Очистка высокоминерализованных вод

8.1. Оборотный осмос

Принцип оборотного осмоса основан на явлении осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если чистую воду и аква раствор какого-нибудь вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, то в таковой системе будет наблюдаться последующее. Из-за разности Очистка высокоминерализованных вод давления (концентраций) молекул (Н2О) в различных отсеках осуществляется переход молекул воды в объем с их наименьшей концентрацией, т.е. в отсек концентрированного раствора. Объем раствора при всем этом равномерно возрастает, сам раствор разбавляется, ∆р миниатюризируется, тормозя предстоящий перенос молекул Н2О. Количественно процесс осмоса характеризуется значением осмотического давления р, которое согласно Очистка высокоминерализованных вод закону Вант-Гоффа прямопропорционально концентрации растворенного вещества С и абсолютной температуре Т раствора:

, (8.1)

где i = (1 + α) – коэффициент Вант-Гоффа; (α – степень диссоциации растворенного вещества);

М – масса 1 моля растворенного вещества;

R – универсальная газовая неизменная.

Согласно этому уравнению, осмотическое давление раствора NaCl концентрацией 35 г/дм3 при t = 20 °С составит р = 1,8·0,82·293·35/58,5 = 2,58 МПа.

Чтоб выполнить Очистка высокоминерализованных вод обработку высокоминерализованной воды оборотным осмосом, необходимо, создав (в отсеке с веществом) лишнее давление, превышающее осмотическое, вынудить молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, обратном прямому осмосу, т.е. со стороны высокоминерализованной воды в отсек незапятанной воды (рис.8.1).

Рис.8.1. Принципная схема прямого и оборотного осмоса:

а) начало осмотического переноса Очистка высокоминерализованных вод; б) сбалансированное состояние; в) оборотный осмос;

1 – пресная вода; 2 – солёная вода; 3 – мембрана

Преимущество оборотного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких фазовых перевоплощений, но для заслуги долгого срока службы полупроницаемых мембран нужна подготовительная глубочайшая чистка воды от коллоидных и глубокодисперсных примесей.

Невзирая на кажущуюся простоту процессов, характеризующих оборотный осмос Очистка высокоминерализованных вод, по сей день не сформировался единый взор на механизм переноса молекул растворителя через мембраны, но большая часть исследователей поддерживают гиперфильтрационную догадку. Согласно этой капиллярно-фильтрационной модели в полупроницаемой мембране имеются поры поперечником, достаточным для прохода молекул воды ( ), но недостающим для прохождения гидратированных ионов ( ) и молекул растворенных веществ.

Из-за Очистка высокоминерализованных вод невозможности сотворения реальных изопористых мембран в их имеются более большие поры, через которые отчасти могут просачиваться гидратированные ионы, в итоге чего понижается селективность (избирательность) процесса переноса. Гидратная оболочка ионов возрастает, как понятно, с возрастанием заряда ионов, а в ряду схожей валентности – с уменьшением кристалло-графического радиуса иона. С позиции Очистка высокоминерализованных вод капиллярно-фильтрационной модели с возрастанием степени гидратации ионов должна возрастать эффективность их задержки. Это подтверждается результатом работы установок оборотного осмоса с ацетилцеллюлозными мембранами, в каких порядок задержки ионов соответствует лиотропному ряду (как при ионном обмене).

Изложенное указывает, что эффективность процесса оборотного осмоса определяется приемущественно качествами мембран, которые должны Очистка высокоминерализованных вод характеризоваться высочайшей разделяющей способностью, селективностью и удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически крепкими, иметь низкую цена. При обработке аква смесей материал полупроницаемой мембраны должен владеть также гидрофильными качествами.

Рис.8.2. Структура ацетилцелюлозной мембраны:

1 – активный слой; 2 – поддерживающий слой

В текущее время для обратноосмотических установок используют полимерные мембраны из ацетатов целлюлозы, приобретенные методом частичного Очистка высокоминерализованных вод испарения растворителя и следующего осаждения полимера. Ацетилцеллюлозные мембраны имеют асимметрическую структуру (рис. 8.2), в какой поверхностный слой шириной 0,25–0,5 мкм характеризуется высочайшей плотностью. Остальная масса шириной около 150 мкм с размером пор 0,1–1 мкм обеспечивает только механическую крепкость мембран и служит подложкой для поверхностного слоя, не выполняя функции селективного барьера. При опреснении Очистка высокоминерализованных вод раствор приводится в контакт с плотным активным слоем мембраны. Не считая ацетилцеллюлозных мембран типа МГА, российскей индустрией выпускаются полупроницаемые мембраны типа МГЭ на базе этилцеллюлозы и мембраны типа МГП на базе ароматичных полиамидов, главные свойства которых приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Черта обратноосмотических мембран

