Elektrodializa monoselektywna do odzyskiwania NaCl

4.5.1. Cel i przebieg badań

Koncentrat po procesie dializy Donnana z membraną kationowymienną Selemion CMV zawierał:

136 val/m3 NaCl (81%) 20 val/m3 CaCl₂ (12%) 12 val/m3 MgCl₂ (7%)

Zastosowanie elektrodializy z monoselektywnymi membranami kationowymiennymi stwarza możliwość odzyskiwania NaCl, który można ponownie wykorzystać do przygotowania roztworu koncentratu do dializy Donnana, obniżając w ten sposób koszty układu odsalania i umożliwiając zagospodarowanie koncentratu. Badania przeprowadzone w niniejszej części pracy miały na celu zbadanie możliwości odzysku NaCl o zadowalającym stopniu czystości oraz ewentualny dobór odpowiednich warunków procesowych.

Tabela 4.24. Właściwości membran Neosepta CMS wykorzystanych w czasie elektrodializy monoselektywnej [96]

Pojemność jonowymienna, mmol/g 2,0-2,5

Zawartość wody, % 35-45%

Grubość membrany, mm 0,14-17

Oporność elektryczna, Ω·cm2 1,5-2,5

Liczby przenoszenia

Całkowita ilość kationów lub anionów 0,98 <

Na+ + K+ 0,90 <

Ca2+ + Mg2+ 0,10 >

Cl- + SO42- 0,02 >

Proces elektrodializy monoselektywnej (ED-MS) prowadzono w instalacji typu Goemasep 136 wyposażonej w 15 par komór z membranami anionowymiennymi Neosepta AMX (standardowe membrany elektrodialityczne) oraz kationowymiennymi membranami monoselektywnymi Neosepta CMS (ich charakterystykę podaną przez producenta przedstawiono w tabeli 4.24). Powierzchnia czynna membran jednego znaku wynosiła 0,054 m2. Dializatem był koncentrat po procesie dializy Donnana o składzie podanym powyżej, natomiast rolę koncentratu pełniła woda odzyskana w procesie elektrodialitycznego odsalania, o bardzo niskim zasoleniu

(przewodnictwo właściwe na poziomie 20-200 µS/cm). Zastosowany stosunek objętości dializatu i koncentratu wynosił 1:1.

Graniczną gęstość prądu dla roztworu o powyższym składzie obliczono na podstawie równania [41]: + + + − ⋅ ⋅ = T T F C k i M k lim , A/m2 w którym:

k – współczynnik wnikania masy; przyjęto k = 0,1 dm3/m2·s[41]

+

k

C - końcowe stężenie w diluacie kationu transportowanego przez membranę

monokationoselektywną; przyjęto 3 3 / 0124 , 0 / 4 , 12 155 08 , 0 val m val dm C_k+ = ⋅ = =

F – stała Faradaya; F = 96490 A·s/val

+

M

T - liczba przenoszenia kationu (Na+) w membranie; przyjęto + =0,9[96] M

T

+

T - liczba przenoszenia kationu (Na+) w roztworze; przyjęto T⁺= 0,4 [41]

Obliczona wartość i_lim wynosi 239 A/m2. W związku z powyższym, proces elektrodializy prowadzono przy czterech gęstościach prądu z przedziału od 100 do 250 A/m2.

4.5.2. Efekty elektrodializy monokationoselektywnej do odzyskiwania NaCl z koncentratu po dializie Donnana

Na rys. 4.47 przedstawiono procentowy udział NaCl, CaCl₂ i MgCl₂ w roztworze poddawanym elektrodializie monoselektywnej oraz w roztworach po procesie przeprowadzonym przy różnych gęstościach prądu. W wyniku procesu zawartość CaCl₂ w strumieniu odzyskanym zmniejszyła się z 12 do 6-9%, a MgCl₂ – z 7 do 3-4%, co jednak nie jest wynikiem zadowalającym.

Rys. 4.47. Skład procentowy roztworu przed i po elektrodializie monoselektywnej do odzyskiwania NaCl z koncentratu po dializie Donnana z membranami kationowymiennymi

Okazało się, że wykorzystane membrany monokationoselektywne są w znacznym stopniu przepuszczalne również dla dwuwartościowych kationów wapnia i magnezu. Wysoka zawartość dwuwartościowych kationów „zanieczyszczających” odzyskiwany roztwór po procesie elektrodializy monoselektywnej wpłynęłaby negatywnie na skuteczność wymiany jonów w procesie dializy Donnana.

