Умягчение воды диализом

Диализ - метод разделения растворенных веществ, значительно отличающихся молекулярными массами. Он основан на разных скоростях диффузии этих веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Под действием градиента концентрации (по закону действующих масс) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении, снижая скорость переноса растворенных веществ. Диализ осуществляют в мембранных аппаратах с нитро - и ацетатцеллюлозными пленочными мембранами. Эффективность полупроницаемой мембраны для умягчения воды определяется высокими значениями селективности и водопроницаемости, которые она должна сохранять в течение продолжительного времени работы. Селективность мембраны можно выразить следующим образом:

(Ж_и - Ж_у) /Ж_и (20.11)

где Ж_в - концентрация исходного раствора (жесткость); Ж_{и -} жесткость умягченной воды.

На практике часто используют коэффициент снижения соле - содержания С_и/С_обр. Он наиболее полно отражает изменения в работе мембраны, связанные с ее изготовлением или с воздействием внешних факторов.

Существует несколько гипотетических моделей действия полупроницаемых мембран.

Гипотеза гиперфильтрации предполагает существование в полупроницаемой мембране пор, пропускающих при диализе ас - социанты молекул воды и гидратированные ионы солей. Основой теоретических разработок явилось положение о том, что через полупроницаемую мембрану вода и растворенные в ней соли проникают с помощью диффузии и потоков через поры.

Сорбционная модель проницаемости основана на предпосылке, согласно которой на поверхности мембраны и в ее порах адсорбируется слой связанной воды, обладающей пониженной растворяющей способностью. Мембраны будут полупроницаемы, если они, хотя бы в поверхностном слое имеют поры, не превышающие по размеру удвоенной толщины слоя связанной жидкости.

Диффузионная модель исходит из предположения, что компоненты системы растворяются в материале мембраны и диффундируют через нее. Селективность мембраны объясняется различием в коэффициентах диффузии и растворимости компонентов системы в ее материале.

Электростатическая теория заключается в следующем. При движении исходной воды в камере с одной стороны селективной (катионитовой) мембраны, а рассола с другой, ионы натрия в случае, когда рассол приготовлен из раствора поваренной соли, мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция в противоположном направлении, т.е. из жесткой воды в рассол. Таким образом, происходит удаление ионов кальция из исходной воды и замена их неосадкообразующими ионами натрия. Одновременно в камерах происходят побочные процессы, сопутствующие основному процессу диализа: осмотические переносы воды, перенос одноименных ионов, диффузия электролита. Эти процессы зависят от качества мембраны.

Уравнение обмена между ионами [Ca²⁺], содержащимися в исходной воде, и ионами [Na⁺] в мембране имеет вид

где х, х - прочие ионы, содержащиеся в растворе и в мембране.

Константа равновесия

Уравнение обмена написано только для иона кальция, но> фактически необходимо учитывать сумму ионов кальция и магния. Равновесие между рассолом и мембраной имеет вид:

Если k1+ k₂, то

где n - показатель степени, зависящий от того, какие ионы входят в состав раствора.

Из последнего выражения можно заключить, что, если равновесии отношение ионов натрия в рассоле и жесткой исходной воде равно, например, 10, то жесткость в исходной воде будет примерно в 100 раз меньше, чем в рассоле. Площадь, м², поверхности мембраны

где М - количество вещества, прошедшее через мембрану; ΔС_ср - движущая сила процесса, т е. разность концентраций вещества по обе стороны мембраны; К_д - коэффициент массопередачи, определяемый обычно экспериментально или приближенно из выражения

β₁ и β₂ - соответствующие коэффициенты скорости переноса вещества в концентрированном растворе к мембране и от нее в разбавленном; б - толщина мембраны; D - коэффициент диффузии растворенного вещества.

Жесткость умягченной воды после диализа:

где С_д и С_р - концентрации солей в начале аппарата соответственно в диализате и в рассоле, мг-экв/л; и Q_p - производительность аппарата соответственно по диализату и рассолу, м³/ч; Ж_д и Ж_р - жесткость диализата и рассола в начале аппарата, мг-экв/л; а - константа, определяемая свойствами мембран и растворов;; L - длина пути раствора в диализатной и рассольной камерах аппарата, м; υ_д - скорость движения диализата в камере, м/с.

Экспериментальная проверка уравнения (20.13) на катионитовых мембранах МКК показала хорошую сходимость результатов. Анализ формулы (20.13) показывает, что уменьшение скорости движения диализата в камерах аппарата увеличивает эффект умягчения, снижение жесткости умягченной воды прямо пропорционально концентрации рассола.