Глава 29.
Электродеионизация
Однако, если в дилюатные камеры поместить зерна катионита и анионита (рис. 29.1), катионы и анионы солей будут обмениваться на ионы Н+ и ОН–, при этом катионы и анионы переходят в иониты, а ток переносится ионами Н+ и ОН–.
Рис. 29.1. Движение ионов в камере между заряженными ионоселективными мембранами при помещении в раствор зерен ионитов
При этом в электрическом поле происходит диссоциация молекул воды на ионы Н+ и ОН-. Присутствие в воде этих ионов вызывает обмен ионов Н+ на катионы Ca2+, Mg2+, Na+, а ОН– на анионы Cl– и SО42–. Переходящие в раствор ионы солей, двигаясь в электрическом поле, переходят в камеры рассола, как в случае «классического» электродиализа (рис. 29.2, а).
Рис. 29.2. Схема процесса деионизации и регенерации ионитов в димоатных камерах электродиализной ячейки (а) и непрерывная регенерация зерен катионита и анионита ионами Н+ и ОН– (б)
Таким образом, при электродеионизации эффект обессоливания достигается благодаря ионному обмену, происходящему в камерах электродиализного аппарата. Благодаря процессу электродиализа происходит эффект регенерации ионитов образующимися за счет диссоциации воды ионами Н+ и ОН– (рис.29.2, б).
Как уже говорилось в гл. 28.1, диссоциация воды происходит при недостатке ионов в растворе (при низкой концентрации ионов солей в дилюате). Из-за недостатка ионов солей, переносящих заряд, ток переносится ионами Н+ и ОН–, что вызывает дополнительную диссоциацию молекул воды.
В электродеонизационной ячейке при ее работе создается 2 зоны, расположенные по ходу движения воды в камере: зона усиленного переноса (транспорта) и зона режима электрорегенерации.
Сильнодиссоциированные ионы (Ca2+, SO42–) удаляются в первую очередь (зона усиленного переноса), слабодиссоциироварнные ионы (SiO32-, BО33–) удаляются по мере прохождения воды через канал камеры во второй зоне, где происходит также режим регенерации – перенос ионов H+ и OH– (см. рис. 29.2).
При получении сверхчистой воды необходимая сила тока определяется по формуле
При глубоком обессоливании в аппаратах электродеионизации ток переносится с помощью ионов солей, содержащихся в воде, и ионов H+ и OH–, образующихся при диссоциации воды. Ионы H+ и OH–, переносимые под действием приложенного напряжения, вызывают электрохимическую регенерацию смолы. Таким образом, электроэнергия лишь частично используется на перенос солей (обессоливание воды), а в основном – на перенос ионов H+ и OH–. Например, при величине выхода по току 25% и при силе постоянного тока 4 А, только 1 ампер переносит ионы солей, а 3 ампера расходуются на перенос ионов H+ и OH–. Обратная диффузия ионов (в противоположном переносу тока направлении) также вызывает снижение эффективности процесса. Для того чтобы производить воду с электросопротивлением выше одного мегома, необходимо, учитывая значение коэффициента солесъема аппарата, подавать в аппарат воду с низким солесодержанием (менее 0,005 мг-экв/л) и проводить процесс при величине выхода по току менее 35%. В некоторых случаях, при необходимости удаления труднодиссоциированных ионов (силикатов и бора), используются значения величины выхода по току 5% и менее.
Производителями оборудования для электродеионизации используется параметр Е-фактор (EF). Эта величина представляет собой отношение приложенной силы тока и теоретически рассчитанной величины силы тока:
Эта величина, обратная величине выхода по току, показывающая, во сколько раз приложенная сила тока должна быть выше теоретически определенной величины.
Изготовители оборудования ограничивают величину приложенного напряжения значением 600 V, чтобы избежать затрат на дорогостоящие системы электропитания. При этом величина силы тока зависит от электрического сопротивления. Поскольку эффективность работы системы деионизации (расход воды, который можно обессолить, или глубина деионизации, которой можно добиться для заданного расхода) зависит от величины силы тока, важно уметь определять оптимальные параметры процесса, в частности подбирать наименьшую величину сопротивления ячеек.
