Моделирование электроконвекции в ЭМС с гетерогенными мембранами. Дипломная (ВКР). Экология.
💣 👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Моделирование электроконвекции в ЭМС с гетерогенными мембранами
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
электроконвекция моделирование гетерогенный мембрана
Проблема постоянно растущего загрязнения гидросферы может иметь очень
серьезные последствия для существования всего живого на нашей планете. Один из
путей защиты гидросферы состоит в разработке и оптимизации экологически чистых
методов водоподготовки и переработки сточных вод, в том числе методов получения
питьевой, сверхчистой, апирогенной, деминерализованной и др. видов вод для
промышленного и бытового пользования. В настоящее время среди наиболее
эффективных и востребованных методов очистки и разделения водных растворов
можно выделить мембранные методы: обратный осмос, ультрафильтрацию и
электродиализ. Эти методы являются энерго- и ресурсосберегающими, экологически
и экономически целесообразными.
В настоящее время наибольшее развитие получили одномерные модели
стационарного переноса (Гнусин Н.П., Заболоцкий В.И., Лебедев К.А., Никоненко
В.В., Уртенов М.Х., Рамирес П., Рубинштейн И., Манзанарес Ж.А., Мафе С.). Более
подробное математическое описание процесса дают двумерные модели (Лебедев К.А.,
Уртенов М.Х., Давыдов А.Д., Волгин В.М., Коржов Е.Н., Григин А.П., Зальцман Б.,
Письменский А.В), учитывающие вклады конвективной и диффузионной составляющей
потока. Развитию же теории нестационарного переноса в мембранных системах
посвящено сравнительное небольшое число работ.
Проблемы, возникающие при описании переноса в многоионных системах,
рассмотрены только в случае стационарных моделей. В то же время знание роли
поверхности и поверхностных явлений является очень важным для создания новых
мембран путем направленной модификации свойств их поверхности. Также важное
значение имеет изучение многоионных систем, какими являются практически все
природные воды.
Целью дипломной работы является моделирование электроконвекции в ЭМС с
гетерогенными мембранами в среде Comsol Multiphysics 4.3 и
установление основных закономерностей гетероэлектроконвекции.
Одним из самых экологичных методов опреснения, очистки сточных вод,
выделения из загрязненных вод определенных видов ионов являются
электромембранные технологии и, в частности, электродиализ.
Важнейшей экологической проблемой является очистка воды от радиоактивных
изотопов. Электродиализный процесс может быть использован для дезактивации
воды, если радиоактивные вещества находятся в ней в растворенном состоянии в
виде ионов, например, для дезактивация слабоминерализованных сбросных вод
ядерных реакторов, воды контурного охлаждения и пресной воды используемой для
питья. Применение электродиализа для дезактивации воды в случае
слабоминерализованных вод имеет целый ряд преимуществ перед традиционными
системами очистки воды, такими как, дистилляция и ионный обмен.
Электромембранные системы (ЭМС) продемонстрировали свою эффективность при
решении такой сложной экологической проблемы как очистка воды от ионов тяжелых
металлов и создании безотходных технологий в гидроэлектрометаллургии.
При эксплуатации и моделировании ЭМС принято различать мягкие токовые
режимы, при которых можно пользоваться условием электронейтральности (например,
допредельные токи для бинарных электролитов и токи Харкаца при учете
диссоциации воды и т.д.) и жесткие (интенсивные, запредельные) токовые режимы,
когда этого делать нельзя.
Для глубокой деминерализации воды с исходным солесодержанием до 0.01 М предпочтительнее
использование интенсивных токовых режимов (например, токов больше предельного и
тока Харкаца), при которых происходит повышение эффективности процесса
обессоливания за счет так называемых вторичных или сопряженных эффектов (эффект
экзальтации предельного тока, гравитационная конвекция, электроконвекция и
т.д.), способствующих уменьшению эффективной толщины диффузионного слоя и
облегчающих доставку ионов соли из ядра потока к межфазной границе
раствор/мембрана.
