SU1163879A1

SU1163879A1 - Method of desalinating water

Info

Publication number: SU1163879A1
Application number: SU833548941A
Authority: SU
Inventors: Борис Соломонович Троянкер
Original assignee: Предприятие П/Я Р-6878
Priority date: 1983-02-07
Filing date: 1983-02-07
Publication date: 1985-06-30

Abstract

СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ СОЛЕНЫХ ВОД, включающий циркул цию воды через электродиализатор с анионообмениыми и катионообменными мембранами в течение времени опреснени , о т л и ч а ю и и с тем, что, с целью снижени энергозатрат и упрощенн процесса, скорость циркул ции поддерживают на депол ризацйоином уровие 80-90% времени опреснени , которое не более времени переноса гидроксильных ионов через анионообменные мембраны, определ емого по формуле 5-Р-Х ОМ, ; ,1 врем пребывани гидрок- где сильных ионов в анионообменных мембранах; об отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мембране; 5толщина анионообменной мембраны; 1(0 Fчисло Фараде ; Xемкость анионообменной мембраны; 1средн плотность тока за врем опреснени .A METHOD FOR DESALINING SALTED WATER, including the circulation of water through an electrodialyzer with anion-exchange and cation-exchange membranes during the desalination time, is so that, in order to reduce energy costs and simplify the process, the circulation rate is maintained at a depolarization rate The level is 80-90% of the desalination time, which is not more than the time of transfer of hydroxyl ions through anion-exchange membranes, defined by the formula 5-P-X OM; , 1, the residence time of hydro- where strong ions in anion-exchange membranes; about the ratio of mobility of chlorine ion and hydroxyl ion in the anion-exchange membrane; 5th thickness of anion exchange membrane; 1 (0 F number of Farad; capacity of an anion-exchange membrane; 1 average current density during desalination.