Для определения величины омического сопротивления электродиализной ячейки необходимо провести расчет выхода по току:
где С – общее солесодержание, мг/л; n – количество ячеек в аппарате; Q – расход воды м3/ч.
В представленной формуле солесодержание С учитывает только легко переносимые ионообменным материалом сильнодиссоциированные ионы. Для учета слабодиссоциированных ионов (силикатов и бора) используется параметр FCE (Feed Concluctivity Equivalent). Формула определения выхода по току с учетом FCE выглядит следующим образом:
Все расчеты процесса деионизации проводятся аналогично расчетам процесса электродиализа.
Подбор аппаратов для электродеионизации производится на основе их параметров: расход, величина селективности (солесъема) и т.д. Простота подбора определяется тем, что требования к исходной воде ограничиваются величиной 10–30 мг/л, т.е. аппараты уже рассчитаны для проведения процесса. Общий вид и габариты стандартного аппарата деионизации производительностью 25–30 м3/ч показаны на рис. 29.3, а внешний вид и габариты станции электродеионизации производительностью 200 м3/ч показаны на рис. 29.4.
Рис. 29.3. Внешний вид и габаритные размеры аппарата электродеионизации производительностью 25–30 м3/ч: 1 – стяжные болты; 2 – гайки; 3 – ячейки; 4 – боковая накладка; 5 – накладки на болты; 6 – подача исходной воды; 7 – воход дилюата; 8 – вход концентрата; 9 – выход концентрата
Рис. 29.4. Внешний вид и габариты станции электродеионизации: 1 – аппараты; 2 – циркуляционный насос; 3 – трубопроводы распределительной системы; 4 – рама; 5 – шкаф управления; 6 – тиристорный преобразователь
Для определения соотношения потоков фильтрата и концентрата (диализата и рассола) используется параметр выхода фильтрата R (recovery), определяемый как
Электросопротивление аппаратов деионизации складывается из:
– удельного поверхностного сопротивления мембран (катионообменных и анионообменных);
– сопротивления ионообменного материала в камерах;
– удельных электропроводностей растворов в дилюатных и рассольных камерах;
– сопротивления катодных и анодных камер.
Кроме того, сопротивление аппаратов деионизации зависит от температуры.
Для уменьшения сопротивления аппаратов используют различные методы:
1) увеличение солесодержания рассольных камер с помощью рециркуляции концентрата;
2) увеличение солесодержания концентрата с помощью его «подсаливания», добавления раствора NaCl путем его постоянного дозирования. Главными недостатками этой технологии является наличие сбросного потока концентрата и образования хлора в анодных камерах;
3) наполнение ионообменной смолой рассольных камер. Это уменьшает обратную диффузию ионов, улучшает солесъем, улучшает отвод ионов с поверхности мембран. Сила тока определяется из выражения
Процесс электродеионизации специально разработан для получения глубоко деионизованной воды в схемах обессоливания вместо ионообменных фильтров смешанного действия (рис. 29.5 и 29.6). Основным преимуществом в применении аппаратов электродеионизации является отсутствие применения реагентов (кислот и щелочей) для регенерации ионообменных фильтров. Поэтому процесс электродеионизации является «экологически чистым» методом, не имеющим солевых сбросов.
Рис. 29.5. Технологическая схема подготовки воды для паровых котлов:
1 – механический фильтр; 2 – фильтр с активным углем; 3 – Na-катионитовый фильтр; 4 – патронный фильтр 5 мкм; 5 – УФ-лампа 254 nm; 6 – установка обратного осмоса; 7 – установка электродеионизации; 8 – сборный бак деионизованной воды
Рис. 29.6. Технологическая схема подготовки воды для электронной промышленности: 1 – механический фильтр; 2 – фильтр с активным углем; 3 – Na-катионитовый фильтр; 4, 9 – патронный фильтр; 5, 7 – УФ-стерилизатор; 6 – обратноосмотическая установка; 8 – установка электродеионизации; 10 – бак сбора обессоленной воды; 11 – ФСД