Марка мембраны Селективность к раствору NaCl 5 г Очистка высокоминерализованных вод/дм3, % Удельная производительность при 5 МПа, кг/(м2·сут) Марка мембраны Селективность к раствору NaCl 5 г/дм3, % Удельная производительность при 5 МПа, кг/(м2·сут)
МГА-70 МГЭ-80
МГА-80 МГЭ-90
МГА-90 МГП-80
МГА-95 МГП-90
МГА-100 97,5 МГП-95
МГЭ-70 МГП-100

Перечисленные марки мембран владеют различной селективностью и проницаемостью. Мембраны типа МГА находят применение для опреснения аква Очистка высокоминерализованных вод сред при рН = 5–8, в кислых и щелочных средах такие мембраны подвергаются гидролизу, оказывающему отрицательное воздействие на их свойства, мембраны типа МГЭ – для обессоливания аква смесей с рН = 1–14, мембраны типа МГП – для разделения и концентрирования брутальных сред, содержащих органические растворители, с рН = 1–12 при температуре до 150 °С.

Полупроницаемые Очистка высокоминерализованных вод мембраны в виде полых волокон получают из разных полимеров. Внутренний поперечник волокон составляет 30–150 мкм, толщина стены 10–500 мкм, что позволяет получить высшую плотность их упаковки в обратноосмотических установках на уровне нескольких тыщ квадратных метров на
1 м3 объема аппарата.

8.2. Электродиализ

Электродиализ – процесс удаления из смесей (проводников второго рода) ионизированных веществ методом переноса Очистка высокоминерализованных вод их через мембраны в поле неизменного электронного тока. В таковой системе появляется направленное движение ионов растворенных солей, также ионов Н+ и ОН-, при этом катионы движутся к катоду, а анионы к аноду. При достижении катода катионы восстанавливаются в согласовании с катодными реакциями, к примеру:

; (8.2)
. (8.3)

Анодные реакции:

; (8.4)
; (8.5)
. (8.6)

Для предотвращения переноса ионов Н+ и Очистка высокоминерализованных вод ОН-, образующихся по реакциям (8.3) и (8.6), электродиализатор делят на отсеки при помощи особых мембран, проницаемых только для катионов либо только для анионов (рис. 8.3).

При направленном движении ионов к подходящим электродам катионы, встречающие на собственном пути катионопроницаемую мембрану К, свободно попадают через нее. В то же время для анионов Очистка высокоминерализованных вод эти мембраны являются фактически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану А, сразу препятствующую переносу катионов.

Рис.8.3. Принципная схема многокамерного электродиализатора

В согласовании с законом Фарадея на перенос 1-го моля солей расходуется
96491 Кл электричества (26,8 А·ч), в связи с этим теоретический расход электроэнергии QЭ, затрачиваемой на опреснение 1 м3 воды с исходным Очистка высокоминерализованных вод СНАЧ и конечным солесодержанием СКОН, моль на кубический дециметр, составляет

в кулонах в ампер×часах (8.7)

Реальный расход электроэнергии будет выше вследствие переноса ионов Н+ и ОН-, поляризационных явлений и недостаточной селективности мембран.

Ионитные мембраны для процессов электродиализа должны владеть высочайшей селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, неплохой электронной проводимостью Очистка высокоминерализованных вод, высочайшей механической прочностью, хим стойкостью, определяющей длительный срок службы в промышленных критериях.

Зависимо от знака заряда матрицы ионита и начального вещества мембраны подразделяют на катионитные и анионитные, а по способу получения – на гетерогенные и гомогенные.

Таблица 8.2

Технологические свойства ионитных мембран

Мембрана Страна изготовитель Тип мембраны Толщина, мм Обменная Очистка высокоминерализованных вод емкость, ммоль/дм3 Удельное поверхностное сопротивление, Ом·см-2 Селективность в 0,1 н. растворе NaCl
Катионитные
МК-40 Наша родина Гетерогенная 0,7 2,3 0,93
Пермаплекс С-10 Велико- британия Гетерогенная 0,5 2,0 30,2 0,77
Амберплекс С-1 США Гетерогенная 0,5 3,3 34,2 0,79
МК-100 Наша родина Гомогенная 0,3 2,8 2,5-5 0,96
СР-61 США То же 0,75 2,8 - 0,98
Анионитная
МА-40 Наша родина Гетерогенная 0,7 3,0 0,93
Пермаплекс А-10 Велико- Британия Гетерогенная 0,5 1,3 9,4 0,77
МА-41 Наша родина Гомогенная Очистка высокоминерализованных вод 0,6 2,5 9-12 0,93
МА-100 Наша родина То же 0,3 2,3 5-6 0,97
АР-3 США То же 0,75 2,0 - 0,93

Гетерогенные мембраны представляют собой мелкозернистый ионит, распределенный в пленке инертного связывающего материала. Существует несколько главных методов их получения. Сухое связывающее вещество и ионообменный материал в пылеобразной форме соединяют и спрессовывают в листы при определенных температуре и давлении. Пылеобразный ионит диспергируют в Очистка высокоминерализованных вод легкоиспаримом растворителе, смесь отливают на армирующую ткань (нейлоновую сетку) и высушивают.