Description

Од СО 00Od co 00

со Изобретение относитс к технологии опреснери соленых вод методом электродиализа и может быть использовано , в частности, дл опреснени морской воды. Известен способ опреснени соленых вод методом электродиализа, заключающийс в пропускании исходной воды через многокамерный электро диализатор с электродами и чередующимис катионообменными и ионообменными мембранами при прохождении через них посто нного тока. При этом происходит снижение концентрации солей в камерах, ограниченных анионитовь ми мембранами со стороны анода и катионитовыми мембранами со сто роны катода, и повышение концентрации солей в смежных камерах. Обеспе чение необходимой степени опреснени достигают за счет использовани пр моточной схемы с р дом последова тельно включенных электродиализаторов и циркул ционной схемы с рециркул цией через электродиализатор по ции исходной воды. Дл предотвращени образовани осадков в камерах концентрировани электродиализаторов предусматривают комплекс приемо включающий поддержание скорости опресн емого потока в электродиализат ре на депол ризационном уровне, под кислёние концентрируемого потока и очистку исходной воды от механических примесей, коллоидных частиц и ппанктона ij . Недостатком известного способа опреснени вл ютс сравнительно вы сокие энергозатраты на транспортиро ку жидкости, обусловленные поддержанием скорости опресн емого потока на депол ризационном уровне. Кроме того, необходимость тщательной очис ки исходной воды и подкислени концентрируемого потока значительно ус ложн ет конструкцию и эксплуатацию электродиализных установок. Известен способ опреснени срленых вод, используемый в электродиализных опреснител х, предназначенных дл опреснени воды на судах без использовани подкислени , и заключаницийс в рециркул ции порции исходной воды через электродиализатор с анионообменными и катионообменными мембрана ми в течение времени опреснени до получени необходимой степени опрес нени , отвода порции опресненной воды и подачи новой порции исходной воды pj . В соответствии с этим способом скорость рециркул ции поддерживают на депол ризационном уровне в течение всего цикла опреснени , а исходную воду подвергают тщательной очистке от механических примесей и планктона-с очисткой фильтров через каждые 1-3 дн . Недостатком этого способа вл ютс сравнительно высокие энергозатраты на циркул цию жидкости и необходимость тщательной очистки исходной воды.Это обусловлено тем, что предотвращение отклонени осадков в камерах концентрировани электродиализатора достигаетс за счет поддержани депол ризационных условий работы электродиализатора в течение всего цикла опреснени . Это вызывает необходимость поддержани скорости рециркул ции на наиболее высоком уровне, определ емом услови ми депол ризационной работы электродиадизатора в конце цикла опреснени , а также требует тщательной очистки исходной воды, так как загр знение поверхности анионообменных мембран вызывает их пол ризацию в конце цикла опреснени . Таким образом, отмеченный недостаток известного способа опреснени соленых вод ухудшает его энергетические характеристики и создает серьезные трудности дл использовани этого способа при создании компактных автоматизированных опреснителей , предназначенных дл длительной автоматической работы без обслуживани , так как требует комплектации этих опреснителей автоматически очищающимис фильтрами, что значи- : тельно усложн ет и ухудшает массогабаритные характеристики подобных опреснителей. Целью изобретени вл етс снижение , энергозатрат и упрощение процесса за счет снижени требований к очистке исходной воды; Поставленна цель достигаетс способом опреснени соленых вод, включающим .циркул цию воды через электродиализатор с анионообменными и катионообменными мембранами в течение времени опреснени , причем скорость циркул ции поддерживают lia депол ризационном уровне 80 .90% времени опреснени , которое не более времени переноса гидроксильных ионов через анионообменные мембраны, определ емого по формуле 5-F-X Тсобг-J где С - врем пребывани гидроксил ных ионов в анионообменных мембранах; ос - отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мембране; S - толщина анионообменной мемб раны; г - число Фараде ; X - емкость анионообменной мемб , раны; 1 - средн плотность тока за врем опреснени . Поддержание скорости циркул ции на депол ризационном уровне . в теч ние 80-90% продолжительности процес са опреснени позвол ет резко снизить скорость циркул ции и соответс вукмцие энергозатраты, так как скорость циркул ции, обеспечивающа де пол ризационный режим работы электродиализатора , резко возрастает к концу процесса опреснени . В то же врем ограничение продолжительности процесса опреснени временем пребывани в анионообменных мембранах, переносимых через них гидроксильных ионов, образующихс на катодной сто роне анионообменных к.мбран при их пол ризации в конце процесса опреснени /в .течение 10-20% его продолжительности , предотвращает отложение осадков в камерах концентрировани электродиализатора и нарушение технологического процесса, в то числе и при загр знении мембран, св занном с недостаточной очисткой исходной воды. Это обусловлено тем, что гидроксильные ионы, образующиес на катодной стороне анионо обменных мембран, в течение пол ризационного периода работы элек.