Електродіалізатор

1. Електродіалізатор, що містить електроди, між якими поміщені рамки, катіонітові, аніонітові мембрани, що утворюють камери знесолення та концентрування з розміщеними в них фіксаторами відстані, виконаними у вигляді тонких струн із неелектропровідного матеріалу і розташованими паралельно одна одній у кожній камері, проекції струн у будь-якій із двох сусідніх камер перпендикулярні одна одній, який відрізняється тим, що на поверхні розділових мембран із боку, покритого іонітом, поміщено шар поліелектроліту. 2. Електродіалізатор за п. 1, який відрізняється тим, що як поліелектроліт використано поліакриламід. UA (21) a200511534 (22) 05.12.2005 (46) 10.06.2008, Бюл.№ 11, 2008 р. (72) МИХАЙЛЮК ВАЛЕРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, КУЛАЛАЄВА НАТАЛЯ ВАЛЕРІЇВНА, UA, СЕМЕНОВ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, UA (56) SU 1125000, B01D 13/02, 1984 SU 381364, B01D 61/46, 1973 SU 1440524, B01D 13/02, 1988 US 5520813, B01D 15/04, 11/04, 1996 Гребенюк В.Д., Жигинас Л.Х., Пономарев М.И. Модификация мембраны МК-40 полиэлектролитами // Мембранно-сорбционные процессы разделения веществ и их применение в народном хозяйстве: Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции. Черкассы, 1988. - С. 66-67 Гребенюк В.Д., Перепелкин П.В., Старов В.М., Филиппов А.Н., Чеботарева Р.Д. Электродиализ рас C2 2 (19) 1 3 рів. Робота електродіалізатора здійснюється в такий спосіб. Вихідний розчин надходить у камеру знесолення через нижній і видаляється через верхній колектори. З води, яка знесолюється, і спрямовується в камери електродіалізатора й утримує, наприклад, катіони натрію, кальцію і магнію й аніони хлору, сульфати і бікарбонати, під впливом електричного полю, утвореного електродами, приєднаними до джерела живлення постійного струму, катіони переходять з камери знесолення через катіонообмінну мембрану в приелектродну камеру католіту, а аніони — через аніонообмінну мембрану — у камеру аноліту. Іони, що перейшли в приелектродний простір, розряджаються на електродах з утворенням на катоді газоподібного водню, а на аноді - газоподібного кисню і хлору. У камері католіту накопичуються гідроксиди металів, а в камері анолггу — розчини кислот. Крім того, у робочому режимі в примембранному просторі даного електродіалізатора утвориться дистилятний дифузійний шар, що має значний електричний опір. У результаті, для підвищення граничної щільності струму приходиться збільшувати швидкість плину розчинів, що також приводить до зростання енерговитрат. Однак, незважаючи на зазначену недосконалість конструкції, описаний електродіалізатор прийнятий як прототип тому, що ні в якому іншому відомому електродіалізаторі не застосовуються фіксатори відстані у вигляді тонких струн, які мають малий гідравлічний опір потоку. Таким чином, за кількістю загальних ознак електродіалізатор (останній) прийнятий як прототип пристрою, що заявляється. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення електродіалізатора, в якому удосконалювання конструкції розділових мембран забезпечує зниження енерговитрат при більш ефективному виділенні розчинених солей і за рахунок цього досягається зниження масогабаритних показників і підвищення експлуатаційних характеристик, зниження енергоспоживання. Поставлена задача вирішується тим, що в електродіалізаторі, котрий містить електроди, між якими поміщені рамки, катіонітові та аніонітові мембрани, що утворюють камери знесолення і концентрування з поміщеними в них фіксаторами відстані, виконаними у вигляді тонких струн з неелектропровідного матеріалу і розміщеними паралельно одна одній в кожній камері і взаємно перпендикулярно в будь-яких із двох сусідніх камер, згідно з виноходом, на поверхні розділових мембран поміщено шар поліелектроліту, у якості якого використано поліакриламід. Надання поверхням мембран не властивих їм якостей (тобто модифікація) шляхом приміщення (прищеплювання) на них шару поліелектроліту, що вирівнює профілі концентрації солей в осередку електродіалізного апарата без включення в його склад додаткових механічних пристроїв, зменшує градієнт їхньої концентрації в примембранному дистилятному дифузійному шарі і, таким чином, усуває присутність останнього у поверхні мембрани. Пропонований варіант конструкції розділових мембран дозволяє досягти за рахунок організації оптимальних умов розподілу солей, що приводить 83039 4 до усунення примембранного дистилятного дифузійного шару в камерах електродіалізатора і сприятливих підвищенню граничної щільності електричного струму без застосування різного тилу механічних завихрювачів. Іонітові мембрани є основним елементом електродіалізних апаратів. Для промислових апаратів великої продуктивності використовують, як правило, гетерогенні іонітові мембрани. їх отримують формуванням у листи суміші порошку іоніту та поліетилену. Для забезпечення механічної міцності мембран їхня поверхня