Особенности очистки водопроводной воды с помощью электродиализа
УДК 66.087.97
Алексей Кулаков
В статье представлены результаты очистки водопроводной воды с помощью электродиализа. Представлены данные по понижению жесткости в несколько раз за время в несколько минут. Обсуждается применение электродиализа для очистки сточных вод от неорганических веществ.
Ключевые слова: электродиализ, водоподготовка, очистка воды.
Для очистки воды электродиализ применяется в диапазоне концен- траций солей от 1 до 102 г-экв/м3 и расходе воды 1-105 м3/сут. [1]. Очистка воды с помощью электроди- ализа заключается в том, что в камерах создается электрическое поле, в котором заряженные ионы солей движутся в противоположных на- правлениях, так что объем, ограниченный мембранами, отгораживающими его от электродных объемов, становится свободным от ионов.
Для большей эффективности в электродиализаторе устраивают ряд перегородок попеременно чередующихся анионо- и катионообменной мембран. В результате в отсеках, в которых катионообменная мембрана находится со стороны анода, а анионообменная мембрана - со стороны катода, накапливаются соли, а в соседних отсеках рядом, наоборот, вода обессоливается.
Недостатком электродиализа является невозможность очистки незаряженных веществ. Однако для целей водоподготовки в энергетике эта проблема имеет меньшее значение, поскольку поступающая вода обычно содержит минимальное количество таких веществ, и главной проблемой является наличие солей, кальция и магния, железа, кремниевой и фосфорной кислот. Это означает, что для целей водоподготовки в энергетике электродиализ вполне применим.
Мы в своих исследованиях по очистке воды использовали ряд электрохимических методов: мембранные методы [2], электрокоагуляцию [2, 3], гальванокоагуляцию [3-8]. Использование электродиализа привлекает тем, что требует минимального оборудования. В настоящей работе мы использовали электродиализ в качестве метода понижения жесткости воды. Основной целью было выяснение возможности использования незаряженных полупроницаемых мембран, в качестве которых был избран целлофан, широко применяемый в биохимии для диализа, который обладает высокой проницаемостью для ионов, приемлемой прочностью и широко используется в биохимических лабораториях для диализа.
Материалы и методы
Эксперименты проводились на электродиализной установке. Она состояла из трех резервуаров: катодного, анодного и проточного. Проточный резервуар вставлялся в среднюю часть устройства, и края его, касающиеся стенок, заклеивались герметиком, так что получалось три резервуара. Проточный резервуар представлял собой лабиринт, снабженный входным и выходным штуцерами, т.е. рамку, оклеенную с двух противоположных сторон целлофаном, толщиной 10 мм. Эти полупроницаемые мембраны соседствовали с электродными резервуарами, отделяя проточную часть от электродных резервуаров. Через штуцеры поступала водопроводная и отводилась умягченная вода. Объем лабиринтного резервуара был 107 мл. Напряжение на электроды подавалось от источника питания и регулировалось по напряжению. Электроды применялись угольные. В начальный момент времени в электродных резервуарах находилась водопроводная вода. Определение жесткости воды проводилось по [9].
Результаты и обсуждение
Как известно, для электродиализа используют ионообменные мембраны. Эффективность таких мембран высокая, но достаточно низкой является их механическая прочность, что ограничивает производительность аппаратов. Кроме того, такие мембраны имеют достаточно высокую стоимость. В наших экспериментах мы использовали фильтровальную бумагу, но отказались ввиду ее непрочности, и далее использовали целлофан как модель незаряженных мембран.
Мы предполагали, что электродиализ будет достаточно эффективен и при использовании неионообменных мембран. Как известно, целлофановые мембраны достаточно легко проницаемы для различных ионов и широко применяются в биохимии.
На рис. 1 представлены данные по умягчению воды с помощью электродиализа с постоянной скоростью течения 27 мл/мин. Объем лабиринтного резервуара был 107 мл, т.е. в течение примерно 4 мин. вода находилась в этом лабиринте. В этом эксперименте мы изменяли напряжение на электродах. Средняя ошибка определения была 0,1 мг-экв/л. Исходная жесткость воды - 3,7 мг-экв./л.
Как видно из рис. 1, с увеличением напряжения на электродах, как и ожидалось, снижалась жесткость водопроводной воды. При этом снижение было достаточно большим: при напряжении 80 В жесткость снижалась на 79%. При этом снижение был практически линейным от величины напряжения в рассматриваемом диапазоне. Такая зависимость позволяет говорить, что предел снижения содержания солей еще не исчерпан, и возможно еще большее уменьшение концентрации солей, которое можно обеспечить более сильным воздействием электрического поля.
В следующем эксперименте мы зафиксировали напряжение на электродах 70 В (сила тока была 0,2 А), при этом изменяли скорость течения воды через электродиализатор, что приводило к изменению времени электродиализа для воды в аппарате. Средняя ошибка эксперимента была 0,11 мг-экв/л. Жесткость исходной воды - 3,8 мг-экв./л. Результаты показаны на рис. 2.
Как видно из рис. 2, здесь, как мы и ожидали, жесткость воды понижалась при замедлении скорости потока, т.е. увеличении времени нахождения в лабиринте. Здесь достаточно ясно видно, что с уменьшением скорости можно достичь более высокой степени умягчения. Как видно из приведенных данных, жесткость воды можно снизить до 16-20% от исходной и менее.
