Електродіалізатор-концентратор

Електродіалізатор-концентратор, який складається з електродів, між останніми розміщений пакет із іонітових мембран і рамок-прокладок, що утворюють камери знесолення та концентрування, і обладнаний колектором подачі вихідної води, колектором відводу знесоленої води та зовнішнім колектором відводу розсолу, причому камери концентрування у верхній частині обладнані електроізоляційними трубками відводу розсолів у зовнішні колектори, який відрізняється тим, що камери знесолення через одну обладнані колектором подачі одно-однозарядного електроліту і колектором відводу знесоленого електроліту, камери концентрування через одну обладнані окремим колектором відводу концентрату. Винахід належить до галузі електрохімічного очищення води, зокрема до конструкцій пристроїв електродіалізного типу, і може бути використаний для значного концентрування розсолів та розділення їх солей при знесоленні мінералізованих природних і стічних вод. Відомий електродіалізатор, що містить електроди, між якими розміщений пакет із іонітових мембран і рамок-прокладок, які утворюють камери знесолення та концентрування. Подача води, що обробляється, і відвід знесоленої води та розсолу здійснюється через колектори, створені спеціальними пазами в рамках-прокладках [Гребенюк В.Д. Электродиализ. – К.: Техніка, 1976. – 160 с., С. 99100] [1]. Електродіалізатор працює наступним чином. Вихідну мінералізовану воду подають через колектор у камери знесолення та концентрування. Вода з камер знесолення і розсіл з камер концентрування відводяться через відповідні колектори. При цьому досягається концентрування солей у розсолі лише у 3-5 разів. Таким чином, основним недоліком електродіалізатора цієї конструкції [1] є незначне концентрування солей у розсолі за рахунок розрідження розсолу вихідною водою. Таке концентрування недостатнє для подальшої ефективної переробки розсолів на окремі солі, зокрема, кристалізацією. Відомий також електродіалізатор [Пилипенко А.Т., Гороновский И.Т., Гребенюк В.Д и дp. Комплексная переработка шахтных вод. – К.: Техніка, 1985. - 183 с., С. 83-86] [2]. Відомий електродіалізатор складається з електродів і розташованого між останніми пакета з іонітових мембран і рамокпрокладок, що утворюють камери знесолення та концентрування, і обладнаний колектором подачі води, що обробляється, та колекторами відводу знесоленої води та розсолу. Колектори подачі та відводу води виконані у вигляді пазів у рамкахпрокладках. Робота електродіалізатора здійснюється наступним чином. Вихідну воду подають через колектор електродіалізатора тільки в камери знесолення, звідки вода через колектор відводиться до споживача. У камери концентрування вода надхо (19) UA (11) 97302 (13) (21) a201006709 (22) 31.05.2010 (24) 25.01.2012 (46) 25.01.2012, Бюл.№ 2, 2012 р. (72) ГОНЧАРУК ВЛАДИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ, КУЧЕРУК ДМИТРО ДМИТРОВИЧ, БАЛАКІНА МАРГАРИТА МИКОЛАЇВНА (73) ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В.ДУМАНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) JP 2007007655 A; 18.01.2007 US 5589050 A; 31.12.1996 SU 899064; 23.01.1982 US 4115225 A; 19.09.1978 GB 1030090 A; 18.05.1966 JP 60034415 B; 08.08.1985 RU 2233799 C1; 10.08.2004 RU 92011926 A; 10.02.1996 C2 1 3 дить тільки внаслідок осмотичного й електроосмотичного переносу з камер знесолення. З камер концентрування розсіл через колектор надходить на подальшу переробку. Апарат дозволяє досяга3 ти концентрування розсолу до 160-180 г/дм при 3 обробці вихідної води із солевмістом 6,0 г/дм . Однак слід відмітити, що у процесі роботи відомого електродіалізатора [2] значно підвищується струм витоку з камер концентрування в розсольний колектор у зв'язку із збільшенням концентрації розсолу, і за 8-10 год. безперервної роботи апарата мембрани розігріваються на ділянках, які не омиваються розчином, що призводить до оплавлення мембранного пакета. Це, в свою чергу, унеможливлює подальшу роботу апарата. Крім того, як випливає із конструкції відомого електродіалізатора, останній не передбачає обробки вихідної води з