на чем основан метод электродиализа

Электродеионизация воды, принцип работы и метод электродиализа

В настоящее время многие производители лабораторных систем очистки воды используют технологию электродеионизации (ЭДИ, EDI).

Этот прогрессивный метод ионной очистки является альтернативой прямой очистке на ионообменных смолах и находит все более широкое применение.

Отличие технологии электродеионизации воды от ионного обмена

При использовании для очистки воды картриджей с ионообменными смолами рано или поздно наступает момент, когда их ресурс (параметр, называемый емкость ионообменной смолы) исчерпается. В этом случае необходимо заменить картридж целиком или же прибегнуть к процедуре регенерации смолы. Последний процесс весьма трудоемок и, что самое главное, требует применения агрессивных химических веществ (кислот и щелочей).

В случае электродеионизации процесс регенерации очищающих элементов происходит одновременно с процессом очистки воды и не требует применения дополнительных реагентов.

Принцип работы систем электродеионизации воды

В основе процесса электродеионизации лежит механизм электродиализа.

Суть электродиализа состоит в том, что примесные катионы и анионы из очищаемой воды под действием электромагнитного поля перемещаются к катоду и аноду соответственно. На их пути устанавливаются ионпроницаемые мембраны, которые задерживают молекулы воды.

Казалось бы, этого должно быть достаточно для полной очистки воды от ионов, однако это не так. Внутри модулей электродеионизации также есть ионообменные смолы.

Для чего в системах электродеионизации воды используются ионообменные смолы?

По мере очищения воды от ионов ее удельное сопротивление возрастает и перемещение оставшихся ионов в такой среде требует наложения более сильных электромагнитных полей. В 1960-х годах (первые разработки модулей электродиализа) это явилось основным препятствием в использовании электродиализа для глубокой очистки воды, – энергозатраты становились слишком высоки. Однако, в последствии решение этой проблемы было найдено. Пространство между катодом и анодом заполнили ионообменной смолой в смешанной форме (катионит + анионит). Смола эффективно понижает диффузное сопротивление, позволяя ионам легко мигрировать внутри электродеионизационной ячейки. Это позволяет очищать воду практически «до самого последнего иона» (до концентрации одна часть на триллион).

Помимо того, что в такой среде облегчен процесс передвижения ионов, способствующий электродиализу, смола также выполняет функцию ионного обмена.

Авторегенерация смолы – основное преимущество технологии ЭДИ (EDI)

По мере протекания воды через слой ионообменной смолы она очищается от примесных ионов за счет механизмов электродиализа и ионного обмена. В результате последнего процесса ионы водорода и гидроксил-ионы смолы замещаются катионами и анионами из очищаемой воды. Наибольшая часть примесей поглощается в начальной части ячейки со смолой, а в конечной части мы уже имеем воду практически свободную от ионов. В такой ситуации электрическое поле между катодом и анодом концентрируется на границах зерен ионообменной смолы и воды. Достаточно достичь напряжения в 1,2 В (стандартный электрохимический потенциал разложения воды) и в этих областях образуются ионы водорода и гидроксил-ионы одновременно.

Итак, резюмируем: процесс электродеионизации воды состоит из трех одновременно протекающих процессов:

Преимущества и недостатки метода электродеионизации воды.

Преимущества метода электродеионизации следующие:

При всех очевидных преимуществах такого метода очистки воды, у него есть и весьма существенные недостатки, или вернее особенности, которые необходимо учитывать.

Недостатки метода электродеионизации воды:

Последняя причина – основная, по которой некоторые известные производители систем очистки воды по-прежнему предпочитают оснащать свои системы стандартными картриджами со смешанными ионообменными смолами.

Findlab предлагает Вашему вниманию качественные лабораторные системы очистки воды от Avidity Science (Великобритания). Это современные, надежные и недорогие в обслуживании системы для лабораторий. Ассортимент систем представлен здесь.