армується капроновою чи лавсановою сіткою. У залежності від типу іоніту, що використовується при формуванні мембран, одержують катіонообмінні або аніонообмінні мембрани. Іонітові мембрани за своїми фізико-хімічними показниками можна представити як напівпровідники другого роду, володіючи великою щільністю фіксованих зарядів, мембрани здатні пропускати в напрямку електричного поля іони тільки одного знаку. Катіонообмінні мембрани мають негативний заряд, а аніонообмінні - позитивний заряд фіксованих іонів і в ідеальному випадку перші здатні пропускати тільки катіони, а другі - тільки аніони. Продуктивність електродіалізних апаратів за кількістю відокремлюваних у них солей при даній мінералізації вихідної води залежить від щільності струму, що протікав через мембрани. Щільність струму залежить від солевмісту води, яку знесолюють, величини дистилятного примембранного дифузійного шару, товщини камер, електростатичного опору мембран. Останнє, крім інтенсивності доставки іонів до їхньої поверхні (обумовленої солевмістом води і величиною дистилятного примембранного дифузійного шару), залежить від щільності електричних зарядів у структурі мембран та їхніх характеристик. Загальноприйнятим шляхом інтенсифікації процесу переносу в електродіалізному осередку є турбулізація потоку як засобу усунення примембранного дистилятного дифузійного шару за рахунок встановлення сіток, лабіринтів та інших типів механічних завихрювачів. Завдяки наявності турбулентних пульсацій макрообсяги рідині, переміщуючись, транспортують іони солей до мембран, збільшуючи в такий спосіб граничний струм. Однак, у зв'язку з тим, що швидкості плину рідини в електродіалізному осередку малі, то вирішальну роль здобуває дія сил в'язкості. Експериментальні та теоретичні дослідження показали, що основна частина турбулентних пульсацій не проникає в дифузійний шар і, у більшості випадків, не приносить істотної користі для інтенсифікації масопереносу, тому створення високотурбулізованого потоку в осередку електродіалізатора часто не вирішує проблеми його удосконалення. Більш того, результати [Ушаков Л .Д. Сравнительная оценка сепараторов электродиализных аппаратов, в кн. Ионообменные мембрани в электродиализе. Л.: Химия, -1979, с.204-213] свідчать про значне підвищення гідравлічного опору (у 7...10 разів) електродіализного осередку при приміщенні в ньому сітки - турбулізатора як просторової вставки. Застосування лабіринтових рамок, що утворюють прямолінійні канали, кілька разів послідовно повертають потік рідини, у більшості випадків, на кут 5 180°, не раціонально у зв'язку з тим, що значна площа мембрани перекривається лабіринтовою рамкою. Через захаращення потоку для досягнення тієї ж продуктивності на одному осередку в лабіринтовій рамці швидкості плину рідини в 3...10 разів більше, ніж у камері без вставки. Тому місцеві опори й опори тертя великі, а інтенсивність масопереносу значно нижче, навіть ніж в осередках з турбулізаторами [Ушаков Л.Д. Определение расчетных параметров электродиализных опреснительних аппаратов. «Водоснабжение и санитарная техника», №3,1968, с.18-23]. У якості прикладу процес модифікації мембран можна здійснити в такий спосіб. Для реалізації цієї мети найбільш ефективним є метод сорбції, що і був застосований. У сорбційному експерименті використовувався вихідний розчин поліакриламіду з концентрацією 1%, приготовлений з 25% промислової емульсії (ТУ6-01-2-88 «СЗП АО «Каустик»). Робочі розчини, що містять 0,05мг/л поліакриламіду, готували в день проведення експерименту. Сорбція виконувалася за допомогою спеціально розробленого вібростенду робочим розчином поліелектроліту з визначеною, попередньо розрахованою оптимальною концентрацією поліакриламіду. Для перевірки результатів модифікації було виконано дослідження процесів масопереносу в досліджуваному робочому осередку електродіалізного апарату, що дало можливість визначити в ньому профілі концентрації солей, які генеруються і характеризують масоперенос. Інформацію про зміни профілів концентрації солей у примембранному шарі було використано для визначення особливостей поводження поліелектроліту на досліджуваній поверхні. При посиланні електричного струму в осередок із установленою немодифікованою мембраною спостерігалося зрушення поля концентрації в протилежний від мембрани бік. Це відбувалося за рахунок різниці швидкостей проходження іонів через мембрану і розчин (перша значно вище, ніж друга), що і спричиняло утворення дистилятного дифузійного шару перед мембраною, у той час як на модифікованих мембранах цього не відбувалося. Оскільки загальноприйняті контактні методи не дозволяли визначити градієнт профілів концентрації солей у камері концентрування електодіалізатора, для підтвердження наявності поліакриламіду на поверхні мембран було використано безконтактний метод голографічної інтерферометри, а саме, метод реального часу в смугах кінцевої ширини, що дав позитивні результати [Антонов Ε.