CC BY
27
УДК 66.012-52;621.01.001
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННОГО АППАРАТА ТРУБЧАТОГО ТИПА © С.И. Лазарев, А.А. Арзамасцев, Ю.А. Тепляков
Lazarev S.I., Arzaniastsev A.A., Teplyakov Y.A. Designing an electric jib membrane device of tubular type. The article discusses the design of such a device and describes the principle of its work and multipurpose application.
Общим существенным недостатком конструкции мембранных аппаратов с трубчатыми элементами является отсутствие возможности наложения на систему мембрана - раствор физических полей различной природы, например, электрического постоянного поля [1, 2]. В результате этого невозможно отделение неэлектролита от электролита, выделение веществ из промышленных и сточных вод, дифференцированное выделение ионов и получение особо чистых веществ. Так, в процессах, работающих под давлением в многокомпонентных системах, ионы проходят через мембрану практически в эквимолекулярных соотношениях, что затрудняет их дифференцированное выделение. К сожалению, приведенные проблемы невозможно решить на производственном уровне из-за отсутствия электро-баромембранных аппаратов промышленного типа [3].
Для решения этих проблем разработан многокамерный электробаромембранный аппарат трубчатого типа, схематично представленный на рисунках 1-3. Электробаромембранный аппарат с трубчатыми фильтрующими элементами состоит из следующих деталей и узлов (рис. 1): цилиндрического корпуса 1, выполненного из диэлектрического материала, с расположенными на его внешней поверхности штуцером 2 для ввода разделяемой жидкости, устройством 3 для подвода электрического напряжения и выполненных на внутренней поверхности корпуса продольных каналов 4; микропористой подложки 5, служащей одновременно электродом (анодом); прианодной мембраны 6; решеток 7; концентрических трубчатых элеме!ГТОв 8 с
7
Рис. 1. Схема электробаромембранного аппарата с грубчаты-ми элементами
переточными каналами 9 (рис. 2), выполненных в виде щелей и повернутых друг относительно друга на 180°; последовательно соединенных камер разделения 10, образованных концентрическими фильтрующими элементами 8; ценгральной трубы 11, выполненной из диэлектрического материала, с отверстием 12 и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком 13, служащим для вывода продуктов разделения; внешней поверхности микропористой подложки 14, служащей электродом (катодом); прикатодной мембраны 15; торцевых крышек 16, имеющих штуцера 17 и 18 для кислого и щелочного пермеата, соответственно.
Трубчатый элемент 8 (рис. 3), выполненный из диэлектрического материала, с продольными каналами 4, с подложкой, изготовленной из микропористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, ЛНПИТ, Н-МП, ЛПН-ПМ (4) с пористостью 20-45 %, служащей одновременно биполярным электродом (внешняя сторона является катодом 14, а внутренняя - анодом 5). На внешней и внутренней поверхностях микропористого электрода (рис. 3) расположены, соответственно, при-катодная 15 и прианодная 6 мембраны.
При этом, в электробаромембранном аппарате могут использоваться как полимерные мембраны (апетат-целлюлозные, этилцеллюлозные, полисульфоноамид-ные и т. п.), так и динамические мембраны, получаемые фильтрованием раствора, содержащего специальные диспергированные вещества, через микропористую подложку.
А-А
Рис. 2. Сечение электробаромембранного аппарата с трубчатыми элементами
Рис. 3. Трубчатый элемент электробаромембранного аппарата
Мембранный аппарат работает следующим образом. Разделяемая жидкость под давлением, превышающим осмотическое, через патрубок 2 (рис. 1) поступает в ближайшую к корпусу 1 камеру разделения 10. После заполнения аппарата жидкостью, на клеммы 3 подается постоянное электрическое напряжение, вызывающее определенную плотность тока в растворе.