Источник

Электродиализ воды

Высокое содержание солей в воде приводит к зарастанию трубопроводов и оборудования отложениями солей магния и кальция, кроме того, постоянное употребление минерализированной воды вызывает ряд заболеваний. Для обессоливания применяют различные методы, одним из которых является электродиализ:

Обессоливание воды электродиализом

Простейшая электродиализная установка для обессоливания воды представляет собой трехсекционную проточную емкость с электродами в крайних камерах. Резервуар разделен 2 электродиализными мембранами, одна из которых пропускает отрицательно заряженные ионы (анионы), другая положительно заряженные (катионы).

Под воздействием электрического поля катионы и анионы из секции между мембранами в электродиализной установке переходят в крайние камеры, рядом с электродами. В результате возле электродов собираются растворы щелочей и кислот, в межмембранном пространстве остается обессоленная вода. На практике применяют многокамерные установки электродиализной очистки воды, где резервуар разделен несколькими анионо- катиононепроницаемыми мембранами.

Преимущества очистки воды методом электродиализа

Опреснение и деминерализация воды электродиализом имеет следующие преимущества:

Внедрение установок электродиализа позволяет существенно снизить капитальные и текущие расходы на фильтрацию воды. Экономия достигается отсутствием затрат на реагенты, последующую нейтрализацию, снижением трат на техническое обслуживание.

Электродиализ и электродеионизация

К главным недостаткам электродиализа относится недостаточная эффективность при низком содержании электролитов. Это вызвано значительным сопротивлением воды с низким содержанием солей и необходимостью увеличивать напряжение для поддержания необходимой плотности тока.

Таким образом, достигается эффективная очистка воды с низким содержанием солей без увеличения энергозатрат.

Сферы применения электродиализного метода очистки воды

Электродиализ и электродеионизация применяются:

Другие методы обессоливания и деминерализации воды

Кроме элеткродиализа и электродеионизации мы хотели бы кратко рассмотреть следующие методы обессоливания и деминерализации воды:

Источник

Электродиализ

Электродиализ – метод разделения растворов электролитов путем их избирательного переноса через ионоселективные мембраны под действием электрического поля. Электродиализ относится к электромембранным процессам и сочетает в себе черты как электрохимического, так и мембранного процессов.

Для проведения процесса электродиализа используются специальные мембраны, называемые ионоселективными. Они делятся на катионообменные и анионообменные. Первые избирательно пропускают ионы с положительным зарядом (катионы), а вторые – ионы с отрицательным зарядом (анионы). Данный тип мембран изготавливается из ионообменных смол – органических полимеров искусственного происхождения.

По структуре ионоселективные мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными. Первые состоят только из ионообменных смол, тогда как вторые включают в себя инертный наполнитель, повышающий их механическую прочность. Также отдельно выделяют интерполимерные мембраны, которые отличаются от гетерогенных тем, что полимеры связующего и ионита в них не имеют химических связей, а соединяются путем переплетения макромолекул. Также ионоселективные мембраны могут быть классифицированы по структуре матрицы полимера.

Другой важной классификацией является разделение ионоселективных мембран на слабо-, средне- и сильноосновные, если речь идет об анионообменной мембране, и на слабо-, средне- и сильнокислотные в случае катионообменных. Эта классификация зависит от способности к диссоциации ионогенных групп в составе мембраны.

Чаще всего электродиализ проводят в аппаратах типа фильтр-пресс с плоскими электродами, но также встречаются аппараты рулонного типа. Количество мембран может достигать 300 и более штук. За счет профильного исполнения межмембранных прослоек создаются сквозные отводящие каналы обессоленного раствора и концентрата. Для предотвращения солеотложения на мембранах и увеличения их срока службы процесс часто проводят в режиме реверсивного электродиализа. Суть его заключается в том, что с определенной периодичностью в аппарате меняется полярность тока, а следовательно, и направление движения ионов сквозь соответствующие мембраны. При этом камеры обессоливания становятся камерами концентрирования и наоборот.

Электродиализ находит все более широкое применение в области водоподготовки. Необходимая степень обессоливания достигается за счет многоступенчатого опреснения воды. Благодаря тому, что процесс электродиализа не требует дополнительных реагентов, очищенная вода так же не нуждается в дополнительной доочистке. Также данный способ обессоливания позволяет получать из пресной воды ультрачистую воду, используемую в микроэлектронике.

