Електродіалізне опріснення розчинів з високим вмістом іонів жорсткості

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 521.359.7

НТУУ «КПІ»

Електродіалізне опріснення розчинів з високим вмістом іонів жорсткості

Гомеля М.Д.

Трус І.М.

Не дивлячись на значний прогрес в галузі досліджень процесів очищення води, створення досконалого обладнання для водопідготовки та очищення стічних вод, рівень забрудненості природних водойм постійно зростає. Це стосується не лише України, але і багатьох країн світу. Особливо гостро стоїть проблема підвищення рівня мінералізації води.

Так, на сьогодні розроблені досконалі установки баромембранного, електродіалізного, іонообмінного та термічного опріснення води. Проте проблему переробки концентрованих сольових розчинів економічно доцільними методами не вирішено. Не вирішує проблему і випарювання розчинів солей до сухого стану. Не дивлячись на значні енерговитрати при випарюванні розчинів ще більші затрати виникають при захороненні мінеральних солей в спеціально обладнаних сховищах. Розміщення сухих залишків мінеральних солей на звичайних звалищах не допустиме згідно діючого екологічного законодавства.

Реагентне вилучення сульфатів із стічних вод та концентратів баромембранного очищення води [1, 2] передбачає використання вапна та дорогих високоосновних коагулянтів. Даний метод не ефективний при високому вмісті хлоридів та іонів натрію чи інших одновалентних металів. Більш перспективним є електрохімічне опріснення концентрованих розчинів. При застосуванні електродіалізних мембран можлива їх переробка з отриманням розчинів кислоти та лугу [3-5]. Проте процеси електролізу та електродіалізу суттєво ускладнюються при наявності в розчинах іонів жорсткості [6, 7].

Метою даної роботи було створення електролізера, що забезпечує ефективну демінералізацію концентрованих розчинів солей із високим вмістом іонів жорсткості та вивчення процесів електродіалізу при опрісненні концентратів баромембранного знесолення води.

Методика експерименту

По аналогії з роботою [5], де для запобігання міграції хлоридів в анодну область зі сторони аноду розмістили катіонну мембрану, в даній роботі для запобігання міграції іонів жорсткості в катодну область зі сторони катоду розмістили аніонну мембрану МА-41. Зі сторони аноду також розмістили аніонну мембрану МА-41. В просторі між мембранами (V=0,2 дм3) розміщали робочий розчин. Анодну область заповнювали 0,05Н розчином сірчаної кислоти, катодну - 0,150, 0,283 та 1,000 Н розчинами лугу. Катод - пластина з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т. Анод - титанова пластина, покрита оксидом рутенію. Площа електродів SК = SА = 0,20 дм3. Електроліз проводили при силі струму 0,1-0,2 А при напрузі 15-19 В.

При проведенні електролізу через однакові проміжки часу контролювали лужність в катодній та робочій зоні , вміст хлоридів, сульфатів, кальцію, жорсткість в робочій зоні, концентрацію хлоридів та сульфатів в анодній області. Робочий розчин перед аналізом очищали від осаду фільтруванням на паперовому фільтрі «синя стрічка».

Вихід за струмом розраховували як відношення реальної кількості видалених з розчину хлоридів та сульфатів до теоретично розрахованої за законом Фарадея [6].

Результати досліджень та їх обговорення

Для ефективного пом'якшення оброблюваних розчинів в окремих дослідах в робочі розчини додавали магнезит пропорційно різниці між кількістю іонів кальцію та лужністю вихідного розчину. При цьому відбувалось пом'якшення води за рахунок її підлуження при дифузії гідроксид аніонів з катодної області. Процеси пом'якшення можна описати рівняннями:

Mg2+ + 2OH- - Mg(OH)2v

Ca2+ + HCO3- + OH- - CaCO3v + H2O

Ca2+ + MgCO3 + 2OH- - CaCO3v + Mg(OH)2v + H2O

Результати демінералізації модельного розчину ([SO42-] = 335 мг/дм3, Ж = 8,5 мг-екв/дм3, [Са2+] = 5,2 мг-екв/дм3, Л = 0,03 мг-екв/дм3, рН = 7,9) приведені на рис. 1. Доза магнезиту, в даному випадку, при низькій лужності розчину, була еквівалентна концентрації кальцію. Як видно з рисунку вже через три години з розчину було повністю вилучено сульфати, а ще через дві години з води було практично повністю вилучено іони жорсткості (Жз = 0,63 мг-екв/дм3). Дещо повільніше пом'якшення води, в порівнянні із виділенням сульфатів обумовлено більш повільним протіканням реакцій (1)-(3) при електролізі води. Слід відмітити, що підвищення кислотності та вмісту сульфатів в анодній області було пропорційно кількості вилучених сульфатів з робочого розчину, що відповідає даним приведеним в роботі [3].

