Спосіб очистки води від цинку методом електродіалізу

Реферат: UA 105102 C2 (12) UA 105102 C2 Винахід належить до галузі електрохімічної обробки води, зокрема до іонообмінного електродіалізу. Спосіб полягає в подачі води в камери знесолення, заповнені гранулами катіоніту, модифікованого високоосновним поліелектролітом в кількості 8-10 мг/г катіоніту, з наступним фільтруванням діалізату. Реалізація способу забезпечує підвищення ступеня 3 очистки води від цинку на 54,9-56,6 %, зменшення енерговитрат більш ніж на 2,7 кВт•год./м . UA 105102 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області електрохімічної обробки води, зокрема, до іонообмінного електродіалізу і може бути використаний для очистки промивних вод гальванічного виробництва від цинку. Відомий спосіб електродіалізного знесолення води [RU, Патент 2245848, МПК В 01D 61/44; С02 F 1/469. Опубл. 10.02.2005] [1]. Сутність способу полягає в тому, що знесолюваний розчин подають в міжмембранний простір (камери електродіалізатора) і процес знесолення здійснюють при накладанні електричного поля постійного струму до одержання кінцевої (заданої) концентрації. Для запобігання утворення важкорозчинного осаду на мембранах процес здійснюють при щільностях струму нижче граничної, для чого контролюють режимні параметри процесу величини струму і напруги, і у відповідності з ними коректують концентрацію розчину, використовуючи режим рециркуляції діалізату чи концентрату. Повертання частини знесоленого розчину чи концентрату в рецикл (рециркуляція) дозволяє підтримувати необхідне оптимальне значення електричного опору електродіалізатора, яке забезпечує максимально можливу щільність струму і стабільне протікання процесу знесолення без утворення осадів на мембранах. Недоліком способу є те, що для забезпечення сталості процесу знесолення і запобігання утворення важкорозчинного осаду на мембранах частину знесоленого розчину чи концентрату додають до вихідного розчину, що знижує продуктивність процесу знесолення і викликає не виправдані витрати електроенергії. Крім того, для запобігання перевищення граничного значення щільності струму, спосіб не дозволяє знизити концентрацію знесоленого розчину нижче 0,3 г/л. Найбільш близьким аналогом до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб очистки води в багатокамерному електродіалізаторі [RU, Патент 2056912, МПК В 01D 61/44. Опубл. 27.03.1996] [2]. У відомому способі процес знесолення води здійснюють в багатокамерному електродіалізаторі з малим міжмембранним простором, камери якого заповнені гранулами іонообмінних смол із суміші аніоніту АВ-17 і катіоніту КУ-2 з діаметром гранул 0,40-0,45 мм при об'ємному співвідношенні аніоніту і катіоніту 3:2. Реалізація способу здійснюється при накладанні електричного струму шляхом пропущення води через камери знесолення електродіалізатору. Ступінь знесолення води в апараті складає 40 %, питомі енерговитрати 3 0,1 кВт•год./м . Для визначення ефективності відомого способу в процесі очистки води, нами були проведені дослідження на прикладі очистки промивної води гальванічного виробництва від іонів цинку при використанні заявлюваного 6-ти камерного електродіалізного апарату, схема якого представлена на кресленні. Через камери знесолення (7, 8) апарату, в які було завантажено мішаний шар іонітів КУ-2 і АВ-17, подавали модельний розчин промивної води гальванічного 3 виробництва з концентрацією іонів цинку 326,9 мг/дм . При накладанні електричного струму 3 концентрація іонів цинку у знесоленій воді складала 140 мг/дм , ступінь знесолення води від цинку не перевищував 41 %, питомі енерговитрати на процес знесолення складали 3 3,5 кВт•год./м (табл. 1, п. 1). Таким чином, недоліками відомого способу є низький ступінь видалення іонів цинку з промивної води гальванічного виробництва, що потребує додаткового очищення води для використання її в технологічному процесі, достатньо високі питомі енерговитрати, а також складність реалізації способу - необхідність робити поглиблення в матеріалі мембран у відповідності з розмірами зерен іонообмінних смол і їх кількістю. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб очистки води від цинку методом електродіалізу шляхом подачі води в камери знесолення, заповнені гранульованим катіонітом, модифікованим високоосновним поліелектролітом (ПЕ) з наступним фільтруванням діалізату. Це дозволить збільшити ступінь видалення іонів цинку і зменшити питомі енерговитрати на процес очищення води, а також спростити процес очистки води і використати очищену воду для технологічних потреб. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб очистки води від цинку, що включає подачу води в камери знесолення, заповнені гранулами іонообмінної смоли, в якому, відповідно до винаходу, як іонообмінну смолу використовують катіоніт, модифікований високоосновним поліелектролітом (ПЕ) полігексаметилен-N, N-тетраметил-1,5диметилнафталін-діамоній хлоридом в кількості 8-10 мг на г катіоніту, і одержаний діалізат додатково фільтрують. Як ми вважаємо, при модифікації катіоніту і катіонітових мембран, які мають негативний заряд, високоосновним (тобто позитивно зарядженим) поліелектролітом на поверхні іоніту і 1 UA 105102 C2 + 5 10 мембрани утворюється біполярна границя, на якій відбувається генерація Н і ОН -іонів. + Утворювані при цьому Н -іони мігрують через катіонітові мембрани в камери концентрування, а ОН -іони зв'язуються з іонами цинку, утворюючи важкорозчинні сполуки. Таким чином, при накладанні електричного струму іони цинку видаляються із знесолюваного розчину не тільки шляхом електроміграції в камери концентрування, але і за рахунок зв'язування в гідроксиди в камері знесолення. Це призводить до суттєвого підвищення ступеня видалення цинку в процесі електродіалізу. Знесолений діалізат містить осад гідроксиду цинку в колоїдному стані, і при пропусканні його через фільтр відбувається додаткове очищення розчину від сполук цинку до 3 залишкової концентрації цинку менше 10 мг/дм . Одержаний результат не є очікуваним, що підтверджується даними таблиці 1. Таблиця 1 № п/п 1 2 3 15 20 25 30 35 40 45 50 Умови проведення процесу очистки модельної води від іонів цинку Вода + ПЕ Вода + КУ-2 Вода + КУ-2 +ПЕ + фільтр Показники процесу очищення води Витрати Концентрація іонів Ступінь видалення електроенергії, 3 цинку, мг/дм цинку, % 3 кВт·• год./м 55 72,8 3,5 65 77,5 1,0 8 97,5 0,7 Як видно з представлених даних, при здійсненні процесу очистки води тільки в присутності поліелектроліту, але без заповнення камер знесолення катіонітом КУ-2, ступінь очистки низький 3 і досягає тільки 72,8 %, а питомі енерговитрати складають 3,5 кВт•год./м (табл. 1, пр. 1). При заповненні камер знесолення катіонітом КУ-2 без нанесення поліелектроліту, ступінь знесолення дорівнює 77,5 % (табл. 1, пр. 2). І тільки комбінація складових процесу, що заявляється, дозволяє підвищити ступінь видалення іонів цинку з розчину до 97,5 %, зменшити концентрацію іонів цинку у знесоленому 3 розчині до 8 мг/дм і при цьому знизити питомі витрати електроенергії на процес очистки води 3 до 0,7 кВт•год./м . Спосіб реалізується наступним чином. Очистку модельного розчину (промивної води ванни цинкування) проводили на установці, схематичне зображення якої представлено на кресленні. Установка складається із електродіалізного апарата 1, фільтра 2, ємності для очищеної води 3 і насоса 4. Електродіалізний апарат містить електродні камери 5, 6, камери знесолювання 7, 8 і камери концентрування 9, 10. Камери знесолення відділені від камер концентрування катіонітовими мембранами МК-40 (К) і аніонітовими мембранами МА-40 (А) з міжмембранною відстанню 5 мм. Камери знесолювання 7, 8 заповнювали катіонітовою смолою КУ-2 × 8. Через камери, завантажені смолою, пропускали розчин поліелектроліту полігексаметилен-N, N-тетраметил3 1,5-диметілнафталін-діамоній хлориду з концентрацією 10 мг/дм до поглинання поліелектроліту смолою в кількості 8-10 мг/г смоли. Процес очистки води від іонів цинку здійснювали таким чином: модельний розчин, який 3 містив 327 мг/дм сульфату цинку із ємності 3 подавали в камери знесолювання 7, 8 за допомогою центробіжного насосу 4; знесолюваний розчин із камер 7, 8 пропускали через фільтр 2. Через камери концентрування 9, 10 пропускали розчин нітрату калію з концентрацією 0,05 3 моль/дм . Процес очистки модельного розчину проводили в циркуляційному режимі при 2 щільностях струму 12-24 мА/см з додатковим фільтруванням діалізату. Після включення постійного електричного струму через кожні 0,5 години проводили відбір проб із камер знесолювання і концентрування. Аналіз концентрації іонів цинку у розчинах здійснювали комплексонометричним методом з використанням трилона Б і індикатору еріохромчорного Т. 3 Знесолена вода з концентрацією 8-10 мг/дм може бути використана на технологічні потреби. Приклад виконання за винаходом. 