Процессы, происходящие в ЭМС, имеют сложную природу. Их изучение требует
учета гидродинамических, термодинамических, электродиффузионных явлений.
Математические модели мембранной электрохимии строятся на основе уравнений
Навье-Стокса, Нернста-Планка, Пуассона, теплопереноса и т.д.
Имеется большое количество работ посвященных построению и исследованию
математических моделей ЭМС. Однако в этих работах ограничиваются рассмотрением
сравнительно простых математических моделей при различных упрощающих
предположениях, из-за математических трудностей исследования краевых задач для
общих систем уравнений Нернста-Планка-Пуассона и Навье-Стокса, лежащих в основе
моделирования ЭМС. Особенно это касается моделирования электроконвекции.
Первые попытки моделирования электроконвекции восходят, по-видимому, к
работам Григина А.П.. Фундаментальный вклад внесли работы Духина C.С.,
Рубинштейна И..
Во всем мире мембранные технологии доказали своё преимущество
по сравнению с традиционными технологиями очистки, разделения, обессоливания и
концентрирования жидких и газовых смесей. Исторически в России и в других
республиках бывшего СССР сравнительно большее развитие получили
электромембранные технологии и, в первую очередь, - электродиализ, который
появился первым среди других мембранных методов, взяв начало в широко
применяемом в своё время ионном обмене. В советское время государство уделяло
большое внимание развитию мембранных технологий, традиционно выделяя
электродиализ в качестве одного из приоритетных направлений [1].
Первая страница истории электродиализа была написана в 1890
г., когда кубинцы Е. Майгрот и Дж. Сабатес (E. Maigrot, J. Sabates) получили
патент Германии на очистку сахарных растворов от солей [2]. История исследования
электродиализа в России начинается с 1932 г., когда И.И. Жуков, Б.П.
Никольский, О.Н. Григоров и А.В. Маркович в Санкт-Петербургском государственном
университете применили электродиализ с трубчатыми керамическими мембранами для
обессоливания воды р. Невы. В качестве анионоселективной мембраны они
использовали керамическую трубу из шамота, а катионоселективная мембрана была
изготовлена из глины угольного обжига (число переноса катионов 0,66). Несмотря
на низкую селективность мембран, им удалось получить обессоленную воду с
удельным электросопротивлением 1 МОм см, при затратах электроэнергии 6 кВт
ч/м3.
В 1934 г. Н.И. Гаврилов и В.Е. Балабуха-Попцова в Московском
государственном университете предложили метод очистки аминокислот от
дикетопиперазина электродиализом. Л.Т. Соловьёв в 1935 г. применил
электродиализ для разделения смеси аминокислот и продуктов частичного гидролиза
белка на три группы, а И.П. Макаров в 1936 г. электродиализом выделил алкалоид
из растительного сырья.
О.Н. Григоров с сотрудниками в 1954 г. получили гетерогенные
ионообменные мембраны прессованием измельчённых ионообменных смол с порошком
полиэтилена, а в 1955-1958 гг. В.С. Титов, А.Б. Пашков и К.М. Салдадзе
усовершенствовали этот метод и организовали в г. Щёкино Московской области цех по
производству гетерогенных катионообменных и анионообменных мембран [3].
Гомогенные мембраны в промышленном масштабе были освоены Б.И.
Ласкориным, Н.М. Смирновой и М.Н. Гантман. Производство биполярных мембран на
основе монополярных гетерогенных мембран было налажено Г.З. Нефёдовой и Ю.Г.
Фрейдлиным [4].
В России многосекционный электродиализ с чередующимися
катионообменными и анионообменными мембранами для обессоливания воды был
впервые применён О.С. Ленчевским. К.М. Салдадзе с сотрудниками создали промышленные
опреснительные электродиализные установки ЭОУ-НИИПМ-25 производительностью 1
м3/ч и ЭОУ-21У-НИИПМ производительностью 25 м3/ч. Серийное производство этих
установок было налажено на предприятии “Тамбовмаш”.