родиапизатора , не успевают в течение этого периода проникнуть на аноднзто сторону анионообменных мембран, а накапливаютс на их катодной стороне . При последуюп1ем миграционном переносе порции гидроксильных ионов их концентраци снижаетс по мере 794 продвижени к анодной стороне анионообменных мембран вследствие диффузии . В результате плотность потока гидроксильных ионов на анодной стороне анионообменных мембран оказываетс значительно ниже плотности потока этих ионов на катодной стороне тех же мембран в период их пол риза ции, что предотвращает образование осадков. Проведены ресурсные испытани опытного образца электродиализного опреснител на реальной морской воде . Электродиализный опреснитель включал в себ многокамерный электродиализатор с анионообменными мембранами МА-40 и катионообменными мембранами МК-40, емкости и циркул ционные насосы. Электродиализатор содержал 50 рабочих чеек (кажда чейка состо ла из двух мембран и двух рабочих рамок прокладочного размером 200 X 450 мм. Рассто ние между мембранами 2 мм; основна площадь чейки 560 см. В качестве сепараторов использовали перфорированный и гофрированныйвинипласт, а в качестве электродов - листы из платинированного титана. Объем циркул ционного контура опресн емой воды составл л 10 л, а скорость циркул ции 600 л/ч, что обеспечивало линейную скорость в камере опреснени электродиапизатора 2,3 см/с. Потер напора в циркул ционном контуре не превышала I м вод.ст. В процессе непрерывных трехмес чных испытаний на воде с солесодер- жанием 41 г/л, поступившей в опреснитель после грубой очистки от механических примесей, на электродиализаторе , поддерживали напр жение 32-34 В и.контролировали величину тока электродиализатора, его пол ризационные характеристики и производительность опреснител . Общее солесодержание опресненной воды составл ло 700-900 мг/л. Опреснитель работал следующим об-. разом. Порции исходной воды многократно рециркулировали в циркул ционных контурах опресн емого и концентрируемого потоков, образрва1:ных соответствующими камерами электродиаЯизатора , емкост ми, насосами и трубопроводами . После снижени солесодержани опресн емой воды до 7СО900 мг/л циркул ционные контуры опорожн лись, затем заполн лись новой порцией исходной воды, и цикл опреснени повтор лс . В процессе испытаний начальный ток уменьшалс с 7,5 до 5,0 А при сохранении величины тока в конце цикла опреснени на уровне 1,0-1,2 А. Соответственно снижалась производительност опреснител с 7,0 до 5,5 л/ч и сред ний ток электродиализатора с 5,0 до 3,8 А, а также увеличивалась продолжительцрсть процесса опреснени с 57 до75 мин. Ориентировочную величину времени пребывани гидроксильных ионов в анионообменных мембранах определ ли по формуле где f - врем пребывани гидроксильных ионов в анионообменных мембранах или врем опреснени ; ОС - отношение подвижностей хлор-иона и гидроксильного иона в анионообменной мемб ране} 5 - толщина анионообменной мембраны, см; F - число Фараде ; X - емкость анионообменной мембраны, г- экв/см ; 1 - средн за цикл опреснени плотность тока. А/см . Дл мембран МА-40:« - 3, 5 Л 10 с X 3 .экв/см. Расчет времени пребывани гидро сильных ионов в анионообменных мем ранах Дал значение 66,5 мин дл на ла испытаний и 95,5 мин в конце ис пытаний. Из представленных данных видно, что продолжительность процесса опреснени (57-75 мин) во врем испы таний бьша меньше продолжительност пребьтани гтроксильных ионов в анионообменных мембранах. Контроль пол ризационных характеристик элек родиапизатора, который проводили по изменению рН опресн емой воды, показал, что заметна концентрацио на пол ризаци в начале испытаний развивалась при концентрации опрес н емой воды ниже 3 г/л, а в конце испытаний ниже 3,5-4 г/л. Величи на рН опресненной воды снижалась по сравнению с исходной на 1,2-1,8 ед. Продолжительность депол ризационной работы электродиализатора составила приблизительно 90% от общей продолжительности процесса опреснени в начале испытаний и снизилась приблизительно до 80% к концу испытаНИИ . Основные данные, характеризующие работу опытного образца электродиализного опреснител во врем ресурсных испытаний, сведены в таблицу, в которой дл сравнени представлены также данные, характеризующее прототип. Ревизи опытного образца электродиализного опреснител , проведенна по окончании его трехмес чной непрерывной работы, показала отсутствие в камерах обессоливани и концентрировани электродиализатора осадков труднорастворимых веществ, за исключением камеры, примь1кающей к катоду . В то же врем поверхности мембран и сепараторы были загр знены примес ми , поступавшими с исходной водой. Последующие испытани опытного образца с загр зненными ме1 бранами , в процессе которых продолжительность тепол ризационной работы снижалась с 80% в начале испытаний приблизительно до 70% к моменту прекращени испытаний, дали отрицательные результаты из-за образовани осадков в электродиализаторе. Это делает рискованным расширение временного интервала в сторону его уменьшени . Расширение временного интервала в сторону увеличени , т.е. увеличение продолжительности депол ризационной работы, требующее увеличени скорости жидкости в чейках электродиализатора , не может повли ть отрицательно на работосцособность опреснител , но ухудшает его энергетические характеристики из-за резкого увеличени расхода энергии на циркул цию жидкости. Полученные результаты свидетельствует о том, что поддержание продолжительности процесса опреснени менее времени пребывани гидроксильных .