Очистка веществ электролизом
Обессоливание воды
В технике значительное место занимают процессы обессоливания воды. Электролизом возможно осуществить как полное обессоливание воды, т. е. получение продукта по содержанию солей близкого к дистилляту, так и частичное—превращение соленой воды в обычную питьевую воду и воду, пригодную для технических целей.
Существует несколько методов обессоливания воды. Наиболее перспективный метод — электрохимический, который по своим технико-экономическим показателям превосходит дистилляцию и ионообменную очистку.
Принцип электрохимического обессоливания воды заключается в следующем. Если в среднее отделение ванны, разделенной диафрагмами на три отделения (рис. 2), залить воду, содержащую растворенные соли, например, хлорид натрия, в крайние отделения, залитые чистой водой, поместить электроды и вести электролиз, то анионы током будут переноситься в анодное пространство. На аноде будет выделяться кислород и хлор и образовываться кислота (пропорционально количеству выделившегося кислорода).
Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде будет выделяться водород и образовываться щелочь. По мере прохождения тока концентрация солей в среднем пространстве снизится и, наконец, станет близкой к нулю, т. е. произойдет обессоливание воды в среднем пространстве. Однако таким способом нельзя достичь хорошего результата, так как обычные диафрагмы не являются униполярными проводниками электричества. Поэтому, по мере увеличения щелочности и кислотности в камерах с электродами, в процессе переноса тока начнут все в большей степени принимать участие Н+ и ОН—. В среднем пространстве они образуют воду. Этот процесс не будет загрязнять среднее пространство ионами, но приведет к замедлению переноса ионов соли к соответствующим электродам, т. е. к замедлению процесса обессоливания раствора в среднем пространстве электролизера.
Рис. 2. Схема обессоливания в трехкамерной ванне с электрохимически неактивными диафрагмами:
1 — анод; 2—катод; 3 — анодная диафрагма; 4 — катодная диафрагма.
Предположим, что обратное поступление ионов в среднее пространство благодаря диффузии и движению ионов под влиянием тока не происходит. Тогда 1 F прошедшего электричества удалит из среднего пространства 1 г-экв электролита. Таким образом, удаление электролита из среднего пространства будет происходить со 100%-ным использованием тока. В практических условиях часть тока будет расходоваться на перенос ионов из крайних пространств в среднее, а также на вывод из среднего пространства. ионов, попавших в него в результате диффузии через диафрагмы. Поэтому полезное использование тока будет значительно меньшим.
Выход по току при очистке воды — отношение реально удаленного из среднего пространства количества электролита к тому количеству, которое должно быть удалено при полном использовании тока, В трехкамерных аппаратах обычно выход по току не превышает 20%. А так как из-за малой электропроводности раствора к электродам приходится прикладывать большую разность потенциалов, то удельный расход электроэнергии оказывается весьма значительным.
Для снижения себестоимости процесса следует использовать образующуюся на катоде щелочь для предварительного осаждения из очищаемой воды гидроокисей труднорастворимых металлов. Таким образом, на очистку воды, поступающей в электролизер после осаждения гидроокисей, затрачивается меньше электроэнергии, так как она содержит меньше ионов-примесей.
Ванна цилиндрическая, железная с железным дном и эбонитовой крышкой. Она имеет высоту 1000 мм и диаметр 220 мм. Внутри ее расположен железный цилиндр диаметром 76 мм с отверстиями. Вокруг внутреннего цилиндра на эбонитовых распорных кольцах концентрически расположены две асбестовые диафрагмы. Между асбестовыми диафрагмами помещены десять цилиндрических керамиковых диафрагм диаметром 20 мм, в каждой из них находится анод из платиновой проволоки, укрепленный в крышке. Катодами служат железный кожух ванны и внутренний железный цилиндр.
Ванна, следовательно, разделена на три кольцевых пространства. Внешнее и внутреннее—катодные, среднее — междиафрагменное и анодное — внутри керамических диафрагм. Исходную воду подают снизу через штуцер 7 в среднее пространство. Очищенная вода выходит сверху через переливную трубу 8. Около 10% от входящей в ванну воды проходит через поры асбестовых диафрагм (благодаря более высокому уровню воды в среднем пространстве по сравнению с катодным пространством) в катодные пространствам удаляется через штуцеры 3 и 10 (катодная вода). Внутри цилиндра 1 катодная вода поступает через отверстия 2. Таким образом катодное пространство непрерывно промывается водой, вследствие чего концентрация ионов в нем невелика. Анодное пространство периодически освобождают от электролита (анодной воды) через штуцер 10 и через него же наполняют его свежей водой.
Производительность двух последовательно соединенных ванн при снижении содержания солей в воде от 250 до 5 мг/л составляет 200 л/ч. Нагрузка на ванну 25—35 а при напряжении от 120 до 220 в. Расход энергии около 30 кет •ч на 1 м3 воды.
