1.4. Требования к ионообменным мембранам

Кроме химической устойчивости, механической прочности и стабильности размеров, мембраны должны обладать следующими качествами:

• Высокой ионной селективностью, то есть быть ничтожно проницае­мыми по отношению к ионам того же знака, что и фиксированный ион мем­браны. Селективность, выражаемая числом переноса противоиона в мем­бране, уменьшается с увеличением концентрации раствора, находящегося в контакте с мембраной.

• Высокой электрической проводимостью в наиболее разбавленных рас­творах, получающихся в процессе обессоливания. Этот фактор влияет на омическое сопротивление электродиализной ячейки.

• Ничтожной скоростью свободной диффузии электролита при разности концентраций, ожидаемой в процессе. Диффузия соли через мембрану действует в сторону, противоположную электролитиче­скому переносу ионов, который является целью процесса, поэтому снижает эффективность. Свободная диффузия определяется разно­стью концентраций с двух сторон мембраны; когда эта разность увеличивается, скорость диффузии повышается. На величину диф­фузии влияет селективность мембран: чем выше селектив­ность, тем меньше относительное увеличение диффузии для данной разности концентраций.

• Низкой осмотической проницаемостью. Ионитовые мембраны прояв­ляют аномальные осмотические свойства в системах электролита; наиболее простой эффект заключается в том, что в системе электролита они обладают ненормально высоким осмотическим по­током по сравнению с системой не-электролита.

В настоящее время известно несколько сот мембранных материалов, из них около 50 типов принадлежат к ионообменным мембранам. Два обсто-ятельства стимулировали промышленное применение заряженных синте-тиче­ских мембран: открытие эффекта высокой электропроводности ионитов в набух­шем состоянии, которое было сделано Хейманом и О’Доннелом в 1948 году; использование разнополярных ионообменных мембран в электродиализном аппарате для обессоливания воды (работы Майера и Штраусса в Германии и Джуда и Мак-Рея в Америке, 1953 год.

Широкие области использования мембран позволяют решить многие эколо­гические проблемы, сделать более эффективными методы лечения и методы использования энергоресурсов.

1. 5. Электродиализ

Электродиализ – это процесс переноса ионов через мембрану под действием электрического поля, приложенного к мембране. Скорость переноса ионов может изменяться подбором соответствующей силы тока. Такой перенос мо­жет осуществляться против градиента концентрации.

Мембраны для обратного осмоса изотропные (с однородной по толщине структурой) или анизатропные, тонкие, чрезвычайно чувствительные к пере­сыханию, реально сохраняют свои свойства от 6 месяцев до года.

Мембраны для электродиализа грубые, композитные, чрезвычайно прочные; после высыхания восстанавливают свои свойства, что крайне важно в стра­нах с жарким климатом; легко регенерируются растворами кислот. Срок службы мембран на капроновой или лавсановой основе – до 8 лет, а перфторированных – до 20 лет [6].

Наложение электрического поля приводит к трудностям, связанным с реак­циями на электродах, то есть с образованием щелочи около катода и кислоты у анода. В присутствии хлоридов на аноде образуется также хлор

(рис. 1.8). В связи с этим должны быть предприняты специальные меры для удале­ния из аппарата жидкости, содержащей эти вещества. В некоторых случаях растворы из электродных камер могут вновь возвращаться в процесс (с контролем рН или без него).

Большинство ранних исследований в области электродиализа проводилось с трехкамерными ячейками с применением неселективных мембран. При этом обессоленный раствор получался в средней камере. В то же время этот рас­твор приобретал кислую реакцию из–за накапливания Н+ ионов. Это явля­лось главным недостатком такой системы. Долгое время не верили, что эту трудность можно разрешить при помощи ионитовых мембран. Поэтому до на­чала 1950 г. не было промышленного производства этих мембран.

Кроме образования кислоты в камере обессоливания, процесс в трехкамерной ванне с применением неселективных мембран характеризуется низ­ким выходом по току (n), который равен отношению числа граммэквивалентов удаленных солей к количеству прошедшего электричества, выраженному в фа­радеях (сообщалось о значении n=0,2).

Главное преимущество процесса электродиализа с ионитовыми мембранами заключается в том, что все ионы, удаленные из камер обессоливания, или диализата, не должны обязательно выделяться на электродах, а могут соби­раться в камеры концентрирования, которые граничат со следующими ка­ме­рами обессоливания. Эта идея лежит в основе многокамерного электродиали­затора, предложенного Мейером и Штраусом в 1940 г. Число камер, которые можно поместить между электродами в многокамерной ячейке,ограничено только инженерными соображениями, такими, например, как максимально достижимое падение напряжения через ячейку, размеры аппаратов, проч­ность системы и гидродинамические факторы, связанные с равномерным распределением жидкости по всем камерам и по поверхностям мембран.

В аппарате применяются два вида мембран: мембраны, селективно прони­цаемые для катионов – катионитовые (катионообменные) мембраны, и мем­браны, селективно проницаемые для анионов – анионитовые (анионообменные) мембраны. Они заключены между двумя электродами.

Рис. 1.8. Процесс электродиализа

При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны катода. Анионы дви­жутся в противопо­ложном направлении и переносятся в поток концентрата че­рез анионообмен­ную мембрану. С другой стороны, катионы в потоке концен­трата задержива­ются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы – катионооб­менной мембраной с противоположной стороны. Таким образом, исходный раствор очищается от растворенного в нем элек­тролита посредством двух потоков концентрата, омывающих мембранную ячейку с исходным рас­твором, причем перешедшие через мембраны ионы остаются в концентрате [21].

Реверсивный электродиализ (ЭДР) – тот же самый процесс, с изменением по­лярности постоянного тока через определенные периоды времени. В этом случае потоки обессоленной воды и концентрата меняются местами. Это обеспечивает самоочищение мембран от засоряющих их частиц, повышает уда­ление солей из исходной воды до 90-95% .

Для электродиализаторов, состоящих из n единичных ячеек, можно опре­де­лить их основные характеристики по следующим уравнениям:

производительность (в экв/ч)

G = IF /26,454; (1.9)

общий перепад электрических потенциалов

E = E_D + I(R_M + R_p)n; (1.10)

потребляемую мощность (в кВт)

N = (IF/1000)E_D + I( )n/1000, (1.11)

где I–плотность тока, А/см²; F–площадь мембраны, см²; –сумма

потенциа­лов разложения и перенапряжения на электродах;

R_м и R_р – электрическое со­противление соответственно мембраны и раствора прохождению тока, Ом см².

Наиболее широко электродиализ используют для обессоливания и концен­трирования растворов электролитов, например для опрес­нения морской воды, обессоливания сахарных растворов, молочной сыворотки и др. В последние годы электродиализ широко приме­няют для извлечения минерального сы­рья из природных соленых вод.

Использование за­рядселективных ионообменных мембран, предпочтительно пропускающих однозарядные катионы и анионы и задерживающих многозарядные ионы, позволяет удалить из обрабатываемой воды ионы, разру­шающие структуру почвы (Na+, Cl–), а ионы, укрепляющие ее структуру (Са2+, Mg2+), оставить в диализате, который можно затем использовать для полива.