В 1961 г. в лаборатории ионообменных смол Института
химических наук АН Казахстана начались исследования электродиализного
обессоливания. Алма-Атинский электромеханический завод с 1965 г. освоил
производство электродиализных опреснительных установок ЭДМ-300
производительностью 25-50 м3/сутки, а в 1968 г. была задействована установка
станции Моинты производительностью 200 м3/сутки [5].
В 1965 г. Н.П. Гнусин и В.Д. Гребенюк впервые создали
лабораторную установку для получения глубокообессоленной воды на основе
трёхсекционного электродиализатора с засыпкой средней секции смешанным слоем
ионообменников. Установка работала в циркуляционном режиме и позволяла получать
воду с удельным электросопротивлением 22,4 МОм см. Аппараты данного типа
получили развитие в Кубанском госуниверситете и в созданном позже при нём
центре “Мембранная технология”. В конце 1970-х - начале 1980-х гг. в
микроэлектронной промышленности были разработаны и внедрены комплексные
установки по получению деионизованной воды производительностью 1, 2 и 10 м3/ч.
В 1968 г. В.А. Шапошник с сотрудниками создали установку УФЭ-250, позволявшую
получать глубокообессоленную воду методом многосекционного прямоточного
электродиализа с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами
производительностью 250 л/ч. Секции обессоливания электродиализатора также
заполняли смешанным слоем ионообменников. В 1980 г. в Воронежском
государственном университете была создана установка для электродиализного
получения глубокообессоленной воды производительностью 2 м3/ч [6].
Основной тип ионообменных мембран, применяемых при
электродиализе в России, - гетерогенные мембраны, производство которых было
основано в г. Щёкино Московской области. Для их получения гранулированные смолы
кондиционируются, затем измельчаются при соударениях частиц друг о друга во
встречных потоках, создаваемых сжатым воздухом. Размельчённые ионообменники
смешиваются с порошком мелкодисперсного полиэтилена и антиоксидантами. Для
приготовления серийной катионообменной мембраны МК-40 составляется смесь из 65%
сильнокислотного сульфокатионообменника, получаемого сульфированием сополимера
стирола и дивинилбензола. Серийная анионообменная мембрана МА-40 на 55% состоит
из полифункционального анионообменника, содержащего, кроме 20% четвертичных
аммониевых оснований, вторичные и третичные амины. Серийная анионообменная
мембрана МА-41 содержит 65% высокоосновного анионообменника, получаемого
хлорметилированием сополимера стирола с дивинилбензолом с последующим
аминированием триметиламином. Этот анионообменник имеет только один вид
ионогенных групп - бензилтриметиламмоний. Приготовленные мелкодисперсные смеси
вальцуются при 140 С в листы. Листы ионообменника с композитным материалом
(полиэтиленом) прессуются с армирующей тканью из нейлона или капрона при
давлении 250-295 атм и температуре 140 С в листы размером 1350-450см х см.
Кроме крупных серий, изготавливаются по заказу изопористые
МА-41И и макропористые МА-41П аналоги анионообменной мембраны МА-41,
катионообменные мембраны МК-41, основанные на фосфорнокислотном
катионообменнике, и биполярные мембраны марки МБ-1, получаемой прессованием
МК-40 и МА-40, и марки МБ-2, получаемой прессованием МК-40 и МА-41. Лучшей
биполярной мембраной, имеющей наименьшее электросопротивление при эксплуатации,
является мембрана МБ-3, получаемая прессованием мембран МК-41 и МА-41.
Особенность гетерогенных мембран, получаемых по описанной
технологии, заключается в высокой механической прочности и обратимости
физико-химических свойств после вынужденного высыхания при эксплуатации.
Кроме гетерогенных мембран, в СССР производились гомогенные
мембраны по технологии, разработанной в НИИПластмасс, однако г. Черкассы, в
котором был налажен их выпуск, находится на Украине.