При подальших дослідженнях вивчали процеси демінералізації концентратів, що утворюються при зворотньоосмотичному опрісненні водопровідної води ([SO42-] = 345,0 мг/дм3, [Cl-] = 20,5 - 92,3 мг/дм3, Ж = 3,6 - 23,75 мг-екв/дм3, [Са2+] = 2,6 - 17,0 мг-екв/дм3, Л = 3,5 - 14,5 мг-екв/дм3). Результати приведені на рис. 2 - 4.

Рис.1 Залежність концентрації сульфатів

(1), жорсткості (2), лужності (3) та концентрації кальцію (4) в робочій камері від часу електролізу в трикамерному електролізері з двома аніонними мембранами МА-41 модельного розчину (при силі струму I = 0,1 А, напрузі U = 50 В, дозі магнезиту 5 мг-екв/дм3, лужність в катодній області 0,75 г-екв/дм3)

Рис. 2. Залежність концентрації хлоридів

(1), сульфатів (2), іонів кальцію (3), жорсткості (4) та лужності (5) робочого розчину від часу електролізу концентрату зворотньоосмотичного опріснення водопровідної води у трикамерному електролізері з двома аніонними мембранами МА-41 (I = 0,1 А, U = 50 В, j = 0,5 А/дм2) (лужність в катодній області 1 г-екв/дм3, кислотність в анодній області - 0,05 г-екв/дм3, доза магнезиту 2,1 мг-екв/дм3)

Як видно з рис. 2, при обробці концентрату із вмістом хлоридів 20,5 мг/дм3, жорсткістю 3,6 мг-екв/дм3 та лужністю 3,5 мг-екв/дм3 відмічено ефективне вилучення хлоридів та сульфатів протягом 10 хвилин. Крім того за цей час було досягнуто практично повного пом'якшення розчину. При електролізі розчинів з вмістом хлоридів 92,3 мг/дм3, лужністю 14,5 мг-екв/дм3 та жорсткістю 23,75 мг-екв/дм3 (рис. 3, рис. 4) отримано аналогічні результати. При цьому за 80 хвилин електролізу вміст хлоридів знижувався до 10 -16 мг/дм3, сульфатів до 23 - 90 мг/дм3, жорсткість до 5,6 - 8,0 мг-екв/дм3, лужність до 5,0 - 8,1 мг-екв/дм3.

Рис. 3. Вплив часу електролізу концентрату після опріснення водопровідної води в трикамерному електролізері (мембрана МА-41) на залишкову концентрацію сульфатів в робочому розчині

(1; 2; 3; 4) та вихід їх видалення за струмом (5; 6; 7; 8) при концентрації лугу в катодній області 0,15 (1; 2; 5; 6), 283 (3; 7) та 1000 (4; 8) мг-екв/дм3 при дозі магнезиту в робочому розчині, мг-екв/дм3: 0,0 - (3; 7); 2,5 - (1; 2; 4; 5; 6; 8)

Рис. 4. Залежність залишкових значень лужності

(1; 2; 3), жорсткості (4; 5; 6) та концентрації іонів кальцію (7; 8; 9) в робочому розчині (концентраті зворотньоосмотичного опріснення водопровідної води) від часу електролізу в трикамерному електролізері (мембрана МА-41) при концентрації лугу в катодній області 0,150 г-екв/дм3 (1; 3; 4; 6; 7; 9), 0,283 г-екв/дм3 (2; 5; 8) при дозі магнезиту, мг-екв/дм3: 0,0 - (3; 6; 9); 2,5 - (1; 2; 4; 5; 7; 8)

Сульфати накопичувались в анодній області у вигляді сірчаної кислоти, хлориди виділялись з анодної області у вигляді активного хлору, як це описано в роботі [6]. електродіаліз опріснення іон жорсткість

Слід відмітити, що зміна концентрації лугу в катодній області ніяк не впливала на ефективність знесолення води, так само як і додавання у воду магнезиту. Використання магнезиту ніяк не впливало на вилучення хлоридів та сульфатів, що є закономірним. Проте і на пом'якшення води даний реагент впливав у незначній мірі. При використанні магнезиту залишковий вміст кальцію був на 2 - 3 мг-екв/дм3 нижчий, ніж у разі його відсутності, жорсткість та лужність відповідно були нижчими на 1 - 3 мг-екв/дм3. Це в цілому вказує на можливість ефективного знесолення подібних концентратів без застосування магнезиту, що суттєво спрощує технологічний процес.

