ПРИНЦИП ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА И ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ ВОДЫ

Электродиализ с чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами - красивый симметричный процесс, в котором потоки массы устремляются из четных секций в нечетные. На рис. 3 показан принцип работы многосекционного электродиализатора на примере семисекционного аппарата. В промышленных электродиализных установках применяют одновременно сотни и даже тысячи мембран в одном аппарате для сокращения габаритов и экономии благородных металлов для изготовления анода.

Рассмотрим принцип функционирования электродиализатора. Из каждой четной секции, например из секции 4 (рис. 2), из поступающего в нее раствора хлорида натрия, катионы мигрируют по направлению к катоду через проницаемую для них катионообменную мембрану, разделяющую секции 4 и 5, откуда их дальнейшая электромиграция ограничена малопроницаемой анионообменной мембраной, разделяющей секции 5 и 6. Навстречу им из раствора секции 6 хлоридные ионы мигрируют по направлению к аноду через проницаемую для них анионообменную мембрану, разделяющую секции 5 и 6. Их дальнейшая электромиграция ограничена малопроницаемой для анионов катионообменной мембраной, разделяющей секции 4 и 5. В результате катионы натрия и хлоридные анионы накапливаются в растворе секции 5, которая, как и другие нечетные секции, выполняет функции концентрирования. Миграция ионов из четных секций в нечетные приводит к уменьшению в них концентраций электролитов, и их называют секциями обессоливания.

Упрощенные представления о принципе электродиализа требуют существенного дополнения. Протекание тока через любую однородную систему не приводит к концентрационным изменениям, так как постоянный ток является стационарным, а это означает, что в любой объем одной из фаз столько входит ионов или молекул вещества, сколько и выходит. На первый взгляд возникает парадоксальная ситуация, однако она становится вполне разрешимой, если привлечь для интерпретации процесса явление концентрационной поляризации. Роль постоянного тока при электродиализе состоит в том, что его прохождение через межфазные границы приводит к появлению диффузионных потоков электролита. В этом случае задача состоит в поиске такого расположения катионоселективных и анионоселективных мембран, при котором в одних секциях проходило бы только обессоливание, а в других - только концентрирование электролита. Именно эту задачу решает принцип чередования анионообменных и катионообменных мембран при многосекционном электродиализе.

Построение математической модели электродиализа решает многие проблемы анализа закономерностей процесса, расчета его оптимальных параметров, проектирования установок, обучения специалистов и рабочего персонала, позволяет осуществлять компьютерное управление процессом. Наиболее информативным является применение при математическом моделировании полевой концепции. Математические модели, позволяющие рассчитывать плоские концентрационные поля растворов в секциях (распределения концентраций по координате протекания постоянного электрического тока x и ортогональной к ней координате подачи раствора y), дают возможность понять механизмы протекающих процессов и рассчитать его параметры на основе численного или аналитического решения краевых задач, состоящих из уравнения стационарной конвективной диффузии и граничных условий, выражающих параметры процесса [3, 5, 7]. Графический вид решения показан на рис. 3. Левая секция выполняет функцию обессоливания. Исходный раствор подается снизу вверх, и профили в начале канала иллюстрируют образование градиентов концентраций в диффузионных пограничных слоях. При протекании раствора происходит смыкание диффузионных пограничных слоев, а вблизи выхода - их полное перекрывание, свидетельствующее о выборе параметров процесса (плотность тока, величина межмембранного расстояния, скорость подачи раствора), позволяющих проводить эффективный процесс. Концентрационные профили растворов электролита в смежной секции концентрирования показывают увеличение концентрации в примембранных слоях и могут быть получены при вращении профилей растворов электролитов секции обессоливания вокруг оси симметрии второго порядка (на 180˚). Модель позволяет проводить вычислительные эксперименты с несуществующими виртуальными мембранами и делать выводы о целесообразности синтеза мембран с новыми свойствами. Справедливость полученного решения подтверждена нами методом лазерной интерферометрии [7]. Этот метод не только позволяет визуализировать концентрационные поля, но и проводить экспериментальное моделирование электродиализа в тех случаях, когда математическое моделирование не может дать результат.

Большинство современных электродиализаторов различается более всего типом прокладок, разделяющих мембраны от слипания и предотвращающих их прогорание. Кроме того, применение прокладок приводит к прерыванию диффузионных пограничных слоев и интенсифицирует процесс деминерализации природных вод. Эксперты многих стран, учитывая рост народонаселения к 2000 году до 6 млрд. человек, оценивают опреснение воды не только как научную и техническую, но и как социальную, экономическую и политическую проблемы большой важности. Важной задачей, решаемой методом электродиализа, является получение из пресной воды ультрачистой для нужд микроэлектроники. Для этого секции обессоливания заполняются смешанным слоем гранулированных ионообменников, что позволяет получить воду с удельным электросопротивлением более 20 МОм " см [2, 5, 6].