С одной стороны, для получения мембран с неплохой электронной проводимостью нужно высочайшее (более 65 %) содержание ионита в пленке, с другой – повышение концентрации смолы при набухании ее в воде усугубляет механические характеристики мембран. В Рф выпускают гетерогенные катионитные и анионитные Очистка высокоминерализованных вод мембраны марок МК-40 и МА-40.

Гомогенные мембраны, получаемые в итоге реакции поликонденсации либо способом привитой полимеризации, характеризуются сплошной фазой ионита во всей структуре пленки. Гомогенные мембраны владеют наилучшими химическими качествами по сопоставлению с гетерогенными, но наименьшей механической прочностью. Главные технологические свойства и характеристики испытаний ионитных мембран разных типов Очистка высокоминерализованных вод приведены в табл. 8.2.

Вода, применяемая в электродиализаторах, просит подготовительной кропотливой обработки. Ниже приводятся советы по эксплуатации электродиализаторов.

1. Начальная вода не должна содержать взвешенные частички, которые могут осаждаться в камерах и вызывать завышенную поляризацию мембран; для удаления взвеси, обычно, довольно установить механический фильтр.

2. Скопление шлама из частиц жесткой фазы типов СаСО3 и Mg Очистка высокоминерализованных вод(OH)2 на мембранах либо электродах вызывает повышение омического сопротивления аппарата. Борьбу с отложениями на мембранах ведут методом подкисления начальной воды либо повторяющейся подмены полярности электродов в аппарате.

3. При работе электродиализатора может быть образование жесткой фазы вследствие электрокоагуляции коллоидных частиц. Таковой осадок можно достаточно просто удалять, стремительно Очистка высокоминерализованных вод изменив скорость воды в тех частях установки, где он появляется.

4. Необратимое скопление в ионитных мембранах поливалентных ионитов, имеющих малую подвижность (согласуется с поведением этих ионов в критериях обыденного ионного обмена), приводит к «отравлению» мембран, т.е. к понижению их электронной проводимости. Частичное удаление с «отравленных» мембран иона достигается промывкой мембран кислотой с Очистка высокоминерализованных вод следующим переводом их в натриевую форму.

Обозначенные трудности при использовании мембран приводят к сокращению срока их службы. Для анионитных мембран в неких случаях наблюдалась полная утрата обменной емкости после 300 дней работы.

При расчете процессов электродиализа, а именно, при выборе рабочей плотности тока нужно учесть явление концентрационной поляризации, возникающей на Очистка высокоминерализованных вод ионитных мембранах. Сущность его состоит в том, что миграция ионов через мембрану идет с большей скоростью, чем в растворе, что приводит к падению концентрации электролита около принимающей стороны мембраны и увеличению концентрации около отдающей стороны (рис. 8.4).

Рис.8.4. Схема появления концентрированной
поляризации на анионитовой мембране:

А – анионитная Очистка высокоминерализованных вод мембрана; d - толщина граничного слоя; 1 – концентрация анионов

Существует такая плотность тока, именуемая предельной, при которой концентрация электролита около принимающей стороны мембраны понижается до нуля, и начинается перенос Н+ и ОН- ионов, образующихся при электролизе воды, что вызывает перерасход электроэнергии, изменяет рН, а солесодержание не миниатюризируется.

Контрольные вопросы

1. Какие характеристики определяют характеристики обратноосмотических мембран Очистка высокоминерализованных вод?

2. Чем отличаются главные типы установок оборотного осмоса?

3. Какие требования предъявляют к воде, поступающей на электродиализаторы?

4. В чем состоят достоинства дистилляционных и мембранных способов перед ионообменной технологией чистки высокоминерализованных вод?

Глава девятая


ocenochnie-obyazatelstva-poyasnitelnaya-zapiska-k-buhgalterskoj-otchetnosti-obshestva-s-ogranichennoj-otvetstvennostyu.html
ocenochnie-pokazateli-kompanij-praktikuyushih-tradicionnie-formi-konkurencii-i-orientirovannih-na-faktor-vremeni.html
ocenochnie-sredstva-dlya-kontrolya-uspevaemosti-i-uchebno-metodicheskoe-obespechenie-samostoyatelnoj-raboti-studentov.html