Обессоливание. Использование электродиализа для получения
пресной питьевой воды с общим солесодержанием 0,5-0,8 г/л из солоноватых вод с
общим солесодержанием 3-10 г/л является достаточно традиционным приложением.
Известно, что в этой области концентраций экономически более выгодно применение
электродиализа, чем обратного осмоса, который становится более эффективным при
солесодержании исходной воды > 10 г/л.
В бывшем Советском Союзе действовало три завода по
производству электродиализных опреснительных установок: Тамбовский механический
завод («Тамбовмаш»), Пятигорский механический завод («ПМЗ») и Алма-Атинский
электромеханический завод («АЭЗ»). «Тамбовмаш» выпускал электродиализаторы
марки “Родник” и опреснительные установки на их основе. Установка ЭОУ-НИИПМ-12-25М
имела производительность 1 м3/ч опреснённой воды; при первоначальном
солесодержании 3-6 г/л выход опреснённой воды (0,5-0,85 г/л) составлял 40-60%
от общего количества воды, подаваемой на установку, расход электроэнергии - не
более 1 кВт ч на 1 кг удалённой соли. Опресняемая вода проходила фильтр
предварительной очистки и направлялась в электродиализатор “Родник-3М”,
концентрат направлялся на сброс, опреснённая вода фильтровалась через колонку с
активированным углём БАУ. В электродиализаторе “Родник-3М” использовались
мембраны марки МК-40 и МА-40 площадью 0,165 м2, число парных камер равнялось
400. Всего было выпущено более 800 таких установок, общая производительность
которых составила около 1,5 млн. м3 опреснённой воды в год [7].
На основе электродиализаторов “Родник-21К” и “Родник-23К”
были созданы установки ЭОУ-2Р-23К и ЭОУ-2Р-21К производительностью,
соответственно, 100 и 50 м3/ч. Комбинирование электродиализа с ионным обменом
позволило проводить глубокое обессоливание подземных соленых вод с
солесодержанием 3-5 г/л, из открытых водоёмов (0,5-1 г/л) и другие.
Производство электромембранных установок на АЭЗ в настоящее
время осуществляется компанией “Membrane Technologies” (Алматы - Москва).
Компания производит широкий спектр установок: от бытового опреснителя типа EDD
производительностью 0,05-0,2 м3 пресной воды в час (степень обессоливания 75%,
масса без воды 15-30 кг) до установок типа ЕДУ 1-400х2 или ЕДУ 2-600х6
производительностью, соответственно, 120 и 600 м3 пресной воды в сутки. Потребление
электроэнергии составляет 2-2,4 кВт ч/м3 при обессоливании от 3 до 1
г/л. Высокопроизводительные установки используют электродиализаторы типа ЕДА с
мембранами МК-40 и МА-40 с реверсивным или импульсным режимом работы.
Электродиализатор ЕДА-1500х1000 с 600 рабочими камерами и размером мембран
1500х1000 мм х мм является самым крупным среди выпускавшихся в Советском Союзе,
его производительность по обессоленной воде равна 70 м3/ч при степени
обессоливания 30% (станция опреснения “Балхаш”).
За многие годы “Membrane Technologies” внедрила более 560
установок различного целевого назначения, включая более 200 опреснительных
установок для получения питьевой воды и воды для котельных, общей
производительностью около 50000 м3/сутки, а также более 100 установок для
переработки сточных вод производительностью 25000 м3/сутки [8].
При опреснении минерализованных вод в континентальных
условиях проблема переработки природных вод должна решаться комплексно:
необходимо заботиться также об утилизации получаемого рассола. Компания
“Membrane Technologies” решает эту проблему, используя электродиализное
концентрирование (технические аспекты этого процесса будут рассмотрены ниже).