Α., Гинзбург В.М. Оптическая голография.- М.: Соврадио, 1978.- 240с.]. На кресленні подано запропонований електродіалізатор: Фіг.1 -просторове зображення, Фіг.2 у розрізі). Електродіалізатор складається з двох електродних камер: катодної 1 та анодної 2, між якими затиснутий пакет катіонообмінних мембран 3 і аніонообмінних мембран 4, що чергуються, розділених фіксаторами 5, котрі представляють собою струни з неелектропровідного матеріалу, розміщені паралельно одна до іншої в кожній камері та взаємно перпендикулярних у будь-яких із двох сусідніх камер. Таким чином, одні фіксатори 5 83039 6 укладені в камери знесолення, а інші (перпендикулярні їм) у камери концентрування. На поверхні мембран 3, 4 з боку, покритого іонітом, поміщено шар поліелектроліту, наприклад, поліакриламіду. Для забезпечення циркуляції рідини через камери концентрування служать колектори: що підводить 6 і відводить 7. Нижній 8 і верхній 9 колектори призначені для підведення та відводу розчину в камеру знесолення. Штуцери 10 і 11 служать для живлення анодної камери, 12 та 13 -катодної, 14,15,16 - для живлення колекторів. Електроди 17,18 зі струмолідводами 19,20 вставлені в електродні камери, у які також уведені сітки 21, що запобігають прогину мембран. Штуцери 16, 14 призначені відповідно для підведення і відводу вихідного розчину. З боку анода 18 зі струмовідводом 19 кріпиться аніонообмінна мембрана 4, а з боку катода 17 зі струмовідводом 20 - катіонообмінна мембрана 3. Електодіалізатор працює в такий спосіб. Розчин надходить і виводиться через колектори 9, 8 у (з) електродіалізатор через штуцери 16, 14. Перетікання рідини через камери концентрування здійснюється за допомогою колекторів, що підводить 6 і відводить 7 зі штуцерами 15. Розчин надходить у камеру знесолення через нижній колектор 8 і видаляється через верхній колектор 9. Електроди 17, 18 зі струмопідводами 19, 20 розміщені в катодній 1 і анодній 2 камерах, у яких також розміщені сітки 21, що запобігають прогину мембран 3, 4, створюють електричне поле, під дією якого іони солей при протоці через камери знесолення розчину, що надходить до них з колекторів 8, 9 зі штуцерами 14, 16, мігрують через катіонообмінні 3 та аніонообмінні 4 мембрани, розділені між собою фіксаторами 5 у камеру концентрування. Живлення анодної 2 та катодної 1 камер здійснюється за допомогою штуцерів відповідно 10, 11 і 12, 13. При обтіканні рідиною сегментів поліелектроліту відбувається корекція профілів концентрації сольових полів, що приводить до усунення примембранного дистилятного дифузійного шару. Відповідно до теорії адсорбції полімерів [Полимерсодержащие дисперсные системи/ Баран Α.Α.. - Киев: Наук. Думка, 1986.- 204с.] макромолекули поліелектроліту на носії (іонітові мембрани) розташовуються у вигляді «петель» та окремих «хвостів». Присутність поліелектроліту в таких формах на поверхні носія (мембрани) по-перше, розвиває цю поверхню, а по-друге - насичує примембранний шар іонами, оскільки макроіон містить заряджені функціональні групи, біля яких розташовуються протиіони. відповідно до ефекту «поліелектролітного набрякання» [Энциклопедия полимеров. Ред. коллегия: В.А. Кабанов (глав, ред.) и др. т.3. - М., «Советская энциклопедия», 1977. т.3. П-Я. 1977. 1152с.] зі зміною концентрації солі в розчині змінюється конформація фрагментів поліелектроліту. У присутності солей поліелектроліт звертається, при опрісненні розвертається й однойменно заряджені групи поліелектроліту відштовхуються. При цьому відбувається іонізація примембранного дистилятного дифузійного шару, що спричиняє зниження його електричного опору. Таким чином, знімання солі з одиниці площі мембрани 7 83039 збільшується в 1,5...2,8 рази в порівнянні з прототипом. Доцільно оцінювати економічність електродіалізаторів за витратами енергії на видалення 1кг солі. У пропонованому технічному рішенні витрати енергії на переніс 1кг солі складають 1,2кВт.година/кг, проти 1,6...2,8кВт. година/кг у прототипі. Використання пропонованого винаходу дозволить досягти за рахунок організації оптимальних умов розподілу солей у камерах електродіалізатора підвищення граничної щільності електричного струму без застосування різного типу механічних завихрювачів. Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 Розглянуті вище ознаки, такі як розміщення на поверхні розділових мембран шару поліелектроліту, у якості якого використано поліакриламід, дозволяє підвищити інтенсивність і економічність процесів, які відбуваються в електродіалізаторі, у відомій літературі не зустрічалися. Зазначені ознаки є істотними, тому що дозволяють знизити енерговитрати в порівнянні з прототипом на 25...35%. Технічне виконання процесу нанесення електроліту на розділові мембрани доступно практично будь-якому підприємству - виготовлювачу електродіалізних апаратів. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601