ионов в анионообменных мембранах обеспечивает длительную работу опреснител без отложени осадков даже в том случае, когда из-за пониженной скорости ре-The invention relates to saline water desalination technology by electrodialysis and can be used, in particular, to desalinate seawater. A known method of desalination of saline water by the method of electrodialysis, which consists in passing the source water through a multi-chamber electrodializer with electrodes and alternating cation-exchange and ion-exchange membranes during the passage of direct current through them. In this case, a decrease in the salt concentration in the chambers bounded by anion – ion membranes on the side of the anode and cationite membranes on the side of the cathode, and an increase in the salt concentration in adjacent chambers occurs. The provision of the required degree of desalination is achieved through the use of a direct flow circuit with a series of successively connected electrodialyzers and a circulation circuit with recirculation through the electrodialyzer through the source water. To prevent the formation of precipitation in the chambers of the concentration of electrodialyzers, the complex includes a maintenance of the desalination flow rate in the electrodialysis cell at the depolarization level, under the sour concentrated flow and purification of the source water from mechanical impurities, colloidal particles and ij junction. A disadvantage of the known desalination process is the relatively high energy consumption for transporting the liquid, due to the maintenance of the freshening flow rate at the depolarization level. In addition, the need to thoroughly clean the source water and acidify the concentrated stream greatly complicates the design and operation of electrodialysis plants. A known method of desalinization of saline water used in electrodialysis desalination plants designed to desalinate water on ships without the use of acidification, and conclusions in recirculating a portion of the source water through an electrodialyzer with anion-exchange and cation-exchange membranes during the time of desalination to obtain the required degree of desalination, disposal portions of desalinated water and supply a new portion of the source water pj. In accordance with this method, the recycling rate is maintained at a depolarization level during the entire desalination cycle, and the source water is subjected to thorough purification from mechanical impurities and plankton — with filter cleaning every 1-3 days. The disadvantage of this method is relatively high energy consumption for the circulation of liquid and the need for thorough purification of the source water. This is due to the fact that preventing the precipitation in the electrodialysis concentration chambers from being prevented by maintaining the depolarization conditions of the electrodialysis during the entire desalination cycle. This necessitates maintaining the recirculation rate at the highest level determined by the depolarization conditions of the electrodiaser at the end of the desalination cycle, and also requires thorough cleaning of the source water, since the surface contamination of anion-exchange membranes causes their polarization at the end of the desalination cycle. Thus, the noted lack of a known method of desalination of salt waters impairs its energy characteristics and creates serious difficulties in using this method in creating compact automated desalination plants intended for long-term automatic maintenance-free operation, since it requires the assembly of these desalination plants with automatically cleaning filters, which means: It complicates and degrades the weight and size characteristics of such desalination plants. The aim of the invention is to reduce energy consumption and simplify the process by reducing the requirements for purifying the source water; This goal is achieved by a method of desalination of saline water, including water circulating through an electrodialyzer with anion-exchange and cation-exchange membranes during the time of desalination, the circulation rate being maintained at a depolarization time of 80.90% of the time of desalination that is not more than the transfer time of hydroxyl ions through anion-exchange membranes as defined by the formula 5-FX Tssub-J where C is the residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes; OS is the ratio of the mobility of chlorine ion and hydroxyl ion in the anion-exchange membrane; S is the thickness of the anion exchange membrane of the wound; r is the Farade number; X - capacity of anion-exchange membrane, wound; 1 - average current density during desalination. Maintaining the circulation rate at the depolarization level. for 80-90% of the duration of the desalination process, it drastically reduces the circulation rate and the energy consumption corresponding to it, since the circulation rate, which provides the polarization mode of operation of the electrodialysis machine, increases dramatically by the end of the desalination process. At the same time, limiting the duration of the desalination process by the residence time in anion-exchange membranes carried through them hydroxyl ions formed on the cathode side of anion-exchange membranes when they are polarized at the end of the desalination process / in. The current of 10-20% of its duration prevents deposition. precipitation in the electrodialysis concentration chambers and disruption of the technological process, including the contamination of membranes associated with insufficient purification of the source water. This is due to the fact that the hydroxyl ions formed on the cathode side of the anion-exchange membranes, during the polarization period of the electrodiaser, do not have time to penetrate the anodic side of the anion-exchange membranes, but accumulate on their cathode side. During the subsequent migration of portions of hydroxyl ions, their concentration decreases as 794 progresses to the anode side of anion-exchange membranes due to diffusion. As a result, the flux