Концентратор ЕDАС, выпускаемый “Membrane Technologies”, имеет
производительность до 40 м3/cутки и позволяет концентрировать рассол до 150-180
г/л. В дальнейшем рассол можно упаривать на открытых испарительных площадках и
получать твёрдую соль, затем отправлять ее на заводы по производству поваренной
соли, извлекая попутно более ценные компоненты (Br-, I-, Li+), либо
использовать рассол в качестве тампонажного раствора при ремонте нефтяных
скважин. В любом случае с точки зрения экологии, и в особенности экологии
засушливых регионов, электромембранная технология имеет огромное преимущество
по сравнению с другими методами опреснения, поскольку вообще не использует
химические реагенты и обеспечивает минимальный объём и максимальную
концентрацию рассола, что облегчает его дальнейшую переработку.
Другое решение проблемы утилизации минеральных солей при
комплексной переработке шахтных и коллекторно-дренажных почвенных вод
предлагают В.Д. Гребенюк и его коллеги (Институт коллоидной химии и химии воды
им. Думанского, Киев). Использование зарядселективных ионообменных мембран,
предпочтительно пропускающих однозарядные катионы и анионы и задерживающих
многозарядные ионы, позволяет удалить из обрабатываемой воды ионы, разрушающие
структуру почвы (Na+, Cl-), а ионы, укрепляющие её структуру (Са2+, Mg2+),
оставить в диализате, который можно затем использовать для полива.
Дополнительное преимущество зарядселективных мембран заключается в возможности
упростить предподготовку воды перед электродиализом, а также в повышении
предельно допустимой концентрации рассола.
В заключение отметим, что все производители электродиализаторов-опреснителей
в России и в республиках бывшего СССР используют мембраны МК-40 и МА-40. Эти
мембраны по некоторым своим характеристикам уступают ионообменным мембранам
японского или американского производства. Прежде всего это касается толщины
мембран МК-40 и МА-40; относительно большая толщина (0,45-0,60 мм) приводит к
увеличению габаритных размеров аппаратов и к перерасходу электроэнергии, что
становится особенно заметным в области высоких концентраций обрабатываемых
растворов. Однако с разбавлением раствора доля падения напряжения, приходящаяся
на материал мембран, уменьшается. В то же время низкая цена этих мембран, их
достаточно высокая селективность, высокая механическая прочность,
нечувствительность к высыханию делают их вполне привлекательными при
использовании в электродиализаторах для опреснения и глубокого обессоливания
воды.
Деионизация. Выше была отмечена высокая экологическая
целесообразность мембранных методов опреснения (в том числе электродиализа).
Ионный обмен и дистилляция все энергичнее вытесняются обратным осмосом и
электродиализом. В то же время основным методом получения деионизованной воды
для нужд микроэлектроники и медицины остается ионный обмен, хотя его недостатки
в отношении загрязнения окружающей среды солевыми, а иногда щелочными и
кислотными стоками хорошо известны. Замену ионному обмену в производстве
высокоомной воды многие исследователи видят в электродиализе с насадкой из
ионообменных смол, или электродеионизации. Как уже отмечалось, это направление
электродиализа сравнительно высоко развито в России.
Традиционный электродиализ, использующий инертные
сепараторы-турбулизаторы, имеет естественные ограничения применимости в области
разбавленных растворов. Принято считать, что область его рационального
применения ограничивается получением растворов с солесодержанием 200-300 мг/л
(4-6 мг-экв/л). Это вызвано следующими причинами. Если использовать “мягкие”
токовые режимы, когда не происходит необратимого разложения воды на Н+ и ОН-
ионы вблизи границ мембрана/раствор, то с уменьшением концентрации раствора
скорость процесса, контролируемая внешней диффузией, слишком снижается. Попытка
использовать “форсированные” токовые режимы, когда плотность тока превышает
свое “предельное” значение, приводит к росту скорости массопереноса, благодаря
сопряженным эффектам электроконвекции и экзальтации. Однако несбалансированная
генерация в объем обессоливаемого раствора H+ ионов на границе с ионообменной
мембраной и ОН- ионов на границе с катионообменной мембраной вызывает сдвиг рН
раствора. Чаще всего генерация Н+ ионов идет более интенсивно, чем ОН- ионов, и
обессоливаемый раствор приобретает кислую реакцию. Величина рН снижается до
4-4,5, и концентрация Н+ ионов становится сравнимой с концентрацией катионов
соли, что делает процесс электродиализа неэффективным. Введение ионообменного
наполнителя в камеры обессоливания позволяет значительно расширить область
эффективного применения электродиализа. Использование монослоя смеси гранул
катионита КУ-2 и анионита АВ-17 c инертным спейсером или гранул анионита с
катион-проводящим спейсером обеспечивает получение деионизованной воды с
электросопротивлением 2-3 МОм см с достаточно высокой скоростью массопереноса.