3 Процес очистки модельної води сульфату цинку з концентрацією 327 мг/дм проводили в 6-й камерному електродіалізному апараті (креслення), по схемі, яка описана вище. Камери знесолювання 7, 8 заповнювали катіонітовою смолою КУ-2 × 8, через яку пропускали розчин поліелектроліту полігексаметилен-N, N-тетраметил-1,5-диметилнафталін-діамоній хлориду з 3 концентрацією 10 мг/дм до поглинання поліелектроліту смолою в кількості 9 мг/г смоли. Через 3 камери концентрування 9, 10 пропускали розчин нітрату калію з концентрацією 0,05 моль/дм , в камери знесолення в циркуляційному режимі подавали модельний розчин сульфату цинку з 2 UA 105102 C2 3 5 10 15 20 концентрацією 327 мг/дм , який додатково фільтрували. Процес очистки вели при щільності 2 3 струму 20 мА/см до досягнення концентрації цинку в знесоленій воді на рівні 8 мг/дм . Результати процесу очистки модельної води від цинку представлені в табл. 2, пр. 2. Як бачимо з наведених даних, концентрація цинку в очищеному розчині складає 8 мг/дм, ступінь 3 очистки - 97,6 %, питомі енерговитрати дорівнюють 0,74 кВт•год./м . Аналогічно прикладу виконання за винаходом було здійснено процес очистки води з використанням завантаження камер знесолення катіонітом КУ-2, модифікованим ПЕ, при тих же умовах модифікації, але з різною кількістю модифікуючого поліелектроліту, як в заявлюваному діапазоні, так і при позамежних значеннях (табл. 2, пр. 1-7). Відповідно до даних, наведених в табл. 2, пр. 1-5, проведення процесу очистки води від цинку при умовах модифікації катіоніту, що заявляються, дозволяє одержувати діалізат з 3 концентрацією цинку 8,1-9,8 мг/дм і забезпечує ступінь очистки води від цинку на рівні 95,93 97,6 %, використовуючи 0,72-0,79 кВт•год./м електроенергії. Позамежне зменшення кількості утриманого смолою поліелектроліту, наприклад, до 7,5 мг/г приводить до погіршення ефективності процесу очистки води (ступінь видалення цинку 3 знижується до 85 %, а питомі енерговитрати збільшуються до 1,2 кВт•год./м (табл. 2, пр. 6). При позамежному збільшенні кількості утриманого катіонітом ПЕ до 10,5 мг/г ступінь очищення і питомі енерговитрати залишаються на рівні заявлюваного винаходу (табл. 2, пр. 7), але супроводжуються не ефективною витратою ПЕ, надлишок якого буде змиватися з смоли і потрапляти в очищену воду. Таблиця 2 Кількість модифікуючого № п/п поліелектроліту, мг/г 1 2 3 4 5 6 7 30 7,5 10,5 8 25 8 9 10 8 10 Показники очищення води Щільність Ступінь Витрати 2 Концентрація іонів струму, мА/см видалення цинку, електроенергії, 3 цинку, мг/дм 3 % кВт•год./м За винаходом 20 8,1 97,3 0,75 20 8,0 97,6 0,74 20 8,0 97,4 0,76 12 9,9 95,9 0,79 24 9,8 96,0 0,72 Позамежні значення 20 17 85 1,2 20 9,7 95,9 0,73 За способом [2] 20 140 41 3,5 Переваги заявлюваного способу очистки води від цинку в порівнянні з відомим полягають в наступному: - при реалізації заявлюваного способу ступінь очистки збільшується з 41 до 96,0-97,6 %, тобто на 54,9-56,6 %; - висока ступінь очистки досягається при зменшенні енерговитрат з 3,5 до 0,72-0,79 3 кВт•год./м , тобто більш ніж в 4 рази; - якість очищеної води дозволяє використовувати її повторно в технологічному процесі; - спосіб характеризується спрощенням апаратурного оформлення, оскільки не потребує, як у відомому способі [2] робити в мембранах поглиблення для розміщення гранул іонообмінної смоли. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Спосіб очистки води від цинку методом електродіалізу, що включає подачу води в камери знесолення, заповнені гранулами іонообмінної смоли, який відрізняється тим, що як іонообмінну смолу використовують катіоніт, модифікований високоосновним поліелектролітом полігексаметилен-Ν,Ν-тетраметил-1,5-диметилнафталін-діамоній хлоридом в кількості 8-10 мг/г катіоніту, і одержаний діалізат додатково фільтрують. 3 UA 105102 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 4