1.13. Электрофорез

В биологических системах и сбросных водах большинство коллоидов при обычных условиях имеют отрицательный заряд. Такие коллоиды можно уда­лить или сконцентрировать. Электрофоретическая ячейка состоит из ряда мембран и фильтров. Через мембраны свободно проходят небольшие ионы под действием электрического тока, а большие коллоиды задерживаются. С другой стороны, большинство коллоидов и вода свободно проходят через фильтры. Когда в мембранном наборе используют достаточно высокий внешний электрический потенциал, то отрицательно заряженные коллоиды концентрируются в секции с анодной стороны фильтра.

При наложении внешнего давления на исходный поток растворитель – вода выдавливается через фильтр а противоположную секцию. В тоже время, не­большие анионы, которые могут присутствовать в секции с исходным раствором, переносятся через мембрану в секцию, обращенную к анодной ее сто­роне, а катион переносится через фильтр в секцию, к которой обращена катод­ная сторона фильтра (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схема процесса с вынужденным электрофоретическим потоком:

М – плотная мембрана; F – фильтр; 1 – анод;

2 – повторяющийся элемент; 3 – катод

Если бы из исходного потока надо было непрерывно удалять содержащиеся в нем небольшие ионы, то вместо нейтральных мембран было бы эффек­тивнее применение ионообменных.

Катионообменные мембраны обладают такой высокой емкостью и настолько плотны, что практически полностью задерживают анионы, но их про­ницае­мость по воде очень мала. Однако нейтральная мембрана высокопрони­цаема для воды, но не обладает достаточно большим солезадержанием. В этом на­боре (рис. 1.19) внешний электрический потенциал застав-ляет соль оста­ваться в секции исходного раствора, а внешнее давление вы-давливает воду че­рез нейтральную мембрану в секцию, которая контактирует с ее анодной сто­роной.

Таким образом, этот мембранный процесс осуществляется под действием электричества и давления. Главные преимущества – это относительно не­большие затраты энергии и применение небольшого внешнего давления. Кроме того, нет необходимости нейтральные мембраны делать такими же тонкими, как активный слой у обратноосмотических мембран.

Рис. 1.19. Схема процесса обессоливания при вынужденном электрофорезе: С – ка­тионообменная мембрана; N – нейтральная мембрана; 1 – анод; 2 – повторяющийся элемент; 3 – катод

1.14. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В общем случае расход электроэнергии на электромембранные процессы выражается фор­мулой:

Wполн. = Wэлектродиал. + Wнас., (1.12)

где Wэлектродиал – электроэнергия, расходуемая непосредственно на электродиализ; Wнас – сумма электроэнергии, потребляемой насосами:

Wнас = Wпер + Wкам, (1.13)

где Wпер – энергия, потребляемая на перекачку растворов; Wкам – энергия, расходуемая на промывку камер.

При осуществлении реального процесса в схемах может быть использовано несколько (иногда до 4) насосов только на перекачку воды, например, в цир­куляционных схемах.

Таким образом, можно записать:

Wпер = Wпрод + Wвспом, (1.14)

где Wпрод – электроэнергия, затрачиваемая насосами на продавливание воды через аппараты; Wвспом – электроэнергия, расходуемая на реализацию тех­нологической схемы.

Электроэнергия вспомогательных насосов берется из справочников либо паспортных данных. Электроэнергия насосов продавливания зависит от кон­структивных особенностей аппаратов, в частности, от конфигурации прокла­док и их толщины. Как правило, затраты электроэнергии на перекачку растворов (Wпер) неве­лики и редко превышают 1-1,5 кВт ч/м3 раствора. Расход электроэнергии на промывку камер (Wкам) невелик и даже для аппа­ратов производительностью 15 м3/ч не превышает 0,4 кВт ч/м3.

Возможны конструкции, где промывка камер частично либо полностью осу­ществляется диализатом или рассолом. Так, например, в бытовых аппаратах компании «Эйкос» она производится рассолом, и электроэнергия на про­мывку вообще не расходуется.

Основной расход электроэнергии (Wэлектродиал) приходится непосредст­венно на удаление солей и состоит, по меньшей мере, из двух составляющих:

Wэлектродиал = Wопресн + Wпараз, (1.15)

Энергия, затрачиваемая на электродиализ, складывается из полезной состав­ляющей и паразитных потерь, которые возникают от утечек тока по другим путям, минуя мембраны, а в основном, энергия теряется через тракт концен­три­рования рассола. В силу конструктивных особенностей электродиализных ап­паратов их устранить невозможно. При этом минимальные потери электроэнер­гии достигают 7 %.

Основной расход энергии приходится на создание градиента концентрации ионов в камерах концентрирования и обессоливания.

Многолетняя практика конструирования и эксплуатации многокамерных электродиализных аппаратов позволила сформулировать два, может быть, отчасти парадоксальных правила:

• при электродиализе работает только ток;

• напряжение на одну электродиализную ячейку примерно 1,5 В (по раз­ным данным – от 1,3 до 2,5 В).