестве концентратов); общая жесткость менее 1 мл/дм³ при 90% извлечении (зависит от щелочности и повторного использования концентратов).

В особо важных областях применения, где важна борьба с бактериями и биообрастанием, дополнительно предусматривается узел УФ-облучения (ультрафиолетовый свет с длиной волны 254 нм), уничтожающий бактерии, чтобы уменьшить количество бактерий в питательной воде, подаваемой на электродеионизацию EDI. Модули EDI могут дезинфицироваться рекомендованными химическими веществами или, что предпочтительно горячей водой при температуре 80 °C.

Также существует технология EDIR (реверсивной электродеионизации, англ. electrodeionisation reversal) по аналогии с EDR. Использование EDIR позволяет продлить срок службы блока и повысить эффективность работы.

Конструктивно блоки электродеионизации выпускаются в двух основных конфигурациях: пластинчато-каркасные и спирально-намотанные. Более 90% установленных систем EDI являются пластинчато-каркасными. Устройства пластинчатого типа по своей концепции похожи на пластинчато-каркасный теплообменник с множеством отсеков для жидкости, зажатых между набором торцевых пластин (и электродов), которые удерживаются при сжатии болтами или резьбовыми стержнями. Спиральные устройства EDI аналогичны элементу RO со спиральной намоткой, но с ионообменными мембранами, смолами и прокладками, намотанными по спирали вокруг центрального электрода, а не перфорированной трубки.

«АСП ТЕХПРОГРЕСС» предлагает различные решения по получению воды глубокой очистки, в т.ч. с применением технологий обратного осмоса, ионного обмена и электродеионизации.

Опросный лист вы можете просмотреть и скачать по ссылке ниже:

Опросн.лист_мембранные технологии pdf 597,2 КБ