Одно из наиболее широких применений электродиализ приобрел в сфере обработки сточных вод химических, нефтехимический, электрохимических и других предприятий. Процесс позволяет не только очищать сточные воды путем обессоливания и деионизации, но и возвращать назад в цикл ценные компоненты, содержащиеся в стоках. Так в процессе производства аммиачной селитры из кислого конденсата возможно возвращать в цикл до 94% нитрата аммония (NH₄NO₃).

На нефтеперерабатывающих заводах после стадий обработки продуктов перегонки и крекинга нефти едкой щелочью образуются сернисто-щелочные сточные воды (СЩСВ). Эти стоки содержат различные токсические соединения серы, как органические, так и неорганические, а также едкий натр, фенольные соединения и соли органических кислот. Обработка таких стоков происходит в многокамерных электродиализаторах периодического действия. В результате достигается почти полная очистка СЩСВ от токсичных сернистых соединений (99-100%), снижение ХПК на 90-95% и получение регенерированного раствора едкого натра, который может быть возвращен назад в цикл.

Для реализации данных процессов используются биполярные мембраны. Данный процесс также применим для получения аминокислот и малорастворимых кислот и оснований из соответствующих растворов солей.

Обработка электродиализом молочной сыворотки позволяет регулировать ее кислотность и минеральный состав, чем достигается повышение ее органолептических свойств, снижение гидроскопичности и улучшение последующий ступеней обработки.

Электродиализная обработка соков и вин применяется с целью их стабилизации, повышении или понижении кислотности, деионизации и удаления тяжелых металлов. По сравнению с охлаждением данный вид обработки имеет ряд преимуществ: нет ухудшения вкусовых качеств вина, снижение энергозатрат и уменьшение времени обработки.

Источник

Электродиализ: как это работает, преимущества, недостатки, применение

Содержание:

В электродиализ это движение ионов через полупроницаемую мембрану, вызванное разностью электрических потенциалов. Мембраны, используемые в электродиализе, обладают свойством быть ионообменниками для катионов или анионов.

Катионообменные мембраны имеют отрицательный заряд: они пропускают катионы и отталкивают анионы. Между тем, анионообменные мембраны имеют положительный заряд: они пропускают анионы и отталкивают катионы.

Камеры или ячейки электродиализа организованы в пакеты с несколькими анионными и катионообменными мембранами, которые чередуются друг с другом. Анионообменная и катионообменная мембраны ограничивают пространства, в которых осуществляются процессы разбавления и концентрирования жидкостей.

Движущей силой ионных потоков, которые проходят через мембраны электродиализных ячеек, является разность электрических потенциалов между катодом и анодом.

Между тем, при обратном осмосе поток воды из отсека с более высокой осмолярностью в отсек с более низкой осмолярностью происходит из-за увеличения гидростатического давления, вызванного действием насоса.

Как это работает при разбавлении водой?

Описание упаковки из пяти электродиализных ячеек

На показанной диаграмме (верхнее изображение) показано расположение шести ионообменных мембран: три для катионного обмена и три для анионного обмена, которые интеркалированы друг с другом. Эти мембраны ограничивают пять отсеков, в которых циркулируют жидкости, участвующие в электродиализе (см. Красные и синие стрелки).

Анионообменные мембраны заряжены положительно и показаны в синей цветовой схеме. Они позволяют анионам проходить и отталкивать катионы за счет электростатического отталкивания.

Между тем, катионообменные мембраны имеют отрицательный заряд, что обозначено зеленой цветовой схемой. Они проходят через катионы, но отталкиваются от анионов.

Оба типа мембран непроницаемы для воды. На схеме показаны два места, где происходит разбавление солености воды. На схеме водные потоки в эти пространства и из этих пространств обозначены синим цветом и обозначены как ток D..

Между тем, есть три места, где циркулирует вода с высоким содержанием соли, отмеченная красным цветом. Притоки и оттоки в эти отсеки обозначены на схеме как ток C.

Аналогичным образом на схеме показаны анодный (+) и катодный (-) отсеки, через которые протекает ток E.

Как работает электродиализ

Катионы притягиваются зарядом катода (-), а анод (+) их отталкивает. Анионы притягиваются зарядом анода (+) и отталкиваются зарядом катода (-).