Другой способ развития поверхности массообмена в канале обессоливания
заключается в использовании ионообменных мембран со специально модифицированной
поверхностью. Увеличение поверхности массообмена приводит к снижению локальной
плотности тока при неизменной силе тока и через аппарат. Чем больше поверхность
анионообменника (анионообменная мембрана + анионообменные гранулы), тем меньше
локальная плотность тока, тем “мягче” токовый режим на этой границе,
следовательно, тем меньше интенсивность генерации Н+ ионов в объем
обессоливаемого раствора. Аналогично, увеличивая поверхность катионообменника, можно
снизить скорость генерации ОН- ионов в объем раствора. Таким образом, подбирая
состав ионообменной насадки, можно регулировать рН обессоливаемого раствора.
Развитие поверхности массообмена увеличивает скорость электродиализа. Кроме
того, кривизна поверхности ионообменных гранул или выступов на поверхности
мембраны способствует развитию электроконвекции, частично разрушающей
диффузионный слой и облегчающей доставку ионов соли к поверхности
ионообменников. Наличие сопряженной конвекции в области разбавленных растворов
убедительно доказывается тем фактом, что с уменьшением концентрации коэффициент
массопереноса (число Шервуда) заметно растет при фиксированном напряжении на
парной камере [9].
Электродиализное концентрирование. Для концентрирования
электролитов применяются как аппараты с конструкцией, аналогичной
электродиализаторам-опреснителям (с проточными камерами концентрирования), так
и с непроточными камерами концентрирования, имеющими только одно отверстие для
выхода концентрата. В последнем случае вода поступает в камеры концентрирования
через мембраны. Основным механизмом ее доставки является электроосмос, роль
осмотического переноса воды из камер концентрирования в камеры обессоливания
уменьшается с ростом плотности тока. Максимально достижимая концентрация
рассола NaCl при электродиализе с мембранами МК-40 и МА-40 составляет около 5,5
моль/л; что означает, что с парой ионов Na+ и Сl- в камеру концентрирования
переносится h = 8-9 молекул воды (h - среднее динамическое число гидратации для
системы NaCl / МК-40, МА-40). Максимальная концентрация рассола Ns (в мольных
долях) связана с h простым соотношением [10]:
Как указывалось выше, проблема получения максимально
концентрированного рассола возникает при опреснении природных вод в связи с
необходимостью утилизации солей.
Во многих отраслях химической и биохимической промышленностях
конечный продукт на завершающей стадии технологического цикла выделяется в
твердом виде. При этом часто в качестве побочного продукта появляются
относительно разбавленные растворы, и возникает проблема их переработки с целью
повторного использования воды и утилизации растворенных ценных или вредных для
окружающей среды веществ. Так, при производстве аммиачной селитры образуется
так называемый конденсат сокового пара (КСП), представляющий собой 0,2-0,3%
раствор NH4NO3с некоторым избытком азотной кислоты или аммиака. Для решения
проблемы комплексной переработки КСП была реализована технологическая схема на
Невинномысском ПО “Азот” центр “Мембранная технология”.