Rys. 4.48. Skład strumieni wylotowych po procesie elektrodializy monoselektywnej – strumienia odzyskanego (A) i strumienia odpadowego (B)

Wykresy zebrane na rys. 4.48 przedstawiają skład dwóch roztworów będących wynikiem elektrodializy monoselektywnej: roztworu odzyskanego oraz roztworu odpadowego. Stężenie poszczególnych soli w koncentracie po dializie Donnana (traktowanym jako roztwór dopływający do elektrodializera) i skład roztworów po procesie elektrodializy monoselektywnej jest zmieniony w niewielkim stopniu – mimo wykorzystania monoselektywnych membran kationowymiennych przechodzenie dwuwartościowych kationów wapnia i magnezu do odzyskiwanego strumienia było nadspodziewanie wysokie.

Na rys. 4.49 przedstawiono przewodność właściwą roztworu dopływającego do elektrodializy monoselektywnej oraz obu roztworów wylotowych. Przewodność koncentratu po dializie Donnana i roztworu odzyskanego w czasie elektrodializy monosoelektywnej są na zbliżonym poziomie, co wiąże się z niewielką zmianą składu roztworu po dializie Donnana i wykorzystaniem stosunku objętości roztworów 1:1 (brakiem zatężania).

Rys. 4.49. Przewodnictwo właściwe roztworów biorących udział w procesie elektrodializy monoselektywnej

Zaobserwowano, że zmiany gęstości prądu w przedziale 100-250 A/m2 nie mają istotnego wpływu na skład roztworu po elektrodializie monoselektywnej. Wzrost gęstości prądu nie wpłynął znacząco na stopień odzyskania NaCl, ani też na stopień jego czystości (rys. 4.48). Choć przy niższych gęstościach prądu czas procesu ulega wydłużeniu, końcowy efekt procesu jest podobny: końcowe stężenie soli w każdym przypadku jest praktycznie jednakowe i wynosi 144-155 val/m3 (rys. 4.50).

Rys. 4.50. Wpływ gęstości prądu na wzrost stężenia soli w roztworze odzyskiwanym w procesie elektrodializy monoselektywnej

Wzrost gęstości prądu wpływał na wielkość średnich strumieni soli przenoszonych w procesie (rys. 4.51). Największy wpływ gęstości prądu obserwowano w przypadku strumienia NaCl: przy zmianie gęstości od 100 do 250 A/m2 średni strumień odzyskanego NaCl wzrósł z 1,47 do 3,62 val/m2·h. Równocześnie, strumień CaCl₂ wzrósł z 0,13 do 0,24 val/m2·h, natomiast strumień MgCl₂ z 0,07 do 0,11 val/m2·h.

Rys. 4.51. Wpływ gęstości prądu na średni strumień soli przenoszony w czasie elektrodializy monoselektywnej

Rys. 4.52. Zużycie energii w procesie elektrodializy monoselektywnej w odniesieniu do jednostkowej ilości odzyskanej soli oraz do jednostki objętości uzdatnianego roztworu

Zwiększenie gęstości prądu, przy której prowadzony jest proces oznacza zwykle wzrost zużycia energii na transport soli przez membrany jonowymienne (rys. 4.52). W badanym procesie, dla gęstości prądu z zakresu 100-250 A/m2, zaobserwowano stosunkowo niewielkie zmiany wartości wskaźnika zużycia energii. Najwyższa wartość wskaźnika zużycia energii cechowała proces prowadzony przy dwóch najniższych gęstościach prądu i wynosiła 0,098-0,104 kWh/val

(15,20-15,88 kWh/m3). Dla dwóch najwyższych gęstości zużycie energii mieściło się w zakresie: 0,085-0,090 kWh/val (12,99-13,17 kWh/m3).

4.5.3. Podsumowanie

Wykorzystując membrany monokationoselektywne Neosepta CMS, udało się zmniejszyć zawartość CaCl₂ w roztworze odzyskiwanym z 12% do 6-9%, a zawartość MgCl₂ z 7% do 3-4%, co nie jest, niestety, wynikiem zadowalającym. Niewystarczający stopień czystości roztworu odzyskanego w czasie elektrodializy monokationoselektywnej stawia pod znakiem zapytania zasadność jego wykorzystania do przygotowania koncentratu do dializy Donnana.

Wysokie zużycie energii cechujące proces elektrodializy monoselektwynej (13-16 kWh/m3) sprawia ponadto, że koszt procesu byłby niewspółmiernie wysoki w stosunku do możliwych do uzyskania efektów.

4.6. Dializa Donnana roztworów o wysokim zasoleniu