Эти процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Среди электромембранных методов наибольшее практическое применение нашел электродиализ-разделение растворов под действием электродвижущей силы, создаваемой в раствора по обе стороны разделяющей его перегородки-мембраны. Эти мембраны, изготовленные из полимерных или неорганических материалов [поры размером (2 —8) 10 -3 мкм], проницаемых для любых ионов, служат для отделения электролитов от неэлектролитов. Другой тип мембран, селективных только для катионов или только для анионов, изготовляю: из ионообменных смол. Ионообменные мембраны применяют для обессоливания растворов электролитов или фракционирования ионов.
Схема аппарата для проведения электродиализа для обессоливания с исполюзованием анионообменных (А) и катионообменных (К) мембран приведена на рис 24-41. Аппарат для проведения электродиализа состоит из ряда камер (ячеек),
Рис. 24-11. Схема электродиализного плоскокамерного аппарата: 1- камеры, 2-электродиоды, 3-мембраны (А- анионообменные и К- катионообменные) через которые прокачивают растворы электролитов. В крайних камерах расположены электроды 2. При прохождении электрического тока через пакет мембран в аппарате катионы мигрируют к отрицательно заряженному электроду - катоду, анионы к положительно заряженному электроду - аноду. Поскольку катионообменные мембраны пропускают только катионы, а анионообменные только анионы, то камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исходный раствор удается разделить на два потока обессоленный и концентрированный.
|
|
Принцип действия применяемых в электродиализе ионообменных мембран рассмотрим на примере анионообменной мембраны. Эта мембрана содержит катионные группы, фиксированные в матрице смолы, из которой формуется мембрана.
Заряд фиксированных катионов нейтрализуется зарядом подвижных анионов, находящихся в порах смолы. При погружении такой мембраны в раствор электролита анионы раствора могут внедряться в матрицу смолы и замещать первоначально присутствующие в ней анионы, в то время как проникновению катионов препятствуют силы отталкивания их фиксированными в смоле катионами. Аналогично действуют и катионообменные мемораны.
Кроме разделения электролитов по знаку зарядов их ионов элек тродиализ можно использовать для разделения одноименно заряженных ионов на основе различных скоростей их переноса через мембрана.
Наиболее распространенной конструкцией электродиализаторов является плоскорамный аппарат (см. рис. 24-11). Однако в последние годы разработаны интересные конструкции аппаратов рулонного типа. Для снижения влияния концентрационной полимеризации в межмембранных камерах электродиализаторов монтируют сетки-турбулизаторы.
|
|
Для электродиализаторов, состоящих из n единичных ячеек, можно определить их основные характеристики по следующим уравнениям:
производительность (в экв/ч)
(24.10)
общий перепад электрических потенциалов
;
потребляемую мощность (в кВт)
, (24.11)
где I плотность тока, А/см2; F-площади мембраны, см2, ЕP сумма потенциалов разложения и перенапряжения на электродах, RM и Rp - электрическое сопротивление соответсвенно мембраны и раствора прохождению тока, Ом·см2.
Наиболее широко электродиализ используют для обессоливания и концентрирования растворов электролитов, например для опреснения морской воды, обессоливания сахарных растворов, молочной сыворотки и др. В последние годы электродиализ широко применяют для извлечения минерального сырья из природных соленых вод.