підвищеним солевмістом, на3 приклад, 20-30 г/дм , тобто обробки солоних та сильносолоних вод, оскільки чим більш концентрований розсіл, тим вище струм витоку. А проблема переробки розсолів з концентрацією солей 123 25 г/дм , що утворюються при знесоленні солону3 ватих вод (із солевмістом 3-5 г/дм ) зворотним осмосом потребує більш високого концентрування розсолів для ефективнішої подальшої їх переробки на цінні продукти, наприклад, кристалізацією. Таким чином, недоліками відомого електродіалізатора [2] є незначна тривалість безперервної його роботи внаслідок розігрівання і виходу з ладу мембран і пластикових конструктивних елементів, а також недостатньо високе концентрування соло3 них і сильносолоних вод (20-30 г/дм ). Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є електродіалізатор-концентратор [Заявка України № а2010 04ІІІ, дата подання 08.04.2010 МПК (2009) В 01 D 61/42; В 01 D 61/48; С 02 F 1/469] [3]. Електродіалізатор-концентратор містить притискні пластини, електроди, іонітові мембрани, які розміщені між рамками-прокладками. Як мембрани використані аніонітові МА-40 та катіонітові МК-40. У рамках-прокладках виконані отвори, що утворюють колектор відводу знесоленої води. Іонітові мембрани з рамками-прокладками утворюють камери знесолення та камери концентрування, а електроди з іонітовими мембранами утворюють електродні камери. Для відводу розсолу з камер концентрування останні обладнані пристроєм, виконаним у вигляді трубок, по яких розсіл направляється у зовнішній колектор (лоток). Електродіалізатор-концентратор працює наступним чином. Вихідну мінералізовану воду подають у камери знесолення електродіалізатора-концентратора. Одночасно для створення електропровідності системи мінералізовану воду подають у електродні камери. Під дією постійного електричного струму гідратовані іони мігрують через іонообмінні мембрани у камери концентрування. Знесолена вода виводиться з камер знесолення через колектор і надходить до споживача. Розсіл з камер концентрування відводиться за допомогою тонких полімерних трубок до зовнішнього колектора (лотка). 97302 4 Знесоленню піддавали мінералізовану воду з 3 загальною мінералізацією 20-30 г/дм . В процесі роботи електродіалізатора-концентратора одер3 жували концентрат, що містив 190-253 г/дм солей. При цьому одержували знесолену воду з концент3 рацією солей не більш, ніж 1000 мг/дм . Тривалість роботи електродіалізатора-концентратора була практично обмеженою тільки тривалістю служби іонообмінних мембран. Однак, як показали наші дослідження, в процесі роботи електродіалізатора-концентратора [3] спостерігається утворення осадів малорозчинних сполук (здебільшого сульфатів кальцію) на іонітових мембранах переважно у камерах знесолення, внаслідок вибіркового переносу протиіонів через іонітові мембрани. Утворені осади частково блокують робочу поверхню мембран, внаслідок чого погіршується перенос іонів через них, що призводить до зменшення мембранної селективності. При цьому також збільшується електричний опір мембран, що вимагає підвищення енерговитрат на знесолення та концентрування вихідної води. Так, при роботі електродіалізатора-концентратора протягом 1,5 місяців селективність мембран знизилась з 0,94-0,96 до 0,71-0,77, що викликало необхідність збільшення енерговитрат на 25-30 %. Таким чином, основним недоліком відомого електродіалізатора-концентратора [3] є погіршення робочих характеристик іонітових мембран внаслідок осадоутворення, що викликає: - погіршення їх селективності; - підвищення енерговитрат на проведення процесу електродіалізу. В основу винаходу поставлено задачу розробити конструкцію електродіалізатораконцентратора шляхом виконання камер знесолення двох типів, обладнаних окремими колекторами як для подачі вихідних розчинів, так і для відводу оброблених розчинів, а також виконання камер концентрування двох типів, обладнаних окремими колекторами відводу концентратів. Таке конструктивне виконання електродіалізатораконцентратора забезпечить запобігання осадоутворенню малорозчинних сполук на поверхні мембран, що приведе до збереження селективності