Наблюдение, например, за ячейками номер три, четыре и пять, показывает следующее: в ячейках три и пять циркулирует концентрированная жидкость, а в ячейке четыре циркулирует разбавляющая жидкость.

Ион Cl – четвертого отсека притягивается зарядом анода и проходит через анионообменную мембрану, отделяющую его от пятого отсека.

Между тем ион Na + из пятого отсека отталкивается положительным зарядом анода, но не может войти в четвертый отсек. Это связано с тем, что мембрана, разделяющая четвертый и пятый отсеки, является анионообменной, поэтому она отталкивает катионы.

С другой стороны, Na + из четвертого отсека отталкивается анодом (+) и проходит через катионообменную мембрану (-), которая отделяет его от третьего отсека.

Вкратце: концентрация Na + и Cl – четвертого отсека имеет тенденцию к уменьшению. Затем концентрация соли уменьшается в отсеках разбавления и увеличивается в отсеках концентрации.

Преимущества и недостатки

Преимущество

-Не требуется химическая обработка для регенерации обменных мембран.

-Отсутствует низкая стоимость эксплуатации и обслуживания, требующих мало места для своей работы.

Недостатки

-Частицы диаметром более 1 мкм могут блокировать ионообменные мембраны.

— Не рекомендуется использовать воду с жесткостью больше 1, так как карбонат кальция создает корку в ячейках концентрата.

-Требуется очистка от углекислого газа (CO₂), поскольку эта диссоциация может изменить проводимость воды.

Разница между диализом и электродиализом

По этой причине вода течет в пользу градиента ее концентрации из отсека с более низкой осмолярностью в отсек с более высокой осмолярностью.

Электродиализ, с другой стороны, представляет собой поток ионов через ионообменную мембрану, которая позволяет ионам проходить или нет, в зависимости от их электрического заряда. Движущей силой движения ионов является разность электрических потенциалов.

В отличие от диализа, при электродиализе нет потока воды через мембраны, а есть только поток ионов.

Применение электродиализа

Деминерализация воды

Существуют электродиализные установки, которые перерабатывают воду с высоким содержанием соли для производства питьевой воды. Электродиализ также используется для обработки сточных вод бытовых и промышленных предприятий, чтобы сделать их пригодными для дальнейшего использования.

Электродиализ особенно используется для извлечения ценных металлов, присутствующих в сточных водах промышленных предприятий. Он также используется для удаления солей и кислот из водных растворов, а также для отделения ионных соединений от нейтральных молекул.

Пищевая промышленность

Хотя электродиализ используется в фармацевтической, косметической и других отраслях промышленности, наиболее широко он применяется в пищевой промышленности. Среди некоторых его приложений можно отметить следующие:

-Деминерализация сыворотки и патоки

-Стабилизация винной кислоты в вине

-Снижение кислотности фруктовых соков

-Производство изолятов растительных белков

-Фракционирование сывороточных белков

-Деминерализация соевого и рыбьего жира

-Удаление щелочных ионов из свеклы и тростниковой патоки

-Обработка отходов морепродуктов

-Деминерализация виноградного сусла и картофельного сока

-Концентрация и восстановление органических кислот

-Производство соевых белков

Ссылки

Антидепрессанты и алкоголь: эффекты и последствия их сочетания

Металлопротеиназы: характеристика, функции и виды

Источник

Сравнение техники электродиализа и обратного осмоса

Отличия систем электродиализа и обратного осмоса

Три фактора являются доминирующими и практически единственными (за исключением специфики маркетингового и эмоционального характера), по которым следует проводить сопоставление их эффективности:
— предварительная подготовка воды;
— частота замены мембран;
— энергоемкость процесса.
Мы умышленно пренебрегаем сравнением стоимости установок, которые, естественно, варьируют в разных странах, однако с известными допущениями разброс цен в 30 % следует признать приемлемым и стоимость условно адекватной

