Спосіб демінералізації водних розчинів

Изобретение относится к области обработки воды, в частности, к электродиализу водных растворов, содержащих органические вещества, и может быть использовано для деминерализации природных и сточных вод. Известен способ деминерализации водных растворов, в состав которых входят протеины и лактоза, в электродиализаторе с чередующимися анионо- и катионообменными мембранами [1]. Недостатком указанного способа является быстрый выход из строя анионообменных мембран. Причиной является осаждение молекул протеинов и лактозы на поверхности анионитовых мембран, что обусловливает необратимое "отравление" их. Известно, что в электродиализе срок эксплуатации мембран зависит от присутствия в обрабатываемых рас творах органических примесей, повышающих ХПК рабочего раствора. В способе [2] при электродиализе водных растворов, содержащих органические вещества, показано, что при окисляе-мости2 мг О2/дм срок службы мембран может составлять 5 лет, а при окисляемости 19 мг О2/дм" - 2 года, вследствие необратимого отравления мембран. Кроме того, процесс электродиализа растворов с высокой окисляемостью характеризуется повышенным расходом электроэнергии, т.к. растет электрическое напряжение на мембранах. Данное техническое решение, как наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту, выбрано нами в качестве прототипа. Для определения эффективности известного способа нами была осуществлена деминерализация водных растворов с высокой окисляемостью по технологии прототипа. Электродиализ проводили в пятикамерном электродиализаторе, с чередующимися гетерогенными катионитовыми МК-40 и анионитовыми МА-40 мембранами площадью 1 см 2. К поверхности мембран были подведены зонды для измерения на них электрического напряжения. В качестве модельного раствора использовали 0,05 Na2SО4, с массовой концентрацией фульвокислоты (ФК) 30 мг/дм 3, ХПК= 60мг О2/дм 3. Электродиализ вели в гальваностатическом режиме предельного электрического тока непрерывно в течение 50 ч. Процесс характеризовали величиной электрического напряжения на электродах электродиализатора и на каждой мембране в отдельности (U), выходом по току аниона SО42- через мембрану МА-40 ( h ). цветностью по бихромат-кобальтовой шкале. Отрицательно заряженные макроионы гумусовы х ве ществ во время электродиализа мигрируют к поверхности анионитовой мембраны МА-40, поверхность которой заряжена положительно и, осаждаясь на ней, внедряются в ее поры. Осаждение на мембране фульвокислот вызывает рост электри-ческого напряжения от 1,5 до 4,1 В, а также снижение выхода потоку иона SО42- от 98 до 80%. Цветность и ХПК раствора в процессе электродиализа не изменяется и составляет соответственно 105° и 60 мг O2/дм 3 (табл.1, примеры 1-9). Ресурсные испытания показали, что срок службы мембран при окисляемости 60 мг O2/дм 3 составил 10-12 месяцев. Недостатком известного способа являются повышенные энергозатраты в процессе электродиализа растворов с высокой окисляемостью и малый срок службы мембран за счет "отравления". Задачей изобретения является разработка способа деминерализации водных растворов в электродиализаторе путем предварительной фотоокислительной деструкции органических примесей, находящихся в водном растворе, для достижения неизменяющегося электрического напряжения на анионитовых мембранах и выхода по току в процессе злектродиализа растворов с высокой окисляемостью. Это "обеспечивает стабильную работу электродиализатора. снижение расхода электроэнергии при одновременном увеличении срока службы ионитовых мембран. Поставленная задача решается описываемым способом деминерализации водных растворов с высокой окисляемостью в электродиализаторе с чередующимися катионо-обменными и анионообменными мембранами. в котором, согласно изобретению, водный раствор предварительно обрабатывают кислородсодержащим окислителем в количестве, превышающем ХПК обрабатываемого раствора в 1,6-3,0 раза при одновременном УФ-облучении с интенсивностью света 10-4-10-5 Е/дм 3 мин. Как было указано выше, при электродиализе водных растворов с высоким содержанием органических веществ (ХПК = 60 мг О2/дм 3) наблюдается "отравление" анионитовой мембраны, что приводит к росту напряжения на анионитовой мембране и снижению выхода по току аниона SО42- через мембрану. Нами установлено, что предварительная обработка водного