Биполярный электродиализ. Недостатком мембран является
сравнительно невысокий выход по току генерации H+ и ОН- ионов, обусловленный
высокой диффузионной проницаемостью исходных мембран, из которых приготовлены
биполярные мембраны. Это ограничивает применение мембран в процессах, где
требуется получение высокочистых концентрированных кислот и щелочей, свободных
от примесей исходных солей. В тех случаях, когда затраты на расход
электроэнергии не являются лимитирующими, для получения концентрированных
сравнительно чистых кислот и щелочей можно использовать биполярный
электродиализ (БЭД) с пятикамерной элементарной ячейкой. Ячейка
электродиализатора содержит камеру обессоливания, ограниченную катионо- и
анионообменной мембранами, две непроточные камеры концентрирования, также
ограниченные катионо- и анионообменной мембранами, и две камеры, с одной из
сторон ограниченные биполярной, а с другой - монополярной мембраной, в которых
образуются кислота и щелочь соответственно, концентрируемые затем в камерах
концентрирования. БЭД с пятикамерной ячейкой позволил получить из 0,5 М
раствора NaCl растворы кислоты HСl и щелочи NaOH с концентрацией,
соответственно, 2,5 и 4 М, содержащие не более 7% NaCl.
В тех случаях, когда концентрация перерабатываемого раствора
невысока, диффузионная проницаемость мембран становится несущественной, и
мембраны МБ-3 могут быть успешно применены для получения кислотных и щелочных
растворов в трехкамерном БЭД. Примером может служить использование биполярного
электродиализа в схеме предподготовки воды. Умягченная водопроводная вода
поступает в биполярный электродиализатор, на выходе которого получается
щелочной раствор (рН=10,5-11,5), направляемый далее в осветлитель для осаждения
солей жесткости, и кислотный раствор (рН=3,5-4,5), который после дегазации идет
на обработку электродиализом. Проблема получения чистых концентрированных
кислот и щелочей может быть также решена при использовании аппарата с
трехкамерной ячейкой и российскими мембранами, если процесс проводить в две ступени.
На первой ступени в среднюю камеру трехкамерной ячейки БЭД подается раствор
перерабатываемой соли, а в соседние с ней камеры - вода. В данном случае
растворы кислоты и щелочи, производимые БЭД, достаточно чистые, так как
мембраны функционируют в среде разбавленных растворов. Дальнейшее
концентрирование растворов кислоты и щелочи, если это необходимо, проводится на
второй ступени с помощью электродиализатора-концентратора [11].
Применение биполярного электродиализа для получения
высокочистых концентрированных растворов кислот и щелочей как конечного
коммерческого продукта - производство сравнительно дорогое: для этого требуются
либо высококачественные, но дорогие биполярные мембраны японского или
американского производства, либо повышенные энергозатраты при использовании
более дешевых российских мембран. Более перспективным представляется применение
БЭД в технологических схемах, где его использование позволяет организовать ряд
последовательных превращений и циркуляцию ценных веществ или воды без их потери
в процессе производства.
Эффект в данном случае достигается за счет получения и
последующего использования кислот и щелочей с примесью соответствующих солей
(иногда существенной) или сдвига рН циркулирующего в процессе раствора. При
таком подходе БЭД может быть использован для получения аминокислот из их солей,
синтеза аминокислот и их выделения из их солей, очистки воздушных (газовых)
смесей от примесей кислых и основных газов с их одновременным концентрированием
(санитарная очистка газов), для получения малорастворимых кислот или щелочей
(оснований) из растворов их солей. В последнем случае можно получить вполне
чистый продукт, даже если его солевой раствор содержит примеси. Этого можно
добиться, подобрав такое рН, при котором образуется твердая фаза, содержащая
только нужный продукт.
Разделение смесей. В настоящее время электродиализ широко
применяется в различных областях, связанных с разделением и очисткой жидких и
газовых смесей: в гидрометаллургии, в гальванических производствах, в пищевой
промышленности, медицине и др [6].
Рассмотрим разделения и очистки биохимических и медицинских
препаратов, а также приложений электродиализа в пищевой промышленности.
