УДК 542.87:621.359.7

 

І.М. Трус, аспірант

І.М. Макаренко, канд. техн. наук

Т.О. Шаблій, д-р техн. наук

НТУУ «КПІ», м. Київ, Україна

Опріснення шахтних вод з високою жорсткістю
при використанні електродіалізу

И.Н. Трус, аспирант

И.Н. Макаренко, канд. техн. наук

Т.А. Шаблий, д-р техн. наук

НТУУ «КПИ», г. Киев, Украина

ОпрЕснение шахтных вод с высокой жесткостью
при использовании электродиализа

Inna Trus, PhD student

Іryna Маkаrеnkо, PhD in Technical Sciences

Tetiana Shabliy, Doctor of Technical Sciences

NTUU «KPI», Kyiv, Ukraine

DESALINATION OF MINE WATER WITH HIGH HARDNESS WHILE USING ELECTRODIALYSIS

Визначено вплив умов електролізу на ефективність знесолення та пом’якшення води. Вивчено вплив додавання магнезиту в робочий розчин на ефективність пом’якшення води у процесі електролізу і встановлено, що 54 % надлишок магнезиту від стехіометричної кількості сприяє підвищенню ступеню знесолення води. Проведені дослідження показали, що в діапазоні концентрацій лугу в католіті від 150 до 1000 мг-екв/дм³ ефективність пом’якшення води та вилучення із неї сульфатів і хлоридів практично не змінюється.

Ключові слова: електродіаліз, мінералізація, анод, катод, концентрат, мембрана, опріснення води.

Определено влияние условий электролиза на эффективность обессоливания и умягчения воды. Изучено влияние добавления магнезита в рабочий раствор на эффективность смягчения воды в процессе электролиза и установлено, что 54 % избыток магнезита от стехиометрического количества способствует повышению степени обессоливания воды. Проведенные исследования показали, что в диапазоне концентраций щелочи в католите от 150 до 1000 мг-экв/дм³ эффективность умягчения воды и удаления из нее сульфатов и хлоридов практически не меняется.

Ключевые слова: электродиализ, минерализация, анод, катод, концентрат, мембрана, опреснение воды.

In this work the influence of electrolysis conditions on the efficiency of desalination and water softener is studied. Studied the effect of the magnesite addition in the working solution on the efficiency of the water softening process during electrolysis and found that 54% excess of magnesite from stoichiometry amounts improves the degree of water desalting. Studies have shown that the range of alkali concentrations in catholyte from 150 to 1000 mg-ekv/dm³, efficiency of water softening and removal of sulfates and chlorides practically does not change.

Key words: electrodialysis, mineralization, anode, cathode, concentrate, membrane, desalination.

Вступ. На сьогодні при демінералізації шахтних вод поряд з реагентними методами, які рекомендується застосовувати при вилученні з води сульфатів [1; 2], баромембранними та іонообмінними процесами [3; 4] широко використовуються методи електродіалізу [5–8]. Здебільшого процеси електродіалізу проводять у розчинах, які очищені від іонів жорсткості, або концентрація яких у цих розчинах невисока [9; 10]. За наявності у воді іонів жорсткості у високих концентраціях застосовують електролізери з двома аніонними мембранами [11].

Метою цієї роботи було вивчення процесів електролізу шахтних вод з високою жорсткістю у трикамерному електролізері з двома аніонними мембранами, визначення впливу умов електролізу на ефективність пом’якшення та знесолення води.

Методика експерименту. Як водне середовище, яке знесолювали електродіалізом, використовували стічні води із шахт «Кремінна» ([Cl^-] = 653,2 мг/дм³, [SO₄^2-] = 1000,0 мг/дм³, Ж = 36,5 мг-екв/дм³, [Са²⁺] = 20,5 мг-екв/дм³, Л = 7,2 мг-екв/дм³, рН = 8,94) та «Інгульська» ([Cl^-] = 331 мг/дм³, [SO₄^2-] = 775 мг/дм³, Ж = 18 мг-екв/дм³, [Са²⁺] = 11,2 мг-екв/дм³, Л = 4,5 мг-екв/дм³, рН = 8,0).

