Влияние магнитного поля на свойства воды и ее примесей

Магнитная обработка воды производится в аппаратах, в которых поток охлаждающей жидкости пересекает силовые линии магнитного поля, напряженностью 10 А/м, создаваемого электромагнитной катушкой или постоянными магнитами.

Экспериментально установлено, что при наложении магнитного поля на нестабильную по карбонату кальция воду, содержащую ферромагнитные примеси (Fe₃O₄, Fe₂O₃), происходит снижения интенсивности образования отложений на теплопередающих поверхностях и повышается количество выпадающего шлама. Это явления объясняется накоплением ферромагнитных оксидов железа в зазоре магнитного аппарата (магнитное фильтрование) и ведет к образованию кристаллов, снижающих накипеобразование за счет реакций выпадения шлама в толще воды. Применять эту технологию для широкого использования без предварительного получения результатов на экспериментальных установках не рекомендуется.

Электродиализ — процесс удаления из растворов ионов растворенных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. При наложении постоянного электрического поля на раствор в последнем возникает движение катионов (включая ион водорода) к отрицательно заряженному катоду, а анионов — к аноду. При контакте ионов с соответствующими электродами протекают катодные реакции восстановления:

2Н⁺ + 2е ® 2Н; 2Н ® Н₂­;

Na⁺ + e ® Na; 2Na + 2H₂O ® 2Na⁺ + 2OH^- + H²­

и анодные реакции окисления:

4ОН^- - 4е ® 2Н₂О + 2О; 2О ® О₂;

2Cl^- - 2e ® 2Cl; 2Cl ® Cl₂;

2Cl + Н₂О ® 2Н⁺ + 2Cl^- +О.

Если в электродную ячейку поместить около катода мембрану, выполненную из катионита и пропускающую только катионы, а около анода мембрану из анионита, пропускающую только анионы, что исключит перенос ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся у электродов, то объем ячейки будет разделен на три камеры. В этом случае в катодную камеру из средней, могут проходить только катионы, движущиеся к катоду, а в анодную — только анионы, движущиеся к аноду. Концентрация ионов в средней камере будет уменьшаться, т.е. вода станет менее минерализованной, а в приэлектродных камерах она будет увеличиваться.

Теоретическое количество электричества Q_теор, расходуемого на перенос 1 г-экв вещества, по закону Фарадея равно 26,8 А ^. ч, или 96 491 Кл, а количество электричества, А ^.ч, необходимого для деминерализации 1 м воды от концентрации C₁ до концентрации С₂ (г-экв/м³), определяется по формуле:

,

где I — сила тока, пропускаемого через раствор, А; τ — время, ч.

На практике при реализации электродиализа наблюдаются потери напряжения на преодоление электрических сопротивлений в ячейках и на электродах, поэтому потребляемое фактическое количество электричества превышает теоретическое. Степень совершенства электродиализа характеризуется коэффициентом выхода по току η_э, выражаемого как

Значение η_э теоретически изменяется в пределах от 0,3 (для неактивных мембран) до 1,0 (в идеальном процессе). Потери напряжения на электродах (3—4 В) существенно превышают потери на электрическое сопротивление в мембранах и растворе (1—2 В), поэтому в трехкамерном электродиализаторе свыше 2/3 энергии расходуется бесполезно.

Для снижения перечисленных потерь до 3—5 % применяются многокамерные электродиализаторы (рис. 6.1), состоящие из большого числа узких камер (до 300 шт). В крайних камерах аппарата помещают катод и анод, изготовленные для предотвращения их растворения из электрохимически инертного материала (платинированного титана). Исходная вода, поступающая в четные камеры (рис. 6.1), теряет ионы примесей, т.е. обессоливается. В нечетных камерах вода обогащается солями. Обессоленная вода и концентрат (рассол) собираются и раздельно выводятся из аппарата.

Рисунок 6.1 - Схема многокамерного электродиализатора: К – катионитная мембрана, пропускающая только катионы; А – анионитная мембрана, пропускающая только анионы.

Ионитные мембраны, используемые в процессе электродиализа, должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для молекул воды, хорошей электрической проводимостью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, иметь длительный срок службы в промышленных условиях.

Препятствиями для глубокого обессоливания воды в процессе электродиализа являются:

1) повышение электрического сопротивления в камерах с ростом степени обессоливания;

2) перенос воды через мембраны в процессе осмоса;

3) разложение воды при высоких плотностях тока;

4) возможность образования осадков на мембранах в камерах концентрирования. Экспериментально показано, что при концентрации солей в камерах обессоливания ниже 200—300 мг/дм³ резко возрастает расход энергии, что ограничивает глубину обессоливания воды указанными пределами.

Рисунок 6.2 - Схема возникновения концентрационной поляризации на анионитной мембране: А — анионитная мембрана; δ — толщина граничного слоя воды; I — концентрация анионов.

Ограничение плотности тока при электродиализе связано с явлением концентрационной поляризации, возникающим на ионитных мембранах. Суть этого явления заключается в том, что движение ионов через мембрану под действием электрического тока идет быстрее, чем в растворе, что приводит к падению концентрации около принимающей стороны мембраны и к повышению ее около отдающей стороны (рис. 6.2). Существует такая плотность тока, называемая предельной, при которой концентрация переносимого иона около принимающей стороны мембраны снижается до 0 и начинается перенос ионов Н⁺ и ОН^-, образовавшихся при электролизе воды. Этот процесс вызывает перерасход электроэнергии, не снижая солесодержания воды, и приводит к изменению рН среды, что может вызвать образование осадков на мембранах.

С учетом отмеченных ограничений оптимальный уровень снижения солесодержания обрабатываемой воды в одноступенчатых электродиализных аппаратах не превышает 40—50 %.

Для предотвращения образования осадков кроме ограничения рабочей плотности тока производят подкисление воды, переполюсовку напряжения, попеременный пропуск воды через обессоливающие и рассольные камеры.