CC BY
28
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
1967
Том 167
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ИЗ РАСТВОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРА
А. П. ВЕРГУН, И. А. ТИХОМИРОВ, В. Т. ДОРОНИН
(Представлена научным семинаром физико-технического факультета)
При проведении некоторых электрохимических процессов широкое распространение начинают приобретать ионнообменные мембраны. Они представляют собой иониты в форме листов или пластин. Ионообменные мембраны, благодаря наличию в структуре электрически заряженных групп, обладают электрохимической активностью. Это свойство мембран состоит в том, что, не оказывая большого сопротивления электрическому току, они существенно изменяют числа переноса ионов. Так, катиони-товая мембрана проницаема преимущественно для катионов, а анионн-товая для анионов.
Указанное свойство иопитовых мембран позволяет успешно использовать их для опреснения воды [1], для очистки сбросных вод [2], для удаления избыточной кислотности или щелочности из различных растворов [3], для разделения близких по свойствам элементов [4] и т. д.
В настоящей работе описывается процесс извлечения катионов К+ из растворов, имитирующих сбросные воды, методом электродиализа с ионитовыми мембранами. Предварительно изучалось электропроводность ионитовых мембран в растворах указанного типа. Состав раствора следующим: 6-10 4 г/л Ыа ,4 - 10" 1 г/л К '-
Для определения удельной электропроводности мембран мы использовали 2 метода:
1. Определение удельной электропроводности по разности электросопротивлений ячейки с электролитом, разделенной мембраной, и ячейки без мембраны.
2. Непосредственное определение электросопротивления влажных набухших образцов мембран.
Измерения проводились с помощью моста переменного тока, представленного на рис. 1. Цифрами 1, 2, 3, 4 на рисунке обозначены соответственно: измерительная ячейка, осциллограф, магазин сопротивлений и магазин емкостей. В качестве нуль-прибора использовался электронный осциллограф ЭО-7. Подбором величины сопротивления и емкости С добивались минимального значения амплитуды синусоиды на экране осциллографа.
В качестве измерительной ячейки при определении электропроводности мембран по первому методу использовалась ячейка проточного типа с электродами из платинированной платины. При измерениях по второму методу полоска мембраны с помощью пружины зажималась между электродами из платины и замерялось ее электросопротивление. Причем вначале измерялось сопротивление одной мембраны. Затем оце-80
нивалось электросопротивление 2 одинаковых образцов мембран одного и того же типа. Электросопротивление мембраны находилось как разность сопротивлений двойной и одинарной мембран. Если сопротивление одинарной мембраны зависит от частоты переменного тока измерительной схемы (уменьшается с увеличением частоты), то электросопротивление, найденное как разность
сопротивлении двойной и одинарной мембран, не зависит от частоты переменного тока измерительной схемы [5].
Зная сопротивление образца мембраны /?, полученное на измерительной 1схеме, удельную электропроводность можно определить по формуле:
5Г Ю
fi-
0-
зну
AA/VV
I
где
5 — площадь мембраны, / — толщина мембраны. Результаты измерений электропроводности б табл. 1.
Электропроводность мембран
Рис. 1. Измерительная схема для определения электропроводности мембран
меморан приведены Таблица 1
Тип мембганы МК-40 МА-40 Окисленная ткань Целлофан
х -103 ом~ 1см~х 4,27 4,86 50 2,86
Из таблицы видно, что наибольшей электропроводностью обладает мембрана из окисленной ткани. Такого типа катионитовая мембрана получается нами путем окисления целлюлозных материалов окислами азота. Однако указанная мембрана неудовлетворительно стоит в щелочной среде. С точки зрения химической устойчивости при длительной работе, высокой селективности в качестве мембраны для электродиализатора была выбрана катионитовая мембрана типа МК-40 (указанная мембрана изготовляется в НИИ пластмасс на основе катионита КУ-2).
В отличие от обычных электродиализных установок фильтр-прессно-го типа, представляющих собой пакет из чередующихся между собой ионитовых листовых мембран и прокладочного материала, нами был сконструирован и выполнен трубчатый электродиализатор с ионообменными мембранами. Конструкция электродиализатора приведена па рис. 2.
