1.6. Электродиализ с биполярными мембранами

Основные процессы электролиза с биполярными мембранами схематично изображены на рис. 1.9. Предположим, что анионообменная и катионооб­менная мембраны расположены как показано на рис. 1.9, а. Под действием электрического поля ионы электролита удаляются из пространства между двумя мембранами как в полости обессоливания при электродиализе. Когда все ионы соли удалены, единственными ионами, которые могут переносить элек­трический ток, являются протоны и гидроксил ионы, которые присутст­вуют в деионизированной воде с концентрацией около 10-7 моль/л (рис. 1.9,в). Элек­тропроводность деионизированной воды очень мала и чтобы уменьшить высо­кое электрическое сопротивление слоя между ионообмен­ными мембранами не­обходимо эти мембраны расположить очень близко друг к другу, тем самым образуя биполярную мембрану, как показано на рис. 1.9,с. Протоны и гидро­ксил ионы вытесняются из биполярной мембраны под действием приложенного электрического поля. Количество удаленных из со­единительного слоя бипо­лярной мембраны ионов гидроксила и протонов восстанавливается равновесной диссоциации воды. Удаленная таким образом вода из соединительного слоя восполняется диффундирующей через ионосе­лективные слои в соединитель­ный слой водой из раствора. Таким образом диссоциация воды протекает в разы быстрее, чем можно было бы ожидать из простой равновесной диссоциа­ции воды [22].

Желательными процессами при электродиализе являются транспорт анионов через анионообменную мембрану, катионов – через катионообменную мем­брану и получение протонов и гидроксил ионов в соединительном слое биполярной мембраны. Гидроксил ионы и протоны направляются к положительно заряженному аноду и к отрицательно заряженному катоду соответст­венно. В идеальном случае они остаются в соседних с биполярной мембра­ной камерах, образуя в них щелочь и кислоту. Концентрированная кислота и щелочь, а так же разбавленный соленый раствор собираются и выводятся из модуля.

Таким образом, биполярная мембрана оказывается в контакте с концентри­рованной кислотой со стороны катионообменной мембраны и с концен­три­рованной щелочью со стороны анионообменной мембраны. По своей при­роде мембраны содержат коионы, которые приводят к не желаемым потокам ионов, имеющих тот же заряд что и мембрана. Это снижает эффективность процесса и приводит к загрязнению продукта, что ограничивает применение электродиализа с биполярными мембранами [23].

Применение биполярного электродиализа (БЭД) для получения высокочис­тых концентрированных растворов кислот и щелочей как конечного коммер­ческого продукта – производство сравнительно дорогое: для этого требуются либо высококачественные, но дорогие биполярные мембраны японского или американского производства, либо повышенные энергозатраты при исполь­зовании более дешевых российских мембран. Более перспективным пред­ставляется применение БЭД в технологических схемах, где его использование позволяет организовать ряд последовательных превращений и циркуля­цию ценных веществ или воды без их потери в процессе производства.

Эффект в данном случае достигается за счет получения и последующего ис­пользования кислот и щелочей с примесью соответствующих солей (иногда существенной) или сдвига рН циркулирующего в процессе раствора. При таком подходе БЭД может быть использован для получения аминокислот из их солей, синтеза аминокислот и их выделения из их солей, очистки воздушных (газовых) смесей от примесей кислых и основных газов с их одновременным концентрированием (санитарная очистка газов), для получения малорастворимых кислот или щелочей (оснований) из растворов их солей [2].

Рис. 1.9. Принцип работы биполярной мембраны. АМ – анионообменная

мем­брана, КМ – катионообменная мембрана

Рис. 1.10. Производство серной кислоты и гидроксида натрия методом

элек­тродиализа с биполярными мембранами

АК - биполярная мембрана, А – анионообменные, К – катионообменные мембраны:

1–6 – номера секций.