раствора і перед электродиализом только окислителем или УФ-облучением без окислителя не позволяет сохранить неизменным выход потоку и напряжение на ионообменных мембранах в течение всего процесса электродиализа. УФ-облучение без окислителя не оказывает влияния на молекулы ФК. Величины ХПК и цветность раствора не изменяются после обработки его УФ-облучением (табл.1, примеры 1,10). При электродиализе раствора с продуктами фотолиза наблюдаются снижение выхода по току анионов SО42- через мембрану и рост электрического напряжения на анионитовой мембране (табл.1, примеры 10-17), аналогичные тем, которые наблюдаются в примере по прототипу (табл.1, примеры 1-9). При контакте окислителя без УФоблучения с молекулами, ФК происходит их окислительная деструкция. Величины ХПК и цветность раствора изменяются от 60 до 30 мг О2/дм 3 и соответственно цветность от 105° до 6° (табл.1, примеры 1, 18). Раствор при этом обогащается веществами, устойчивыми к окислительно-деструктивному действию озона, которые не позволяют вести .стабильно процесс электродиализа. На анионитовых мембранах наблюдается рост электрического напряжения, выход по току снижается и достигает величины, которая равна приведенной в примере по прототипу (табл.1, примеры 18-25). И только совместное применение окислителя с УФ-облучением создает условия электродиализа водных растворов с высокой окисляемостью, обеспечивающие образование продуктов окислительной деструкции, которые не оказывают влияния на ионитовые мембраны, что приводит к достижению технического результата, который выражается отсутствием роста электрического напряжения на мембранах и постоянством выхода по току. Способ реализуется следующим образом. В качестве окислителя применяли озон и перекись водорода. Для получения озона использовали лабораторную установку тр убчатого типа, производительностью 2 г О3/ч. В стеклянную колонку барботажного типа пропускали озоно-воздушн ую смесь со скоростью 1 дм 3/мин, массовая концентрация озона в смеси - 10 мг/дм 3, рН реакционной среды 8-9. Обработку рабочего раствора с рН реакционной среды 3-4 проводили перекисью водорода в кварцевом реакторе. термостатированном при 25°С. Окислитель вводили в количестве/превышающем ХПК (мг 02/дм 3 обрабатываемого раствора в 1,6-3.0 раза. При ХПК 60 мг О2/дм вводили в рабочий раствор окислитель в количестве 96-180 мг/дм 3. Одновременно с введением окислителя проводили фотолиз с использованием кварцевого светильника с лампой высокого давления интенсивностью света 10-10 Е/дм 3мин. Процесс обработки рабочего раствора совместным действием окислителя с УФ-облу-чением вели 120-140 мин. Обработанный таким образом рабочий раствор направляли в пятикамерный электродиализатор с чередующимися гетерогенными катионитовыми МК-40 и анионитовыми МА40 мембранами (ГОСТ 17553-72). Процесс электродиализа вели в гальваностатическом режиме при і = 10mA/cм 2 непрерывно в течение 50 ч. Эффективность процесса деминерализации характеризовали величиной электрического напряжения на мембранах, вы ходом по току, величиной ХПК и цветностью. Примеры конкретного выполнения. Вариант 1. Электродиализ раствора с продуктами фотоокислительной деструкции озоном. В кварцевую колонку барботажного типа диаметром 70 мм с высотой слоя жидкости 300 мл. помещали раствор с массовой концентрацией фульвокислоты 30 мг/дм (ХПК = 60 мг О2/дм 3, рН реакционной среды— 8. В кварцевую колонку помещали коакси-ально кварцевый светильник, герметично изолированный от рабочего раствора. Кварцевый светильник был оборудован лампой высокого давления ДРТ-230 с интенсивностью света 10-5 Е/дм 3.мин. В рабочий раствор, содержащийся в кварцевой колонке, подавали озоно-воздушн ую смесь со скоростью 1 дм 3/мин. Массовая концентрация озона в смеси составляла 10 мг/дм . При этом в реакционную смесь был введен озон в количестве 180 мг/дм 3, превышающем ХПК (мг О2/дм 3) рабочего раствора в 3 раза. Кварцевый светильник включался одновременно с подачей в раствор озоно-воздушной смеси. Время обработки составляло 120 мин. После фотоокислительной деструкции рабочий раствор имел ХПК 16 мг О2/дм 3 и цветность - 0°. Полученный раствор подавали в электродиализатор. Процесс электродиализа вели в гальваностатическом режиме при 1-10 mA/см 2 в пятикамерном электродиализаторе с площадью мембран 1 см. Процесс вели непрерывно на протяжении 50 ч. Об