Предподготовка воды

Этот фактор часто замалчивается компаниями, продающими установки обратного осмоса. Высокая чувствительность мембран к различного рода примесям органического и неорганического характера требует применения развитых схем предподготовки воды перед установками обратного осмоса и почти не требуется в случае использования электродиализных аппаратов. Это вполне естественно, поскольку принципы обессоливания в них совершенно различны.
И для обратного осмоса, и для электродиализа наиболее опасными являются соли жесткости, в особенности кальциевая жесткость. Борьба с органическими загрязнениями решается более просто – путем использования гипохлорита, активированного угля, биологической обработки воды или электродеструкции (процесс разработан и широко используется компанией «Эйкос»).
Для снижения содержания солей кальция не существует эффективных методов. Для слабосоленых вод используется реагентная обработка или умягчение. Электрохимическая обработка (4) увеличивает стоимость обессоливания, и вопрос об ее использовании решается в каждом конкретном случае индивидуально.
Не существует эффективных методов снижения жесткости морской и океанской воды (общая жесткость до 140 мг-экв/дм3), поэтому инженеры должны смириться с мыслью, что всю или большую часть нагрузки, связанную с отложением солей, мембраны принимают на себя.
По данным компании «Ionics», существует по меньшей мере 7 факторов, свидетельствующих в пользу электродиализа в сравнении с обратным осмосом. Причем, эти преимущества можно увеличить, перейдя с мембран, имеющих стирол-дивинилбензольную основу на акриловую (5):
1) система реверсного электродиализа не требует высокого качества исходной воды и менее чувствительна к проблемам предочистки в сравнении с системой обратного осмоса; может работать с индексом Ленжелье, равным 12. Тщательная и дорогая предочистка, а также дополнительные химикаты необходимы, чтобы получить индекс Ленжелье, равный 3, нужный для систем обратного осмоса;
2) система реверсного электродиализа может работать при остаточной концентрации активного хлора до 1 мг/дм3, а обратный осмос нуждается в дехлорировании, чтобы защитить мембрану от деградации из-за окисления свободным хлором. Способность реверсного электродиализа работать в присутствии небольших концентраций активного хлора сводит к минимуму биологическое загрязнение мембраны, что делает эту систему более надежной;
3) система реверсного электродиализа позволяет восстанавливать мембрану в пределах 80-90 %. Для системы обратного осмоса степень восстановления 65-75 %;
4) мембрана реверсного электродиализа не подвержена воздействию бактерий и влиянию высоких температур, поэтому она не нуждается в специальных условиях хранения. При обратном осмосе требуются специальные растворы и контроль температуры при хранении;
5) мембрана реверсного электродиализа может быть очищена кислотой, рассолом, каустической содой, в то время как мембрана обратного осмоса требует специальных дорогих очищающих химикатов (хелатов);
6) мембранная технология реверсного электродиализа подтвердила продолжительность эксплуатации мембраны от 7 до 10 лет. Мембрана обратного осмоса может использоваться не более 1-3-х лет из-за чувствительности к факторам процесса. В результате обратного осмоса сточная вода содержит очень большое количество кислоты, что требует ее нейтрализации каустической содой или известью;
7) очистка электродиализных пакетов не встречает каких-либо трудностей, в то время как разборка заводских блоков аппаратов обратного осмоса, имеющих спиральную конфигурацию, зачастую невозможна.
Основываясь на вышеназванных преимуществах, система реверсного электродиализа предпочтительнее системы обратного осмоса для рециркуляции сточной воды.
В процессе электродиализа через мембраны «добровольно» мигрируют анионы и катионы; основной поток воды движется параллельно мембранам (тангенциально по отношению к мигрирующим ионам) (рис.1).

Электромембранный (электродиализный)

Рис. 1. Схема движения воды в электродиализаторе

В обратноосмотических аппаратах поток воды продавливается под давлением через мембрану (рис. 2). Даже из общих соображений понятно, что во втором случае требуется гораздо более тщательная подготовка воды

Барометрический (обратноосмотический)

Рис. 2. Схема движения воды в барометрических аппаратах

Схемы подготовки воды перед обратным осмосом в последнее время значительно усложнились и достигают 8 стадий (6).
Существует мнение (7), что предочистка может составлять до 50 % стоимости установки. В то же время даже при переработке океанской воды электродиализом схемы ее подготовки сравнительно просты (8).
Типичные схемы подготовки воды перед обратным осмосом и электродиализом сведены в табл. 1.

Источник