Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных данных по кинетике электрохимического выделения веществ из растворов 11
1.1. Виды мембран, мембранных элементов и аппаратов 11
1.2. Кинетика электрохимического переноса веществ через мембрану 18
1.3. Факторы, влияющие на электробаромембранные процессы 21
1.4. Методы расчета мембранных аппаратов 27
1.5. Технологические схемы разделения растворов с применением мембран 32
1.6. Выводы и формулировка задач исследований 39
2. Техника эксперимента и экспериментальные исследования кинетики электробаромембранного выделения веществ 41
2.1. Объекты исследования 41
2.1.1. Мембраны 41
2.1.2. Растворы 42
2.2. Методика и экспериментальная установка для исследования-коэффициента электродиффузионной и электроосмотической проницаемости мембран 43
2.3. Методика и экспериментальная установка для исследования коэффициента выделения и удельного потока растворителя 46
2.4. Результаты экспериментальных исследовании и их анализ 52
2.4.1. Электродиффузионная проницаемость 52
2.4.2. Электроосмотическая проницаемость 55
2.4.3. Коэффициент выделения и удельный поток растворителя 59
2.5. Изотермы сорбции и коэффициент распределения в мембранах 68
Выводы по второй главе 72
3. Математическая модель и расчет электробаромембранных аппаратов 74
3.1. Математическая модель массопереноса в электрохимических процессах 74
3.2. Проверка адекватности математической модели массопереноса в электробаромембранных процессах 86
3.2.1. Математический расчет 86
3.2.2. Методика проверки адекватности математической модели на семикамерном электробаромембранном аппарате 89
3.3. Методика расчета электробаромембранного аппарата 93
3.4 Пример расчета элетробаромембранного аппарата для концентрирования водного раствора анилина 98
Выводы по третьей главе 100
4. Разработка электробаромембранных аппаратов и технологических схем очистки сточных вод 101
4.1 Разработка плоскокамерного электробаро мембранного аппарата 101
4.2. Разработка рулонного электробаромембранного аппарата 106
4.3. Технологическая схема выделения веществ из промышленных стоков 111
Выводы по четвертой главе 113
Основные выводы и результаты исследований 114
Список использованных источников 116
Приложения 130
- Кинетика электрохимического переноса веществ через мембрану
- Методика и экспериментальная установка для исследования-коэффициента электродиффузионной и электроосмотической проницаемости мембран
- Методика проверки адекватности математической модели на семикамерном электробаромембранном аппарате
- Разработка рулонного электробаромембранного аппарата
Введение к работе
Электрохимические методы выделения ценных веществ из растворов довольно широко применяются в промышленности. К таким методам относятся процессы на основе электроосмотической и электродиффузионной проницаемости мембран. Далее в предлагаемой работе эти процессы будут рассматриваться под общим термином "электробаромембранные процессы".
Современные производства сопровождаются большим объемом отходов, из которых можно извлекать ценные продукты, использование которых может быть в несколько раз рентабельней, чем применение исходного сырья. При обработке жидких отходов производств часто используют процесс мембранного разделения. Для интенсификации этого процесса массопереноса необходимы исследования его кинетики, математическое описание, а также разработка промышленных аппаратов и технологических схем. Также актуальным является и изучение влияния различных физических полей на мембранный процесс массопереноса и разработка новых методов обработки отходов производств с учетом этого влияния. Одним из таких методов является электробаромембранный процесс, реализуемый при одновременном воздействии электрического потенциала и градиента давления.
Электробаромембранная технология является новым, интенсивно развивающимся направлением химической промышленности. Преимущества электробаромембранной технологии заключаются в её малой энергоёмкости, экологичности, безреагентности, простоте конструктивного оформления и возможности выделения из растворов веществ малой концентрации; Однако применение в промышленности электробаромембранных методов сдерживается малоизученностью' кинетики процесса, отсутствием его- математического описания, аппаратов и схем для его реализации. В химической промышленности, например, в процессе органического синтеза в сточных водах могут присутствовать анилин и морфолин, которые следует извлечь и использовать как сырьё, способствуя при этом ресурсосбережению и экологичности производства.
Данная работа направлена на решение вышеизложенных задач и выполнена при поддержке гранта по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2008 г.г.», по теме «Теоретические и прикладные аспекты электробаромембранного выделения и целевого получения веществ из промышленных стоков» (регистрационный номер РНП.2.1.2.1188) а также, гранта по Федеральной целевой программе "Научные и научно-педогогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г." по теме "Теоретико - экспериментальные исследования влияния поверхностных явлений на сорбционные и проницаемые коэффициенты пористых тел" (Государственный контракт №02.740.11.0272)..
Данная работа состоит из четырех глав.
Первая глава содержит литературный обзор работ, посвященных проблемам мембранного разделения растворов.
Во второй главе разработаны методики, аппараты и схемы для проведения экспериментальных исследований. Приведены характеристики исследуемых мембран и веществ. Получены результаты экспериментов и проведен их анализ и обработка.
Третья глава посвящена усовершенствованию математической модели кинетики электрохимического выделения из растворов, проверке ее адекватности и разработке инженерной методики расчета, электробаро-мембранных аппаратов.
Четвертая глава посвящена разработке электробаромембранных аппаратов, и технологических схем выделения ценных веществ из промышленных сточных вод процесса органического синтеза.
Цель данной: работы: изучение кинетических закономерностей процесса электробаромембранного выделения веществ из промышленных стоков, разработка математической модели и аппаратурно-технологическое оформление процесса.