Корпусом электродиализатора 1 служит труба диаметром 80 мм и длиною 300 мм из нержавеющей стали. Корпус электродиализатора выполняет также роль внешнего катода. Внутри корпуса равномерно размещены 4 анодные камеры 2, выполненные нами в виде трубок диаметром 20 мм из листовых катионитовых мембран типа МК-40. В центре каждой трубки находится анод 3 в виде металлического стержня. Катодная камера образуется между мембранными трубками и корпусом электродиализатора. Для более равномерного распределения электрического поля по электродиализатору в центре аппарата помещался второй, внутренний катод 4. Внутренний катод находился под тем же потенциалом, что и внешний.
0. Заказ 6050.
81
3
Из четырех анодных камер содержащиеся в исходном растворе (диализате) ионы натрия и калия под действием электрического поля переходили в катодную камеру, где и осуществлялось их концентрирование. В качестве рассола в катодную камеру электродиализатора подавались в наших опытах как дистиллированная вода, так и исходный раствор. Путем изменения расхода, а также циркуляцией диализата и рассола соответственно через анодные и катодную камеры можно регулировать степень извлечения ионов.
В процессе проведения экспериментов на трубчатом электродиализаторе через определенные промежутки времени из анолита и католита брались пробы, которые подвергались анализу на спектрофотометре, сконструированном на основе монохромато-ра УМ-2. Ошибка единичных измерений составляла при этом около 10%. Результаты анализа представлены в табл. 2. Через 1,5 часа работы электродиализатора средняя степень извлечения ионов составила 84%. Условия опыта следующие: расход раствора — 2,4 л/час. Расход воды в катодной камере— 0,6 л!час. Величина тока в электродиализаторе поддерживалась равной 75 ма. Расход электроэнергии на 1 л обессоленного до указанной степени раствора составил 0,74 ватт • час/л. При использовании в качестве рассола исходного раствора расход электроэнергии несколько повышается и составляет 0,9 ватт'час/л.
С учетом специфики конструкции трубчатого электродиализатора коэффициент использования мембранной площади составляет в нем около 90%. В аппаратах же фильтр-прессного типа он не превышает 70% [1].
Кроме указанного применения, трубчатый электродиализатор может быть использован также для решения других задач, например, для извлечения ионов железа из травильных стоков, получения кислот, ос-
Рис. 2. Схема трубчатого электродиализатора
новации и т. д.
Таблица 2
Изменение концентрации ионов К+ , в анодных камерах в зависимости
от времени электродиализа
Время электродиализа, мин. 10 30 50 70 90
Концентрация 0,19 0,11 0,06 0,05 0,05
К+, г/л
Концентрация 0,40 0,24 0,15 0,13 0,11
Ыа+, z¡л
Трубчатые мембраны могут товой мембраны. В этом случае применяться также для удаления
быть изготовлены на основе аниони-трубчатый электродиализатор может избыточной кислотности из растворов.
Выводы
1. Разработана конструкция трубчатого злектродиализатора с иони-товыми мембранами.
2. На трубчатом электродиализаторе расход электроэнергии при извлечении ионов Иа 1 и К1 из раствора составил 0,74 вт-час/л (степень извлечения 84%)-
3. Полезная площадь мембран в электродиализаторе составляет около 90%, в то время как в аппаратах фильтр-прессного типа она не превышает 70%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Д. Р. У и л с о н. Деминерализация методом электродиализа. М., Госатомиз-дат, 1963.
2. А. С. Шубин, В. М. Новаковский, Л. М. Смирнова. Сб. Ионообменные сорбенты в промышленности. М., Изд. АН СССР, 1963.
3. Б. И. Ласкорин и др. Ионообменные мембраны и их применение. М., Гос-атомиздат, 1961.
4. Е. А. Мей сон, Е. Д. Парен. Доклады на Женевской конференции по использованию атомной энергии в мирных целях. Т. 1, Атомиздат, с. 457—460, 1959.
5. Н. И. Исаев, В. А. Ш а п о ш н и к. Заводская лаборатория, XXXI, 10, 1965,
б*.