density of hydroxyl ions on the anode side of anion-exchange membranes is significantly lower than the flux density of these ions on the cathode side of the same membranes during their polarization, which prevents the formation of precipitation. Resource tests of an electrodialysis desalination prototype on real seawater were carried out. The electrodialysis desalination plant included a multi-chamber electrodialyzer with anion-exchange membranes MA-40 and cation-exchange membranes MK-40, tanks and circulation pumps. The electrodialyzer contained 50 working cells (each cell consisted of two membranes and two gasket working frames 200 x 450 mm in diameter. The distance between the membranes was 2 mm; the main cell area was 560 cm. Perforated and corrugated vinyl plastics were used as separators, and sheets of platinized titanium. The volume of the circulating circuit of the desalinated water was 10 liters, and the circulation rate was 600 l / h, which ensured a linear velocity in the desalination chamber of the electrodiaser, 2.3 cm / s. In the course of continuous three-month tests on water with a salt content of 41 g / l, which entered the desalination plant after crude cleaning of mechanical impurities, the electrodialyzer maintained a voltage of 32-34 V and monitored the amount of current of the electrodialyzer, its polarization characteristics and desalination capacity. The total salinity of the desalinated water was 700-900 mg / l. The desalination plant worked as follows. at once. The portions of the initial water were repeatedly recycled in the circulation circuits of the desalinated and concentrated streams, which were formed by the respective electrode cells, tanks, pumps and pipelines. After the salinity of the desalinated water was reduced to 7CO900 mg / l, the circulation circuits were emptied, then filled with a new portion of the source water, and the desalination cycle was repeated. During the tests, the initial current decreased from 7.5 to 5.0 A while maintaining the current value at the end of the desalination cycle at a level of 1.0-1.2 A. Accordingly, the desalter capacity decreased from 7.0 to 5.5 l / h and the average current of the electrodialysis machine from 5.0 to 3.8 A, as well as the duration of the desalination process increased from 57 to 75 minutes. The estimated value of the residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes was determined by the formula where f is the residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes or the desalination time; OS is the ratio of mobilities of chlorine ion and hydroxyl ion in the anion-exchange membrane; 5 is the thickness of the anion-exchange membrane, cm; F is the Farade number; X is the capacity of the anion-exchange membrane, g-eq / cm; 1 - average for the desalination cycle current density. A / cm For MA-40 membranes: "- 3, 5 L 10 with X 3. Eq / cm. Calculating the residence time of hydrostatic ions in anion-exchange membranes. Gave a value of 66.5 minutes for tests and 95.5 minutes at the end of tests. From the presented data it can be seen that the duration of the desalination process (57-75 min) during the tests was shorter than the residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes. The control of the polarization characteristics of the electrodiaseiser, which was carried out by changing the pH of the desalinated water, showed that a noticeable concentration of polarization at the beginning of the test developed when the concentration of the desalinated water was below 3 g / l g / l. The pH value of desalinated water decreased by 1.2-1.8 units compared to the initial one. The duration of the depolarization operation of the electrodialysis machine was approximately 90% of the total duration of the desalination process at the beginning of the tests and decreased to approximately 80% by the end of the testing of the NII. The basic data characterizing the operation of the prototype sample of the electrodialysis desalination plant during the endurance tests are summarized in a table, in which for comparison the data characterizing the prototype are also presented. The revision of the prototype of electrodialysis desalination plant, carried out at the end of its three-month continuous operation, showed the absence of precipitates of sparingly soluble substances in the desalination chambers and the concentration of the electrodialyzer, with the exception of the chamber adjacent to the cathode. At the same time, the membrane surfaces and separators were contaminated with impurities from the source water. Subsequent tests of the test sample with contaminated meshes, during which the duration of thermalization work decreased from 80% at the beginning of the tests to approximately 70% by the time the tests were terminated, gave negative results due to the formation of precipitates in the electrodialyzer. This makes it risky to extend the time interval in the direction of decreasing it. The extension of the time interval in the direction of increasing, i.e. An increase in the duration of depolarization work, which requires an increase in the fluid velocity in the electrodialyzer cells, can not adversely affect the performance of the desalination plant, but impairs its energy performance due to a sharp increase in the energy consumption for the circulation of the fluid. The results suggest that maintaining the duration of the desalination process is less than the residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes ensures long-term desalination without deposition of precipitates, even in the case when

