Введение к работе
Актуальность темы
Получение чистой воды определяет развитие прецизионных технологий, в том числе производства интегральных схем. В настоящее время эта проблема решается электромембранными методами и ионным обменом. Трудности создания эффективных электромембранных методов обес-соливания природных вод в первую очередь связаны с осадкообразованием на поверхности анионообменной мембраны в растворе секции концентрирования электродиализатора. Для предотвращения осадкообразования на мембранах обычно используют методы катионообменного умягчения воды и переполюсовки электродов при электродиализе. Ведутся поиски и иных, более эффективных безреагентных способов решения данной проблемы, что приобретает особую значимость в случаях, когда электродиализ ведется при плотностях тока, превышающих предельные диффузионные. Решение проблем предотвращения осадкообразования связано с необходимостью исследования мембранного транспорта водородных и гидроксильных ионов, так как именно миграция гидроксильных ионов через анионооб-менную мембрану приводит к образованию малорастворимых карбонатов и гидроксидов кальция и магния, в то время как миграция водородных ионов через катионообменную мембрану способствует их растворению. Для исследования переноса водородных и гидроксильных ионов через мембраны при электродиализе, проводимого при сверхпредельных плотностях тока необходимо развить методы измерения чисел переноса водородных и гидроксильных ионов помимо чисел переноса ионов обрабатываемых растворов электролитов. Измерение величин плотностей тока в сочетании с использованием в процессе электродиализа гранулированных и сетчатых ионообменных спейсеров, анализ ионных реакций в зонах контакта ионо-обменник/мембрана позволит приблизиться к решению проблемы деиони-зации маломинерализованных вод без их предварительной подготовки и образования осадка на мембранах при электродиализе, что определяет актуальность выбранной темы исследования.
Работа выполнена по Координационному плану НИР Научного совета по адсорбции и хроматографии РАН (тема 2.15.11.5 - «Разработка мем-бранно-сорбционных методов разделения смесей веществ и кинетики элек-троионитных процессов), а также в соответствии с Федеральной программой 1.7.03 «Новые материалы и новые химические технологии» Миннауки РФ по теме: «Исследования неравновесных процессов при сорбции физиологически активных веществ ионообменниками».
Цель работы - изучение ионного электромассопереноса в мембранах МК-40, МА-40, МА-41 для предотвращения образования осадков труднорастворимых солей и гидроксидов в ходе деминерализации разбавленных водных растворов электродиализом при сверхпредельных плотно-
стях тока и заполнении межмембранного пространства ионообменными спейсерами.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи:
Разработать способ измерения чисел переноса водородных и гид-роксильных ионов через ионообменные мембраны при плотностях тока выше предельных диффузионных и установить характер их зависимости от плотности тока при электродиализе модельного раствора хлорида натрия.
Исследовать электродиализ с заполнением межмембранного пространства однополярными гранулами ионообменников. Найти и обосновать такой способ их расположения, при котором снижение рН в растворе секции концентрирования предотвращает процесс осадкообразования. Показать применимость этого варианта электродиализа для деионизации водопроводной воды без ее предварительной обработки.
Создать двухступенчатый процесс безреагентной деионизации, используя заполнение секций электродиализатора ионообменными гранулами и сетками для получения воды с удельным электросопротивлением не менее 3 МОм-см.
Научная новизна:
1. Предложен новый способ определения чисел переноса водородных
и гидроксильных ионов в многокомпонентных электромембранных систе
мах в условиях превышения предельной диффузионной плотности тока,
использующий эффект избирательной концентрационной поляризации од
ной из мембран: катионообменной или анионообменной.
Найдены зависимости чисел переноса ионов исследуемого электролита и ионов среды в мембранах МК-40, МА-40 и МА-41 в широком интервале плотностей тока.
Впервые показано, что осадкообразование на поверхности ионообменных мембран при электродиализной деионизации маломинерализованных растворов может быть предотвращено заполнением секций обессо-ливания электродиализного аппарата одним слоем гранул анионообменни-ка, а секций концентрирования - одним слоем гранул катионообменника.
Разработан новый вариант двухстадийного процесса проведения электродиализа, позволяющий получить деионизованную воду с удельным электросопротивление 3 МОм-см, исключающий необходимость применения обратного осмоса или ионного обмена.
Практическая значимость.
Проведенное исследование сочетает фундаментальные и прикладные аспекты. На основе разработанного метода измерения чисел переноса водородных и гидроксильных ионов были найдены условия электродеиони-зации маломинерализованной воды без осадкообразования на мембранах.
Это позволило предложить электромембранный метод, который может быть использован в качестве первых стадий при глубоком обессоливании воды для микроэлектроники и других прецизионных производств.
Положения, выносимые на защиту:
1. При плотностях тока, превышающих предельные диффузионные,
числа переноса ионов в мембране, отделяющей центральную камеру обес-
соливания семисекционного электродиализного аппарата (заполненную
изучаемым многокомпонентным раствором электролита) от смежных ка
мер концентрирования, могут быть определены при следующих условиях:
- растворы в крайних камерах обессоливания должны отличаться по
ионному составу от изучаемого раствора;
концентрация таких растворов должна значительно превышать концентрацию раствора в центральной камере:
высокая скорость подачи растворов в секции обессоливания должна обеспечить сохранение нейтральной среды в исследуемой секции.
Увеличение плотности тока через ионообменные мембраны МК-40, МА-40 и МА-41 выше предельной диффузионной приводит к экспоненциальному росту чисел переноса гидроксильных и водородных ионов, и, напротив, к экспоненциальному снижению чисел переноса ионов натрия и хлора, за счет эффекта необратимой диссоциации молекул воды.
Заполнение секций электродиализатора однополярными гранулами ионообменников способствует предотвращению осадкообразования на анионообменной мембране при деионизации природных вод или водных растворов, содержащих катионы щелочноземельных металлов, из-за взаимодействия между гидроксильными и гидрокарбонатными ионами с образованием карбонатных ионов, а затем и угольной кислоты.
Публикации.
Основное содержание работы отражено в 9 научных публикациях, в том числе в 3 статьях, входящих в утвержденный ВАК РФ перечень научных изданий.
Апробация результатов исследования
Результаты исследования были доложены на Всероссийских конференциях по мембранной электрохимии (Краснодар-Туапсе, 2006, 2007); Всероссийской конференции «МЕМБРАНЫ-07» (Москва, 2007); III и IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии на межфазных границах» (Воронеж, 2006, 2008); II Всероссийской конференции «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья» (Белгород, 2006); ежегодных научных сессиях Воронежского государственного университета.
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Список литературы включает 170 библиографических наименований.