За аналогією з роботою [7] в цій роботі для запобігання міграції іонів жорсткості в катодну область зі сторони катода розмістили аніонну мембрану МА-41. Зі сторони анода також розмістили аніонну мембрану МА-41. У просторі між мембранами (V=0,2 дм³) розміщали робочий розчин. Анодну область заповнювали 0,05 Н розчином сірчаної кислоти, катодну – 0,150, 0,283 та 1,000 Н розчинами лугу. Катод – пластина з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т. Анод – титанова пластина, покрита оксидом рутенію. Площа електродів S_К = S_А = 0,20 дм³. Електроліз проводили при силі струму 0,1–0,2 А при напрузі 15–30 В.

При проведенні електролізу через однакові проміжки часу контролювали лужність у катодній та робочій зоні, вміст хлоридів, сульфатів, кальцію, жорсткість у робочій зоні, концентрацію хлоридів та сульфатів в анодній області. Робочий розчин перед аналізом очищали від осаду фільтруванням на паперовому фільтрі «синя стрічка».

Вихід за струмом розраховували як відношення реальної кількості видалених з розчину хлоридів та сульфатів до теоретично розрахованої за законом Фарадея [6].

Результати досліджень та їх обговорення. Для ефективного пом’якшення шахтних вод у робочі розчини додавали різні кількості магнезиту. Ця речовина дозволяє ефективно переводити в нерозчинний стан іони кальцію.

Загалом хімізм процесів, що реалізується в цьому електролізері, можна описати реакціями. У катодній області відбувається утворення водню із підлужненням середовища:

2 Н₂О + 2 е^- → Н₂ + 2 ОН^-. (1)

Надлишок негативно заряджених аніонів у катодній області знижується за рахунок міграції гідроксид аніонів у робочу зону (середню камеру електролізера), де відбувається пом’якшення води:

MgX₂ + 2 OH^- → Mg(OН)₂↓ + 2 X^-, (2)

де X^- – однозарядний аніон;

Ca(HCO₃)₂ + 2 OH^- → CaCO₃↓ + 2 Н₂О + CO₃^2-; (3)

CaX₂ + CO₃^2- → CaCO₃↓+ 2 X^-; (4)

CaX₂ + 2 OH^- → Ca(OН)₂+ 2 X^-; (5)

Ca(OH)₂ + 2 MgCO₃ → CaCO₃↓+ Mg(OН)₂↓. (6)

В анодній області відбувається накопичення сульфатів та хлоридів, які проходять через аніонну мембрану з робочого розчину. При цьому при електролізі води виділяється кисень та утворюються протони, що в цілому призводить до накопичення кислоти в анодній області:

2 Н₂О + 4 е^- → О₂ + 4 Н⁺. (7)

Головним чином утворюється суміш сірчаної та соляної кислот. Вміст соляної кислоти незначний, тому що більша частина хлоридів виділяється у вигляді активного хлору:

2 Cl^- + 2 e^- → Cl₂ . (8)

Про перебіг цих процесів можна судити за результатами, наведеними на рис. 1–4.

Як видно з рис. 1, за час електролізу концентрація сульфатів у стічній воді шахти «Кремінна» знижується до 350–380 мг/дм³, хлоридів до 125–135 мг/дм³. При цьому ефективність очищення води від хлоридів та сульфатів практично не залежить від концентрації лугу в анодній області. В такому випадку концентрації лугу в катодній області змінювали від 150 до 1000 мг-екв/дм³. У роботі [11] було чітко показано, що підвищення лужності католіту з 10 до 100 мг-екв/дм³ суттєво сприяє підвищенню ефективності демінералізації води в подібному електролізері.

 

 

Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012