Отметим важное для практики явление, известное с середины
1950-х гг. Речь идет о том, что с ростом плотности тока селективность переноса
через мембрану одного из двух конкурирующих противоионов уменьшается. Это
явление объясняется тем, что концентрация предпочтительно переносимых
противоионов в диффузионном слое обессоливаемого раствора уменьшается в большей
степени, чем концентрация второго сорта противоионов. Поскольку с ростом
плотности тока стадия переноса через диффузионный слой становится все более
важной (переход кинетики во внешнедиффузионную область), селективные свойства
мембраны оказывают все меньший эффект на результирующий перенос. Это происходит
и в том случае, когда поверхность мембраны тем или иным способом
модифицирована, чтобы создалось дополнительное сопротивление одному из
противоионов. Поэтому наиболее эффективно разделение происходит в том случае,
когда действие мембран усиливается каким-нибудь дополнительным эффектом.
Эффект электромембранного разделения ионов может быть усилен
связыванием одного из ионов в комплексный ион или его осаждением в виде
малорастворимого электролита. Например, для разделения натрия и кальция можно
использовать связывание кальция в комплекс этилендиаминтетрауксусной кислотой
(ЭДТА). В этом случае натрий будет мигрировать через катионообменную мембрану,
а комплексный ион CaY2- - через анионообменную мембрану. Комплексный ион CaY2-
можно регенерировать в ЭДТА.
Электродиализом с ионообменными мембранами были разделены
смеси сульфатов кальция и бария с коэффициентом разделения 58,8; карбонатов
кальция и магния с коэффициентом разделения 18,1 при электрохимическом
растворении их суспензий в секции обессоливания электродиализатора путем отвода
ионов из насыщенного раствора малорастворимого электролита через мембраны с
различными скоростями [11].
Для разделения ионов по величине знака заряда были созданы
новые типы модификаций поверхности ионообменных мембран. Для удаления красящих
веществ из полупродуктов сахарного производства были применены покрытия
ионообменных мембран стеклотканью или хлопчатобумажной тканью, которые более
чем в два раза увеличивали степень обесцвечивания трехпроцентного раствора
патоки. Осадок легко удалялся после переполюсовки электродиализатора.
Были разработаны также методы модифицирования ионообменных
мембран электроосаждением дисперсных ионообменников. При электроосаждении на
катионообменную мембрану дисперсного анионообменника или на анионообменную
мембрану катионообменника полученные гетерополярные контакты, в отличие от
биполярных мембран, имели большие числа переноса противоионов и в то же время
генерировали потоки водородных и гидроксильных ионов для предотвращения
осадкообразования. Проведенные с растворами солей магния эксперименты,
показали, что можно предотвратить осадкообразование на анионообменной мембране
в растворе секции концентрирования. Гетерогенная катионообменная мембрана МК-40,
модифицирова
Дипломная (ВКР). Экология.
Курсовая работа по теме Изучение современной пенсионной системы РК
Зорлық Зомбылықсыз Әлемді Қалай Құруға Болады Эссе
Контрольная Работа По Теме Движения Ответы
Курсовая работа: Инновационная инфраструктура и ее развитие
Доклад: Гносеологические корни логистики
Реферат: Развитие проблематики человека в философской культуре
Реферат Безопасность На Воде
Создание И Редактирование Графических Объектов Реферат
Реферат: Общее недарозвитие речи
Представительство И Доверенность В Гражданском Праве Курсовая
Сочинение На Английском Про Есенина
Реферат: Военно-психологические вопросы в сочинениях Джона Б. Уотсона - как основоположника бихевиоризма. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Ціннісна природа культуротворення
Екатерина Ii Реферат
Сочинение 2022 2022
Курсовая работа: Расчёт ленточного транспортёра
Реферат На Тему Великие Ученые
Курсовая работа по теме Цена и структура капитала предприятия и факторы, на них влияющие
Практическая Работа Расчет Заработной Платы
Реферат: Типы экономических кризисов: "Длинные волны Кондратьева". Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Расчет ударного тока короткого замыкания
3.4.1 Площадь для размещения
Реферат: , курсовая, дипломная работа в объеме и на условиях, установленных настоящим Договором