Если жидкость, богатая ионами, подвергается воздействию электрического поля с помощью двух электродов с постоянной разностью потенциалов между ними, катионы будут притягиваться к отрицательному электроду (катоду), а анионы — к положительному электроду (аноду). Если ничего не препятствует их движению, ионы будут разряжаться на соответствующих электродах противоположного заряда и, таким образом, будет происходить процесс электролиза.
С другой стороны, если между электродами поместить ряд селективных диализных мембран, собранных определенным образом, одни из которых отрицательные и проницаемые только для катионов, а другие положительные и проницаемые только для анионов и расположенные поочередно (как показано на рисунке ниже, то миграция ионов, описанная выше, будет ограничена, поскольку анионы не могут пройти сквозь отрицательные мембраны, а катионы не могут пройти положительные мембраны.
Ряд селективных диализных мембран
Таким образом, в камеры 1, 2, 3, 4 и 5 подается раствор хлористого натрия, ионы из камер 3 и 5 проходят в камеры 2 и 4 под действием электрического поля электродов. На этом пути вода в камерах 1, 3 и 5 освобождается от солей и становится деминерализованной, в то время как вода в камерах 2 и 4 становится концентрированной в соответствии с количеством солей, поступающих из других камер. На израсходованный 1 кулон электричества выделяется количество анионов и катионов (покидающих камеры деминерализации 1, 3, 5), равное их химическому эквиваленту. Именно на это количество вещества увеличивается содержание солей в камерах 2 и 4.
Поскольку разность потенциалов пропорциональна количеству ячеек, то потребление энергии на 1 кг удаленных солей является более или менее постоянным (т. е. 0,6—0,8 кВт*ч на 1 кг удаленных солей). Поэтому данный процесс пригоден для деминерализации воды. В то же время, неионизированные молекулы (в особенности органических веществ) и коллоиды остаются в обработанной воде. Основные причины, по которым область применения этого метода ограничена, заключаются в том, что:
- невозможно полностью деминерализовать воду, поскольку соответствующие камеры должны иметь слишком большое электрическое сопротивление, ведущее к омическим потерям (вообще говоря, неразумно пытаться снизить солесодержалие обработанной воды ниже 300 мг/л);
- стоимость обработанной воды возрастает с увеличением солесодержания исходной воды;
- с одной стороны, как мы уже видели, потребление энергии пропорционально количеству удаленных солей;
- с другой стороны, если мы хотим избежать потери селективности и обратной диффузии ионов за счет слишком большого химического градиента по обеим сторонам мембраны, то эффективность обессоливания должна быть ограничена. В зависимости от внутренних гидравлических условий в электродиализиых установках оптимальный уровень удаления солей, которого можно достигнуть, находится в пределах 40—66% для одной ступени (т. е. солепропускание находится в пределах 60—34%).
Именно по этим причинам большинство электродиализных установок имеет несколько ступеней, соединенных последовательно, посредством чего достигается желаемая степень снижения солесодержания на последующих ступенях.
Перед подачей сырой воды на электродиализную установку ее необходимо предварительно обработать, чтобы устранить мутность и снизить содержание железа до долей милиграмма на 1 л.
Все соли, которые могут осаждаться в камерах концентрирования, должны быть предварительно удалены. В расчет следует принимать явление поляризации, которое при электродиализе стремится не только вызвать избыточную концентрацию ионов, находящихся в обрабатываемой воде, но и изменить значение pH (благодаря местному концентрированию ионов ОН- или Н+), что может усилить тенденцию некоторых загрязнений к осаждению.
Основная область применения электродиализа — получение питьевой воды из солоноватых вод с низким содержанием солей (0,8—2 г/л); в данном случае этот метод сравним с обратным осмосом. Он также имеет преимущества при обессоливании коллоидных и органических растворов (например, с целью деминерализации сыворотки). В этих условиях использование обратного осмоса вызовет увеличение концентрации всех присутствующих в воде веществ и выдаст на выходе деминерализованную воду, в то время как электродиализ удаляет только ионизированные вещества.
Шкафы релейной защиты и автоматики серии ШЭРА здесь. Также доступны другие различные электротехнические товары.