Под действием электрического поля анионы транспортируются через прианодную мембрану 6 к аноду 5, расположенному в корпусе 1. Катионы транспортируются через прикатодную мембрану к поверхности ближайшего микропористого биполярного электрода (рис. 3), который по отношению к аноду является катодом. В результате электрохимических реакций в прикатодном и прианодном пространствах образуются, соответственно, щелочь и кислота, а также выделяются различные газы. Эти продукты (щелочь, кислота, газы) вымываются пермеатом, продавливаемым под действием перепада давления через мембраны. Далее пермеат перемещается по соответствующим продольным каналам 4 и выводится из аппарата через патрубки 17 и 18. Разделяемая жидкость через переточный канал 9 в микропористом биполярном электроде 8 поступает в следующую камеру разделения 10, расположенную ближе к центру аппарата, где происходят процессы, аналогичные вышеописанным.
Таким образом, из раствора, последовательно протекающего по всем камерам аппарата в виде анионов и катионов, удаляются растворенные вещества. Обедненный раствор отводится через отверстие 12 в центральную трубу 11, а далее через патрубок 13 выводится из аппарата.
Электробаромембранный аппарат с трубчатыми элементами обладает универсальностью, то есть может использоваться для проведения и чисто баромембранных процессов - микрофильтрационных, ультрафильт-рационных и обратноосмотических процессов, а также процессов мембранного электролиза [5]. Например, при получении анилина из нитробензола в элекгро-
баромембранном аппарате, нитробензол восстанавливается до анилина в три стадии через нитрозобензол и фенилгидроксиламин.
C6H5N02+ 2е + 21-Г -» С(Л5ЫО+ Н20 QH5NO + 2е + 21-Г -» CJbHOH CoHsNHOH + 2е + 2ЬГ -> CoHjNPb + Н20
Кроме электрохимических восстановительных реакций получения анилина из ароматических соединений на катоде, можно в электробаромембранном аппарате трубчатого типа получить анилин из производных анилина (анилинсульфата, солянокислого анилина).
C6H5NH3HS04 -> C6H5NH3+ + HSO,f CbHjNHjCl -» C^HsNHs" + Cl-
Процесс получения органических веществ на катоде из их производных протекает следующим образом. Анионы анилина, транспортируясь через прикатодную мембран>’ электробаромембранного аппарата, достигая катода, где происходит электрохимическая реакция, превращаются в электронейтральные вещества и вместе с водородом под давлением отводятся с пермеатом из аппарата [6].
В заключение следует отметить, что электробаромембранный аппарат с трубчатыми элементами обладает следующими преимуществами:
1. Универсальностью, то есть возможностью применения как в электрохимических, так и в баромембранных процессах.
2. Имеет возможность применения в процессах выделения, концентрирования, получения и дифференцированного выделения ионов из природных и промышленных водных растворов не только на полимерных мембранах, а также и на динамических мембранах, получаемых фильтрованием растворов, содержащих специальные диспергированные вещества.
3. Позволяет увеличить период работоспособности мембраны за счет уменьшения отложений на поверхности мембраны вследствие изменения толщины пограничных слоев жидкости и улучшения его гидродинамических условий работы ввиду изменения потенциала мембраны.
ЛИТЕРАТУРА
I. Дытнерский ЮЛ. Баромембранные процессы. Теория и расчет.
М. . Химия, 1986. 272 с.
2 Хванг С.-Т.. Каммсрмейер К. Мембранные процессы разделения: Пер. с англ. / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия. 1981. 464 с.
3. Дытнерский Ю.И., Когаров Р.Г. Некоторые проблемы теории и практики использования баромембранных процессов // ЖВХО им. Д.И. Менделеева 1987. Т. 32. № 6. С. 669-673.
4. Листовые материалы, полученные методом прокатки порошков: Проспект. Выкса, 1990. ВМЗ.
5. Мазанко А.Ф., Камарьян ГМ., Ромашин О. П. Промышленный мембранный электролиз. М.: Химия, 1989. 240 с.
6. А с. 1614432 СССР, МКИ С 07 С211/46. 209/86 Способ выделения анилина из водного раствора / СИ. Лазарев, В.Б. Коробов, В И. Коновалов (СССР) - 4667678/ 23-04: Заявл. 30.01.89 - не публ.
Поступила в редакцию 18 декабря 2001 г.