Значительное усовершенствование способа электрохимической очистки воды достигнуто в последнее время в результате применения электрохимически активных (ионообменных) диафрагм. Эти диафрагмы способны пропускать ионы только одного знака. Вследствие этого резко повышается эффективность процесса обессоливания и снижается расход электроэнергии. В ванне устанавливают две диафрагмы, одну анионопроницаемую и другую катионопроницаемую. Диафрагма имеет положительный заряд и, следовательно, оказывается непроницаемой для катионов, которые под влиянием поля движутся из анодного пространства к катодному. Равным образом анионы из катодного пространства не могут проникнуть через диафрагму в среднее пространство. Таким образом, ток через ванну переносится только за счет ухода ионов из среднего пространства в крайние. Следовательно, выход по току оказывается равным единице. На практике полной селективности диафрагмы добиться невозможно, некоторое количество ионов противоположного знака все же проходит через нее и выход по току оказывается ниже единицы. Хорошие ионообменные диафрагмы позволяют вести процесс очистки воды с выходом по току ~85%.
Обычно ванны для очистки воды делают многокамерными фильтрпрессного типа с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми диафрагмами. Электроды помещают в крайних камерах. При таком расположении диафрагм рассольные камеры и камеры обессоливаемой воды располагают последовательно друг за другом.
Селективнодействующие диафрагмы приготовляют в виде пластин из катионо- или анионообменной смолы со связующим материалом. Расход электроэнергии в ваннах с такими диафрагмами при очистке воды от 250 мг/л до остаточного содержания солей 5 мг/л составляет около 7 квт • ч на 1 м3 воды, т. е. примерно в 4 аза ниже, чем в ваннах с обычными диафрагмами. Естественно, что с увеличением содержания солей в воде удельный расход электроэнергии возрастает.
Очистка веществ от электролитов
Довольно часто приходится отделять твердые продукты, взвешенные в растворе, от электролитов. Если в среднее отделение сосуда, разделенного на три части диафрагмами, проницаемыми для ионов, но непроницаемыми для более крупных частиц, залить суспензию какого-нибудь вещества, а в крайние отделения—чистую воду, то благодаря диффузии электролиты будут переходить из среднего пространства в крайние. Меняя время от времени воду, в крайних отделениях аппарата можно добиться достаточно полного удаления электролитов из среднего пространства. Однако этот процесс, называемый диализом, протекает очень медленно. Для ускорения процесса в крайние отделения помещают электроды и через них пропускают постоянный ток.
При этом процесс удаления электролитов из среднего пространства резко возрастает, так как на диффузию накладывается перенос ионов током из среднего пространства в крайние. Этот процесс называется электродиализом, а аппараты, в которых он совершается, — электродиализаторами. В принципе электродиализ сходен с процессом обессоливания воды электролизом, а схема простейшего электродиализатора аналогична представленной на рис. 200. Очищаемое от электролитов вещество, взвешенное в воде, помещают в среднее пространство. Процесс обычно ведут при градиентах потенциала 150—250 в/см, а общее напряжение на электродах электродиализатора достигает порядка 2000 в. Необходимость больших градиентов потенциалов объясняется малой электропроводностью растворов, особенно в конце очистки.
Электродиализ в трехкамерном аппарате требует значительного расхода воды на промывание крайних отделений электролизера. В противном случае в крайних отделениях накапливается щелочь (у катода) и кислота (у анода). В результате этого в процессе переноса тока начинают все большее участие принимать ионы Н+ и ОН—и поэтому процесс очистки замедляется или даже останавливается.
В. А. Каргин, Р. П. Ластовский и Т. А. Матвеева усовершенствовали процесс электродиализа, создав пятикамерный электродиализатор с боковыми электродными камерами.
Пятикамерный диализатор отличается от трехкамерного наличием двух небольших вспомогательных камер. Эти камеры соединены с основными камерами сравнительно узкими каналами, имеющими хорошо проницаемые диафрагмы.
К электродам боковых и вспомогательных малых камер прикладывается дополнительная разность потенциалов и в малые камеры переносятся из боковых все удаляемые примеси. Таким образом, предотвращается процесс обратной диффузии. Узкий канал играет роль электрической ловушки для ионов, поскольку в нем велик градиент потенциала, а конвективное перемешивание растворов предотвращается диафрагмами (в каналах). Воду меняют только в малых камерах, благодаря чему резко уменьшается ее расход. В малых камерах таких аппаратов могут быть сконцентрированы ценные примеси, содержащиеся а растворе в виде ионов. Напряжение между основными электродами составляет 1500—1800 в, а напряжение между основными и вспомогательным электродами — 300 в, причем вспомогательный катод относительно основного анода положителен. В этом аппарате полная очистка вещества от электролита достигается за 4—5 ч. В качестве диафрагм в аппаратах может быть применена вискозная пленка, нанесенная на марлю, а также ионообменные материалы. Катоды изготовляют из нержавеющей стали или графитовые, аноды — из платиновой сетки.
Статья на тему Очистка веществ