Досить ефективним було використання даного електролізера при демінералізації концентрату отриманого при зворотньоосмотичному опрісненні солонуватої води із Ісакіївського водосховища (м. Алчевськ), основний запас води в якому формується за рахунок скиду шахтних вод ([SO42-] = 2030 мг/дм3, [Cl-] = 645 мг/дм3, Ж = 38,0 мг-екв/дм3, [Са2+] = 6,7 мг-екв/дм3, Л = 11,0 мг-екв/дм3, рН = 8,82).

Рис. 5. Вплив часу електролізу концентрату зворотньоосмотичного опріснення води Ісакіївського водосховища в трикамерному електролізері (мембрана МА-41) на залишковий вміст хлоридів

(1; 2; 3) та сульфатів (4; 5; 6) при концентрації лугу в катодній області, мг-екв/дм3: 150 (1; 4), 283 (2; 5) та 1000 - (3; 6) при дозі магнезиту (мг-екв/дм3): 0,0 - (1; 2; 4; 5); 6,7 - (3; 6) (I = 0,2 А, U = 15 В, j = 1,0 А/дм2)

Рис. 6. Вплив часу електролізу в трикамерному електролізері (мембрана МА-41) на залишкові значення лужності

 (1; 2; 3), жорсткості (4; 5; 6) та концентрації кальцію (7; 8; 9) в робочому розчині(концентраті зворотньоосмотичного опріснення води з Ісакіївського водосховища) при концентрації лугу в катодній області (г-екв/дм3): 0,15 (1; 4; 7), 0,283 (2; 5; 8), 1,0 - (3; 6; 9) при дозі магнезиту (мг-екв/дм3): 0,0 (1; 2; 4; 5;7; 8), 6,7 - (3; 6; 9)

Рис. 7. Залежність виходу за струмом при електродіалізному вилученні хлоридів та сульфатів

(1; 2; 3) із концентрату зворотньоосмотичного опріснення води Ісакіївського водосховища в трикамерному електролізері (мембрана МА-41) від часу електролізу при концентрації лугу в катодній області, мг-екв/дм3: 150 (1), 283 (2), 1000 (3) при дозі магнезиту (мг-екв/дм3): 0,0 - (1; 2); 6,7 - (3)

Концентрація хлоридів та сульфатів в даному концентраті в 6-7 разів вища, в порівнянні з концентратом, отриманим при знесоленні водопровідної води. Саме цим зумовлено збільшення терміну електролізу при переході від менш концентрованого до більш концентрованого розчину (рис. 3, 4, 5, 6). При цьому час електролізу зростає всього в 3,5 рази, що обумовлено підвищенням ефективності процесу при вищих концентраціях іонів. Так, у випадку розчину з низькою концентрацією іонів (рис. 3) вихід за струмом при вилученні сульфатів та хлоридів не перевищує 38%, тоді як при переробці концентрату опріснення води з Ісакіївського водосховища вихід за струмом хлоридів та сульфатів досягав 97%.

В даному випадку на процеси очищення води від хлоридів і сульфатів, та пом'якшення води (рис. 5, 6) практично не впливає концентрація лугу в католіті. При використанні магнезиту відмічено підвищення ефективності пом'якшення води при значному зростанні лужності обробленого розчину. В цілому підвищення лужності даних розчинів після електролізу можна пояснити наявністю іонів натрію, які ніяк не виводяться з розчину та накопичуються у ньому у вигляді гідроксиду натрію. Очевидно, що доочищувати такі розчину слід в дво- або трикамерних електролізерах з катіонною мембраною з виділенням розчину лугу в катодній області [4]. Слід відмітити, що в усіх випадках очищення води без застосування магнезиту результати по пом'якшенню були цілком задовільні.

Висновки

1. Вивчено процеси демінералізації розчинів з високою жорсткістю в трикамерних електролізерах з двома аніонними мембранами МА-41, що забезпечують ефективне очищення води від хлоридів та сульфатів при ефективному її пом'якшенні.

