Способ обессоливания воды в электродиализаторе

НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО ПРИ КАБИНЕТЕ МИНИСТРОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(73) Товарищество с ограниченной ответствен ностью фирма Эйкос(56) Авторское свидетельство СССР М 982712,кл. В 01 В 13/02, 1982.(54) СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ В ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРЕ(57) Настоящее изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической, молочной отраслях промь 1 щленности и преимущественно в водоподготовке для получения питьевой воды.Предлагаемый способ позволяет повысить производительность процесса или обессоливания.Способ осуществляется электродиализом в электродиализаторе чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, образующими камеры концентрирования и обессоливания,с периодическим изменением направления электрического тока с использованием двух пар электродов, работающих попеременно, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону фильтр-пресного пакета, аноды выполнены из пленкообразующего металла с покрытием из оксидов металлов, а катоды - из некорродирующего металла.Формула изобретения содержит один независимый и шестнадцать зависимых пунктов.Изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, Металлургической, молочной отраслях промышленности и преимущественно в водоподготовке для получения питьевой воды.Известен способ очистки водных растворов электродиализом вэлектродиализаторе с использованием химически стойких электродов из платинированного титана (Смагин В.М. Обработка воды методом электродиализа,М.Стройиздат, 1986,с. 1 10), Однако дефицитность платины препятствует широкому распространению этих электродов.Известен способ очистки водного раствора сульфата цинка методом электродиализа с использованием графитовых анода и катода (Патент СССР ЪП 837950,кл.ВО 1 Д 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 по-лярности электродов и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования (Авторское свидетельство СССР М 982712,кл.ВО 1 Д 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 повышать плотность тока, что не обеспечивает высокой степени обессоливания, и как следствие производительность процесса очень низка.Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности достижения высоких плотностей тока, что позволяет повысить степень обессоливания или увеличить производительность процесса.Сущность изобретения состоит в том, что способ осуществляют в электродиализаторе, с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, образующими камеры концентрирования и обессоливания, с использованием двух пар электродов, работающих попеременно,для периодического изменения направления движения электрического тока и одновременно с ним переключения потоков камер обессоливания и концентрирования, причем анод одной пары и катод другой пары находятся по одну сторону фильтр-пресного пакета, что обеспечивает работу электродиализатора при высоких плотностях тока. В качестве основы анодов используют пленкообразующий металл с покрытием из оксидов металлов, а основы катодов - некорродирующие металлы.В качестве пленкообразующего металла предпочтительно использовать титан или тантал из-за 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 преимуществ имеют 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 различных 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 изнержавеющей стали или из разных, например, нержавеющей стали И меди.На чертеже схематично показан используемый электродиализатор (фиг.1).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 9, отверстия 10-13 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, Электродиализатор 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 10 И 11 подается в рабочие камеры,образованные мембранами 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 для вывода дИлюата 12 из прианодной камеры 8(камеры обессоливания) И рассола 13 из прикатодной камеры 9 (камеры концентрирования) очищенная вода выводится из аппарата.Для предотвращения отложения солей на мембранах 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.После переключения электрического тока на электроды 3 И 4, в течение второго цикла соленая вода подается через отверстия 12 и 13. Деминерализация дИлюата и концентрирование рассола происходит за счет миграции разноименных ионов солей через ионоселективные мембраны 5 И 6, а рассол выводится через отверстие 10 из прикатодной камеры 8 (камеры концентрирования), а дилюат через отверстие 11 из прианодной камеры 9 (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 их порах сульфата кальция.Раствор обессоливают в стандартной электродиализной установке с перфорированными графитовыми электродами. Площадь электродов - 0,03 м 2. Напряжение на аппарате - 170 в. Начальная плотность тока на электродах - 233 а/м 2. Реверс направления движения тока И гидравлических потоков осуществляют каждые 15 минут, Производительность аппарата - 30 л/ч, Конечное солесодержание дИлюата - 3,2 г/л. Объем пропущенного раствора 150 л в течение 5 часов, Пример 2 (по предлагаемому способу)Раствор, содержащий 28,0 г/л соли ЫаС 1, 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 м 2. Напряжение на аппарате- 300 в. Начальная плотность тока на электродах - 900 а/м 2. Производительность аппарата 30 л/ч. Рабочая поверхность ионообменных мембран - 0,07 м 2. Количество пар в пакете - 100 штук, Реверс направления движения тока И электрических потоков осуществляют каждые 15 минут. Конечное солесодержание дИлюата - 0,52 г/л.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), адругого из титана с покрытием из оксида кобальта (ОКТА). Конечное содержание 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 представлены в таблице 1.Таблица 1 Ы Солесодержание, г/л Степень Плотность опыта обессоливания, тока,начальное конечное а/м 2 1 28,0 3,20 88,57 233 2 28,0 0,52 98,14 900 3 28,0 0,65 97,68 900 4 28,0 0,55 98,03 900 5 28,0 0,52 98,14 900 6 28,0 0,50 98,21 900 7 28,0 0,54 98,07 900 8 28,0 0,55 98,03 900 9 28,0 0,54 98,07 900В другой серии опытов сохранялось конечное солесодержание -3,2 г/л, а изменялся объем раствора, подвергаемый обессоливанию, пропускаемый в течение 5 часов,Пример 10 Аналогично пример 3, только отличается тем, что объем пропущенного раствора составил 260 л,а производительность аппарата по обес-соленному раствору составила 52 л/час и увеличилась в сравнении с прототипом на 73/33 . Пример 11 Аналогично примеру 4, только отличается тем, что объем пропущенного раствора составил 240 л, а производительность аппарата по обессоленному раствору составила 48 л/час и увеличилась в сравнении с прототипом на 60,0 . Пример 12 Аналогично примеру 5, только отличается тем, что объем пропущенного раствора составил 253 л, а производительность аппарата по обессоленному раствору составила 50,5 л/час и увеличилась в сравнении с прототипом на 68,33 . Пример 13