Электромембранные процессы

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 использованием 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, Е_P сумма потенциалов разложения и перенапряжения на электродах, R_M и R_p - 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.