2. Показано, що на процеси вилучення хлоридів та сульфатів з модельного розчину та концентратів зворотньоосмотичного очищення не впливає концентрація лугу в катодній області та додавання магнезиту. Швидкість процесу та вихід за струмом підвищується при зростанні концентрації даних іонів у розчині.

3. Встановлено, що при проведенні електролізу розчинів із високою жорсткістю в трикамерному електролізері із двома аніонними мембранами МА-41 відбувається ефективне пом'якшення води. Ефективність пом'якшення розчинів зростає при додаванні до них магнезиту, в кількості рівній різниці концентрації іонів кальцію та лужності води.

Список використаних джерел

1. Сальникова Е.О. Очистка сточных вод от сульфат ионов с помощью извести и оксосульфата алюминия / Е.О. Сальникова, И.Ф. Гофенберг, Е.Н. Туранина // Химия и технология воды. - 1992. - 14, № 2, - с. 152-157.

2. Рисухін В.В. Вилучення сульфатів із концентратів, що утворюються при нанофільтраційній демінералізації води / В.В. Рисухін, Т.О.Шаблій, В.С. Камаєв, М.Д. Гомеля // Экология и промышленность. - 2011. - №4. - С. 83-88.

3. Писарска Б. Анализ условий получения H2SO4 и NaOH из растворов сульфата натрия методом электродиализа / Б. Писарска, Р. Дилевски // Журнал прикладной химии. - 2005. - Т. 78. - № 8. - с. 1311-1316.

4. Шаблій Т.О. Електрохімічна переробка відпрацьованих розчинів, що утворюються при регенерації катіонітів / Т.О. Шаблій, М.Д. Гомеля, Е.М. Панов // Экология и промышленность. - 2010. - № 2. - с. 33-38.

5. Шаблій Т.О. Електродіаліз розчину хлориду натрію з одержанням соляної кислоти та лугу / Т.О. Шаблій, В.В. Іванюк, М.Д. Гомеля // Вісник НТУУ «КПІ» Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. - 2011. - № 1 (II). - с. 67-71.

6. Чхенадзе Н.В. К определению допустимой величины кальциевой жест кости при электролизе минерализованных вод с одновременным концентрированием // Н.В. Чхенадзе, Ц.С. Курцхалия // GEN: Georg. Eng. News. - 2004. - №4. - С.118-122.

7. Кучерик Г.В. Електрохімічне вилучення хлоридів із природних вод і лужних регенераційних розчинів / Г.В. Кучерик, Ю.А. Омельчук, М.Д. Гомеля // Збірник наукових праць СНУЯЕтаП. - 2011. - Т.2, №38. - С.189-196.

Анотація

Вивчено процеси електродіалізу при опрісненні концентрованих розчинів солей із високим вмістом іонів жорсткості. Електроліз проводили в трикамерних електролізерах з двома аніонними мембранами МА-41. Показано, що швидкість процесу і вихід за струмом підвищуються при збільшенні концентрації іонів у розчині. Встановлено, що концентрація лугу в катодній області не впливає на ефективність процесу. Доведено, що додавання магнезиту в розчини з високою жорсткістю, при проведенні електролізу, сприяє ефективному пом'якшенню води.

Ключові слова: анод, електродіаліз, катод, концентрат, мембрана, опріснення.

Изучены процессы электродиализа при опреснении концентрированных растворов солей с высоким содержанием ионов жесткости. Электролиз проводили в трикамерных электролизерах с двумя анионными мембранами МА-41. Показано, что скорость процесса и выход по току повышаются при увеличении концентрации ионов в растворе. Установлено, что концентрация щелочи в катодной области не влияет на эффективность процесса. Доведено, что добавление магнезита в растворы с высокой жесткостью, при проведении электролиза, способствует эффективному умягчению воды.

Ключевые слова: анод, электродиализ, катод, концентрат, мембрана, опреснение.

Processes of electrodialysis in desalting concentrated high-hardness salt solutions were studied. Electrodialysis was conducted in three-chambered electrolyzer with two anionite membranes MA-41. It is shown that speed of the process and faraday efficiency rise with the increase of ion concentration in the solution. Alkali concentration in cathode region has no influence on the process effectiveness. It is proved that magnesit adding into the high-hardness solution, when performing electrodialysis, contribute to effective water softening.

Key words: anode, electrodialysis, concentrate, cathode, membrane, desalination.

Размещено на Allbest.ru