Мы попробовали проверить очистку с помощью электродиализа более концентрированного раствора CuSO4 как модели высокосолевого раствора. Была выбрана концентрация в 0,315 М. Этот раствор прокачивался через электродиализатор со скоростью 12 мл в минуту, при напряжении на электродах 70 В и токе в 0,2 А, т.е. как на рис. 2.
На выходе из аппарата величина концентрации CuSO4 была равной 0,28 М, т.е. наблюдалось снижение концентрации на 25 М - в абсолютном значении больше, чем на рис. 1 и 2.
Однако для целей очистки это величина явно недостаточна. Видимо, требуется значительно большее время обработки воздействием электрического поля, чтобы снижение концентрации достигало приемлемых величин. В данном случае это был только предварительный эксперимент. Путь, который должны проходить ионы, прежде чем покинуть проточный объем, был достаточно большой по сравнению с используемым в промышленных электродиализаторах, где он составляет 1-2 мм, и здесь имеется еще запас увеличения эффективности (мы руководствовались такой толщиной исключительно для увеличения прочности рамки). Тем не менее, для умягчения воды и эти данные уже представляют интерес.
Таким образом, нами было показано, что при проведении электродиализа вполне возможно применение неионообменных мембран, что может значительно снизить их стоимость.
Необходимо отметить, что использование ионообменных мембран в электродиализаторе имеет свои недостатки: вблизи мембран образуется поляризационный слой, который мешает более полному обессоливанию.
Кроме того, в солевых отсеках накапливаются соли, которые могут оседать на мембранах и засорять поры. На наш взгляд, незаряженные мембраны таких недостатков не имеют.
В то же время мембраны можно изготавливать и из более прочного пористого материала, что позволит увеличить габариты электродиализаторов и их производительность.
Наиболее эффективно использование таких аппаратов для водоподготовки, в том числе и предприятий тепло- и электроэнергетики, тем более что в последнем случае можно использовать электроэнергию по себестоимости, что существенно понизит производственные затраты.
Определенную сложность представляет образование водорода и кислорода в процессе работы электродиализаторов, но эта проблема нам не представляется непреодолимой ни в техническом, ни в экономическом смыслах. На наш взгляд, более широкое применение электродиализа для водоподготовки имеет хорошие перспективы.
Литература:
1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов // М., Изд- во МГУ, 1996 г., 680 с.
2. Мингазетдинов И.Х., Кулаков А.А., Га- зеев Н.Х., Кудрявцева Е.В., Галимова А.Р. По- вышение эффективности технических мето- дов очистки сточных вод для предприятий энергетики // Энергетика Татарстана. - 2013. - № 4. - С. 59-64.
3. Кулаков А.А., Чудакова О.Г., Ахметова Р.А. Использование электрокоагуляции для очистки никель-содержащих сточных вод // В книге: XIV Всероссийская конференция- школа «Химия и инженерная экология», Сборник докладов. - 2014. - С. 5.
4. Кулаков А.А., Шамарданова Г.Р. Ис- пользование пульсационной гальванокоагу- ляции для очистки никель-содержащих сточ- ных вод // В сб. «Совр. проблемы безопасн. жизнедеят.: Теория и практика», Материалы II Межд. научн-практ. конф. - Казань: ГУ
«Научный центр безопасности жизнедеятель- ности детей», 2012. - С.230-235.
5. Кулаков А.А., Тунакова Ю.А. Исполь-
зование пульсационной гальванокоагуляции для очистки сточных вод производства хими-
ческих волокон // Вестник Казанского тех- нологического университета. - 2013. - Т. 16. -
№ 11. - С. 225-227.
6. Кулаков А.А., Фаттахова Г.Ф., Ахмето- ва Р.А., Гришагина Е.С. Применение гальва- нокоагуляции для очистки сточных вод галь- ванических производств // В книге: XIV Все- российская конференция-школа «Химия и инженерная экология», Сборник докладов.- 2014. - С. 13-14.
7. Кулаков А.А., Ахметова Р.А., Фаттахова Г.Ф. Кинетика гальванокоагуляционного осаждения меди из раствора // В сборнике: XV Всероссийская конференция «Химия и инже- нерная экология» с международным участием, Сборник докладов. - 2015. - С. 92-94.
8. Кулаков А.А. Математическое модели- рование процесса гальванокоагуляционной очистки сточных вод от ионов меди // В сбор- нике: Экология и ресурсо- и энергосберегаю- щие технологии на промышленных предпри- ятиях, в строительстве, на транспорте и на сельском хозяйстве, сборник статей XV Международной научно-практической кон- ференции. Под редакцией Ю.П. Перелыгина.
- 2015. - Пенза - С. 44-47.
9. ГОСТ 31954-2012 - Вода питьевая. Методы определения жесткости.
Electrodialysis water treatment
The article presents the results of purification of tap water by using electrodialysis. Presents data on the decrease in hardness for several times in a few minutes. Discusses the use of electrodialysis for wastewater treatment from inorganic substances.
Key words: electrodialysis, water treatment, water purification.
Kulakov Alexei Alexeevich, Ph.D. (Biology), associate Professor.
The Department of General chemistry and ecology, Kazan national research technical University (KNITU (KAI). A. N. Tupolev. Kazan, street Red, 55. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Журнал «Вода Magazine», №2 (114), 2017 г.