устойчивой работе электродиализатора свидетельствует постоянство электрического напряжения на мембранах и значения выхода по току, которые равны 1,5 В и 98 ± 1 % соответственно (табл.1, примеры 26-33). Вариант 2. Электродиализ раствора с продуктами фотоокислительной деструкции перекисью водорода. В кварцевый реактор помещали рабочий раствор с массовой концентрацией фульвокислоты 30 мг/дм 3 (ХПК 60 мг О2/дм 3), рН реакционной среды - 3. Раствор термостатировали при температуре 25°С. Раствор в реакторе облучали кварцевым светильником с лампой высокого давления ДРТ-230 с интенсивностью света 10 Е/дм 3мин. Время облучения 140 мин. Одновременно с включением .кварцевого светильника в реактор вводили перекись водорода в количестве 96 мг/дм 3. превышающем ХПК рабочего раствора в 1,6 раза. После фотоокислительной обработки рабочий раствор имел ХПК 16, цветность - 0°. Электродиализ полученного раствора вели в пятикамерном электродиализаторе с площадью мембран 1 см 2 в гальваностатическом режиме при I = 10 mA/см 2. Процесс вели в условиях, аналогичных условиям выполнения варианта 1. Время электродиализа - 50 ч. Об устойчивой работе электродиализатора свидетельствует постоянство электрического напряжения на мембранах и выход по току, которые равны . исходным и составляют 1,5 В и 98 ±1% соответственно (табл.1, примеры 34-41). Проведенные ресурсные испытания показали, что стабильность величин выхода по току и напряжения на анионитовых мембранах в электродиализе растворов с высокой окисляемостью при использовании предварительной обработки окислителями совместно с УФ-облучением обусловливает увеличение срока службы мембран до 5 лет, который равен сроку службы мембран при электродиализе растворов с низкой окисляемостью (2 мг 02/дм 3). В табл.2 приведена зависимость эффективности процесса электродиализа от концентрации окислителя в рабочем растворе и интенсивности света УФ-облучения. Установлено, что заявляемые концентрации окислителя и интенсивность света УФ-облучения при совместном их применений в виде предподготовки перед электродиапизом обеспечивают увеличение срока службы ионообменных мембран и уменьшение энергоемкости процесса (табл.2, примеры 1-31). Предлагаемый способ обеспечивает высокую эффективность деминерализации водных растворов с окисляемостью от 60 до 2400 мг О2/дм 3. Несмотря на то, что после фотоокислигельной обработки рабочего раствора с высоким значением ХПК (2400 мг О2/дм 3) получают раствор, ХПК и цветность которого выше, чем после фотоокисления растворов с более низким ХПК (60 мг О2/дм 3), процесс деминерализации протекает стабильно. Образующиеся продукты фотоокислительной деструкции не оказывают влияния на ионообменные свойства мембран: электрическое напряжение на мембранах и вы ход по току в течение всего процесса электродиализа остаются ; неизменными: 1,5 В и 98 ±1 % соответственно (табл.2, примеры 20-31). Запредельное снижение концентраций окислителей (табл.2, примеры 32-36), так же как и запредельное снижение интенсивностей УФ-облучения (табл.2, примеры 35,39), при сохранении остальных параметров в заявляемом режиме не обеспечивает необходимой глубины фотоокислительной деструкции, что сказывается на повышении электрического напряжения на мембране и снижении выхода по току, т.е. приводит к повышению энергоемкости процесса и "отравлению" мембран. При проведении фотоокислительной деструкции в условиях повышенного содержания окислителя (табл.2, примеры 33, 37) и повышенной интенсивности УФ-облучеимя (табл.2, примеры 34, 38) не наблюдается повышения эффективности процесса дёминерализации, однако увеличивается расход окислителя и увеличивается энергоемкость окислительного процесса, что является экономически нецелесообразным. Преимущество предлагаемого способа деминерализации подтверждают данные табл.1.2. Предлагаемый способ деминерализации водных растворов позволяет: - снизить энергоемкость процесса электродиализа, что характеризуется уменьшением электрического напряжения на мембранах во времени (50 ч) от 4.1 до 1,5 В, т.е. в 2.5 раза; - увеличить срок службы мембран в процесс электродиализа водных растворов с высокой окисляемостью в 5 раз; - вести электродиализ с сохранением производительности мембран, что характеризуется стабильностью выхода по току аниона SО42- через анионитовую мембрану на протяжении всего процесса электродиализа.