циркул ции и недостаточной очистки исходной воды электродиализатор часть цикла опреснени работает в пол ризационном режиме.Circulation and insufficient purification of the source water. The electrodialysis unit of the desalination cycle works in the polarization mode.

Использование предлагаемого способа опреснени соленых вод обеспечивает по сравнению с известными, основанными на поддержании депол ризационных условий работы электродиализатора в течение всего цикла опреснени , возможность уменьшени The use of the proposed method of desalination of salt water provides, in comparison with the known, based on maintaining the depolarization conditions of the electrodialyzer during the entire desalination cycle, the possibility of reducing

скорости циркул ции, что приводит к резкому сокращению энергозатрат на циркул цию и улучшению массогабаритных характеристик. Кроме того, снижаютс требовани к очистке исходной воды, что приводит к упрощению конструкции и эксплуатации опреснителей и позвол ет создать компактные, длительно работающие без обслуживани , автоматизированные опреснители.circulation rate, which leads to a sharp reduction in energy consumption for circulation and improve the weight and size characteristics. In addition, the source water purification requirements are reduced, which simplifies the design and operation of desalters and allows for the creation of compact, long-term, maintenance-free, automated desalination plants.

Средн плотность тока, мА/смAverage current density, mA / cm

Линейна скорость в камерах опреснени , см/сLinear speed in desalination chambers, cm / s

Продолжительность процесса опреснени , минThe duration of the desalination process, min

Врем пребывани гидроксильных ионов в анионообменных мембранах , минThe residence time of hydroxyl ions in anion-exchange membranes, min

Продолжительность работы в депол ризационном режиме, % от общей продолжительности процесса опреснени Duration of work in depolarization mode,% of the total duration of the desalination process

Величина снижени рН опресненной водыThe magnitude of the decrease in the pH of desalinated water

Продолжительность работы бе% очистки фильтров исходной воды сутDuration of work without% cleaning of source water filters

9,8 - 6,89.8 - 6.8

2525

2,3 2.3

10 57 - 7510 57 - 75

132 - 378132 - 378

6,5 - 95,56.5 - 95.5

2626

90 - 80 90 - 80

100 1,2 - 1,8 ,100 1.2 - 1.8,

0,380.38

9090

1 - 313

Claims

METHOD FOR DESALTING SALT WATERS ', including the circulation of water through an electrodialyzer with anion-exchange and cation-exchange membranes during the time of desalination, with the exception that, in order to reduce energy consumption and simplify the process, the circulation speed is maintained at a depolarization level 80-90% of the desalination time, which is not more than the time of transfer of hydroxyl ions through anion-exchange membranes, determined by the formula

5-FX ^g os · -: - l where 'C is the residence time of hydro- ”strong ions in anion-exchange membranes;

bC is the ratio of the mobilities of the chlorine ion and hydroxyl ion in the anion-exchange membrane;

5 - thickness of the anion exchange membrane;

F is the Faraday number;

X is the capacity of the anion exchange membrane;

1 - average current density during desalination.

With

00 m

I