мембран та зменшення енерговитрат в процесі роботи. Для вирішення поставленої задачі запропоновано електродіалізатор-концентратор, який складається з електродів, між останніми розміщений пакет з іонітових мембран і рамок-прокладок, що утворюють камери знесолення та концентрування, і обладнаний колектором подачі вихідної води, колектором відводу знесоленої води та зовнішнім колектором відводу розсолу, причому камери концентрування у верхній частині обладнані електроізоляційними трубками відводу розсолів у зовнішні колектори, в якому, згідно з винаходом, камери знесолення через одну обладнані колектором подачі одно-однозарядного електроліту і колектором відводу знесоленого електроліту, камери концентрування через одну обладнані окремим колектором відводу концентрату. Нами запропонована нова конструкція електродіалізатора-концентратора, оригінальність вирі 5 шення якої полягає у виконанні камер знесолення та концентрування двох типів, розташованих через одну, що обумовилообладнання електродіалізатора-концентратора додатковими окремими колекторами відводу знесоленого електроліту та концентрату. Це унеможливлює взаємодію катіонів 2+ 2+ 2+ солей твердості (Са і Mg ) і аніонів SO4 з утворенням малорозчинних осадів на поверхні іонітових мембран у камерах концентрування. Відсутність осадоутворення сприяє збереженню постійних значень чисел переносу іонів через мембрани, що в свою чергу забезпечує постійні значення селективності іонітових мембран. Слід відмітити, що у зазначених умовах не спостерігається підвищення енерговитрат. Таким чином, сукупність суттєвих ознак електродіалізатора-концентратора, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - стабілізації значень селективності іонітових мембран в процесі роботи та уникання підвищення енерговитрат на проведення електродіалізу при досягненні тривалої безперервної роботи. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлений зовнішній вигляд електродіалізатора-концентратора у фронтальному перерізі (а) та по перерізу А-А (б), а на фіг. 2 - його зовнішній вигляд по перерізах Б-Б (в) і В-В (г). Електродіалізатор-концентратор містить притискні пластини (1), електроди (2), аніонітові мембрани (МА-40) (3) і катіонітові мембрани (МК-40) (4), які розміщені між рамками-прокладками (5). Іонітові мембрани з рамками-прокладками утворюють камери знесолення вихідної води (6), камери знесолення електроліту (7), камери концентрування солей однозарядних катіонів (8) і камери концентрування солей однозарядних аніонів (9), а електроди з іонітовими мембранами утворюють електродні камери (10). У рамках-прокладках (5) виконані отвори (11), що з'єднані з колектором подачі вихідної води (12) і отвори (13), що з'єднані з колектором відводу знесоленої води (14). Через колектор (15) і отвори (16) до камер знесолення (7) надходить одно-однозарядний електроліт, який після знесолення відводиться через отвори (17) і колектор (18). Для відводу розсолу камери концентрування солей однозарядних катіонів (8) і камери концентрування солей однозарядних аніонів (9) обладнані пристроями, виконаними у вигляді трубок (19), по яких розсоли надходять у зовнішні колектори відводу солей однозарядних катіонів (20) і солей однозарядних аніонів (21). Електродіалізатор-концентратор працює наступним чином. Вихідну мінералізовану воду через колектор 12 подають у камери знесолення 6 електродіалізатора-концентратора. Одночасно через колектор 15 подають одно-однозарядний електроліт у камери знесолення 7 і в електродні камери 10 для створення електропровідності системи. Під дією постійного електричного струму гідратовані іони мігрують через іонітові мембрани 3, 4 у камери концентрування солей однозарядних катіонів 8 і камери концентрування солей однозарядних аніонів 9. Знесолена вода відводиться з камер знесо 97302 6 лення через отвори 13 за допомогою колектора 14 і надходить до споживача. Знесолений однооднозарядний електроліт після корегування вмісту солі рециркулює в системі апарата. Розсоли з камер концентрування однозарядних катіонів 8 і камер концентрування однозарядних аніонів 9 відводяться за допомогою тонких полімерних трубок 19 до відповідних зовнішніх колекторів 20 і 21. В електродіалізатор-концентратор подавали вихідну воду із загальною мінералізацією 20-30 3 г/дм . В процесі роботи визначали селективність мембран  згідно з формулою: C   1 2 , C1 де C1 і C 2 - солевміст вихідної та знесоленої води відповідно [Енциклопедія мембран: у 2 т. - К.: Вид. дім "Києво-Могилянська академія". - 2005. - Т. 1. - 658 с., С. 554] [4]. Загальний вміст солей визначали за мінеральним залишком після прожарювання в муфельній печі [Кульский Л.