Электродиализ

Определение

Электродиализ – метод разделения растворов электролитов путем их избирательного переноса через ионоселективные мембраны под действием электрического поля. Электродиализ относится к электромембранным процессам и сочетает в себе черты как электрохимического, так и мембранного процессов.

Ионоселективные мембраны

Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселективными. Они делятся на катионообменные и анионообменные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые – ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол – органических полимеров искусственного происхождения.

По структуре ионоселективные мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными. Первые состоят только из ионообменных смол, тогда как вторые включают в себя инертный наполнитель, повышающий их механическую прочность. Также отдельно выделяют интерполимерные мембраны, которые отличаются от гетерогенных тем, что полимеры связующего и ионита в них не имеют химических связей, а соединяются путем переплетения макромолекул. Также ионоселективные мембраны могут быть классифицированы по структуре матрицы полимера.

Также выделяют так называемые биполярные мембраны, представляющие собой тесно прилегающие друг к другу катионообменную и анионообменную мембраны. Такое строение мембраны позволяет значительно ускорить процесс диссоциации молекул воды, так как H⁺ и OH^- ионы отводятся из соединительного слоя под действием электрического поля в противоположные секции, а количество разложенной на ионы воды восполняется за счет диффузии недиссоциированных молекул к соединительному слою.

Другой важной классификацией является разделение ионоселективных мембран на слабо-, средне- и сильноосновные, если речь идет об анионообменной мембране, и на слабо-, средне- и сильнокислотные в случае катионообменных. Эта классификация зависит от способности к диссоциации ионогенных групп в составе мембраны.

Принцип работы

Для примера будет рассмотрена установка электродиализа, состоящая из семи секций. Исходный соляной раствор подается в каждую из секций, разделенных ионоселективными мембранами. В крайних секциях аппарата установлены электроды, необходимые для создания электрического поля в среде электролита. Замыкание цепи происходит при помощи проводника второго рода (перенос электронов обеспечивается ионной проводимостью) – раствора электролита. При наложении электрического поля, ионы электролита и продукты диссоциации воды H⁺ и OH^- (в случае водного раствора) приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся к катоду, а анионы, соответственно, - к аноду. Перемещению ионов препятствуют мембраны, что влечет за собой появление камер концентрирования (нечетные) и обессоливания (четные) раствора. Исключение составляют крайние камеры, в которых расположены электроды, и в которых происходит процесс электролиза с образованием щелочи и кислоты. Обессоленные и концентрированные растворы из четных и нечетных секций объединяются в соответствующие потоки и раздельно отводятся из аппарата. Реально существующие аппараты состоят из значительно большего числа камер, поэтому потоки обессоленной воды и концентрата значительно превышают кислый и щелочной потоки.

Аппаратное оформление

Чаще всего электродиализ проводят в аппаратах типа фильтр-пресс с плоскими электродами, но также встречаются аппараты рулонного типа. Количество мембран может достигать 300 и более штук. За счет профильного исполнения межмембранных прослоек создаются сквозные отводящие каналы обессоленного раствора и концентрата. Для предотвращения солеотложения на мембранах и увеличения их срока службы процесс часто проводят в режиме реверсивного электродиализа. Суть его заключается в том, что с определенной периодичностью в аппарате меняется полярность тока, а следовательно, и направление движения ионов сквозь соответствующие мембраны. При этом камеры обессоливания становятся камерами концентрирования и наоборот.

Достоинства

• Экологичность: электродиализ не требует для своего осуществления дополнительных реагентов или иных расходуемых веществ.
• Технологичность: устройство электродиализаторов обеспечивает простоту их обслуживания и надежность при эксплуатации.
• Низкое энергопотребление.
• Возможность возврата в производство компонентов очищаемой воды.

Применение:

• Опреснение и очистка воды
  

  Электродиализ находит все более широкое применение в области водоподготовки. Необходимая степень обессоливания достигается за счет многоступенчатого опреснения воды. Благодаря тому, что процесс электродиализа не требует дополнительных реагентов, очищенная вода так же не нуждается в дополнительной доочистке. Также данный способ обессоливания позволяет получать из пресной воды ультрачистую воду, используемую в микроэлектронике.

• Выделение ценных компонентов и регенерация сточных вод
  

  Одно из наиболее широких применений электродиализ приобрел в сфере обработки сточных вод химических, нефтехимический, электрохимических и других предприятий. Процесс позволяет не только очищать сточные воды путем обессоливания и деионизации, но и возвращать назад в цикл ценные компоненты, содержащиеся в стоках. Так в процессе производства аммиачной селитры из кислого конденсата возможно возвращать в цикл до 94% нитрата аммония (NH₄NO₃).

  На нефтеперерабатывающих заводах после стадий обработки продуктов перегонки и крекинга нефти едкой щелочью образуются сернисто-щелочные сточные воды (СЩСВ). Эти стоки содержат различные токсические соединения серы, как органические, так и неорганические, а также едкий натр, фенольные соединения и соли органических кислот. Обработка таких стоков происходит в многокамерных электродиализаторах периодического действия. В результате достигается почти полная очистка СЩСВ от токсичных сернистых соединений (99-100%), снижение ХПК на 90-95% и получение регенерированного раствора едкого натра, который может быть возвращен назад в цикл.

• Получение из солей соответствующих кислот и оснований
  

  Для реализации данных процессов используются биполярные мембраны. Данный процесс также применим для получения аминокислот и малорастворимых кислот и оснований из соответствующих растворов солей.

• Обработка молочной сыворотки
  

  Обработка электродиализом молочной сыворотки позволяет регулировать ее кислотность и минеральный состав, чем достигается повышение ее органолептических свойств, снижение гидроскопичности и улучшение последующий ступеней обработки.

• Обработка соков и вин
  

  Электродиализная обработка соков и вин применяется с целью их стабилизации, повышении или понижении кислотности, деионизации и удаления тяжелых металлов. По сравнению с охлаждением данный вид обработки имеет ряд преимуществ: нет ухудшения вкусовых качеств вина, снижение энергозатрат и уменьшение времени обработки.