А. Основы химии и технологи воды. – К.: Наукова думка, 1991. - 568 с., С. 500-501] [5]. На початку роботи електродіалізатораконцентратора селективність іонітових мембран становила 0,94-0,95. Вимірювання впродовж 1,5 місяця показали, що цей показник практично не зазнав змін. Робота електродіалізатора-концентратора забезпечувала одержання знесоленої води із солев3 містом не більше, ніж 1000 мг/дм і концентрату із 3 вмістом солей 190-253 г/дм . При цьому в камерах концентрування відбувалося утворення тільки розчинних солей, завдяки чому осадоутворення на мембранах було практично відсутнє, що забезпечувало стабільність селективності іонітових мембран. Відсутність осадоутворення приводила до зниження енерговитрат на роботу електродіалізатора-концентратора. Приклад виконання за винаходом. Вихідну воду із загальним вмістом солей 25 3 г/дм подавали в камери знесолення (6). Одночасно в камери знесолення (7) і для надання системі електропровідності в електродні камери (10) подавали одно-однозарядний електроліт - розчин хло3 риду натрію з концентрацією 25 г/дм . Під дією поля постійного електричного струму відбувалась міграція іонів через відповідні іонітові мембрани. З камер знесолення вихідної води (6) + через катіонітові мембрани (МК-40) катіони Na і 2+ Са мігрували в камери концентрування солей однозарядних аніонів (хлоридів) (9), а через аніо2+ нітові мембрани (МА-40) аніони Сl і SO4 мігрували в камери концентрування солей однозарядних катіонів (натрію) (8). З камер знесолення розчину хлориду натрію (7) через катіонітові мембрани в камери концентрування солей натрію (8) мігрували + іони Na , а в камери концентрування хлоридів (9) мігрували іони Сl . З камер знесолення (6) знесолена вихідна во3 да із солевмістом 920 мг/дм надходила до споживача. З камер знесолення (7) знесолений розчин хлориду натрію після корегування концентрації до 7 3 25 г/дм повертався в електродіалізаторконцентратор. В камерах концентрування хлоридів (9) утворювався розсіл з хлоридів натрію та кальцію, в камерах концентрування солей натрію (8) - розсіл з хлоридів та сульфатів натрію. Кожен із одержа3 них розсолів містив ~223 г/дм відповідних солей, що дозволяло проводити їх подальшу ефективну переробку на окремі складові. Одержання в камерах концентрування розсолів тільки розчинних солей забезпечувало стабільність селективності мембран: вихідна селективність мембран становила 0,94, і це значення селективності не змінювалося протягом 1,5 місяця роботи електродіалізатора-концентратора. При цьому слід відмітити, що результатом відсутності осадоутворення на мембранах була незмінна величина енерговитрат. Переваги запропонованої конструкції електродіалізатора-концентратора в порівнянні з відомим 97302 8 [3] полягають у наступному. Реалізація роботи електродіалізатора-концентратора забезпечує: - підтримання стабільної селективності іонітових мембран за рахунок відсутності осадоутворення на останніх; - зменшення енерговитрат у процесі знесолення-концентрування на 25-30 %; - ефективне концентрування солоних и сильносолоних вод з високою мінералізацією, на рівні 3 20-30 г/дм , і одержання концентратів із солевміс3 том 190-253 г/дм . Перевагою запропонованої конструкції електродіалізатора-концентратора є те, що його ефективна робота не вимагає попереднього очищення вихідної води від солей твердості на відміну від електродіалізаторів звичайної конструкції [1, С. 8990]. 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 97302 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601