Научная новизна.
Разработаны методики и экспериментальная установка для исследования электродиффузионного и электроосмотического потока растворенного вещества и растворителя при электромембранном разделении растворов.
Впервые получены экспериментальные данные по коэффициенту электродиффузионного переноса анилина и морфолина из промышленных стоков через прикатодную мембрану и электроосмотического переноса растворителя.
Получены экспериментальные зависимости коэффициента выделения и удельного потока от плотности электрического тока, температуры раствора и рабочего давления.
Усовершенствована математическая модель кинетики электробаро-мембранного концентрирования, позволяющая рассчитывать концентрацию растворенного вещества в пермеате и ретентате и величину потока растворителя.
Практическая значимость.
Разработана методика расчета электробаромембранных аппаратов плоскокамерного и рулонного типов, которая позволяет определить рабочую площадь мембран и провести секционирование аппаратов.
Разработаны и запатентованы конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа (патент №2324529 РФ), позволяющая интенсифицировать процесс выделения веществ за счет применения ионообменных спейсеров. Запатентована конструкция рулонного аппарата, позволяющая дифференцированно отводить прианодньтй и прикатодный ретентаты (патент №2326721 РФ).
Предложена технологическая схема для концентрирования анилин- и морфолинсодержащих растворов с применением разработанных и запатентованных конструкций электробаромембранных аппаратов.
Результаты исследований приняты к реализации на Тамбовском ОАО "Пигмент" с эколого-экономическим эффектом 180 т.р. в год в ценах 2008 года.
На защиту выносятся:
Методики и экспериментальные установки для исследования кинетических коэффициентов при электробаромембранном разделении растворов.
Результаты экспериментальных исследований по электробаро-мембранному концентрированию веществ (анилина и морфолина).
Усовершенствованная математическая модель кинетики электро-баромембранного процесса концентрирования анилина и морфолина из сточных вод органического синтеза.
Методика расчета электробаромембранных аппаратов.
Технологическая схема процесса концентрирования анилин- и морфолинсодержащих растворов из промышленных стоков органического синтеза с использованием разработанных и запатентованных электробаромембранных аппаратов.
Апробация работы. Основные результаты и выводы по диссертационной работе докладывались на: Всероссийской научно-технической конференции "Интенсификация тепло-и массообменных процессов, промышленная безопасность и экология", г. Казань 2005 г.; Российской конференции с международным участием "Ионный перенос в органических и неорганических мембранах", г. Туапсе 2008 год.; XXI Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21", г. Саратов 2008 г; Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и преподавателей, аспирантов, студентов и менеджеров малых предприятий "Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий", г.Тамбов 2008 год, а также на научных конференциях аспирантов и молодых ученых, ТГТУ 2006-2008 г.
Публикации.
Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в 14 публикациях, три из которых в журналах рекомендуемых ВАК и двух патентах РФ.
Выражаю глубокую признательность: к.т.н. доценту Абоносилюву О.А. , к.т.н. доценту Головашину В.Л., а также коллективу кафедры "Прикладная геометрия и компьютерная графика " ТГТУ за помощь при выполнении данной работы.
Кинетика электрохимического переноса веществ через мембрану
В электромембранных процессах обычно используется, довольно высокий электрический потенциал, что приводит к протеканию через пакет мембран значительного количества электричества. В этом случае перенос ионов из одной секции в другую в основном зависит от их подвижности под действием электрического тока. При разработке и эксплуатации электромембранного модуля необходимо знать взаимосвязи внешнего электрического потенциала при данном концентрационном распределении через мембрану с плотностью тока, ионным " потоком, осмотическим потоком. Эти соотношения рассматривают для каждой из существующих фаз, т. е. для двух или более фаз растворов и мембранной фазы [2]. Перепад электрического потенциала в мембранной сборке (модуле) в ос новном складывается из потенциалов концентрационного и омического. В { электромембранном процессе электрический перенос ионов, которые должны быть разделены, часто протекает в направлении из более разбавленного раствора в менее разбавленный. В этом случае внешний электрический по тенциал частично расходуется на преодоление концентрационного потенциала. Кроме того, часть внешнего потенциала рассеивается в окружающем пространстве в виде тепла из-за омического сопротивления, существующего в мембранном наборе. Таким образом, общий электрический потенциал через мембранную сборку складывается из следующих составляющих: 1) концентрационные потенциалы в мембранных фазах; 2) концентрационные потенциалы на границах фаз мембрана — раствор; 3) концентрационные потенциалы в фазах растворов; 4) перепад омического потенциала в фазах растворов ; 5) перепад омического потенциала в мембранных фазах; 6) электродный потенциал. Концентрационный потенциал на границе раздела фаз является Доннановским потенциалом. Сумма концентрационных потенциалов часто называется мембранным потенциалом [3]. Электродный потенциал возникает при различных электродных реакциях, обусловленных, концентрационной поляризацией и при перепаде омического сопротивления в электродной секции. Этот электродный потенциал обычно можно уменьшить повышением скорости потока, омывающего электрод, в котором содержится соответствующий растворенный электролит. Далее, при соответствующих условиях [2, 4—7] электродный потенциал одного типа (например, анодный потенциал) имеет тенденцию к гашению потенциалов других типов (например, катодного потенциала). Как и во всех мембранных процессах с жидкой фазой в этом-, случае важную роль играет концентрационная поляризация. Когда противоион проходит через ионообменную мембрану из разбавленного раствора в поток ретентата, то его концентрация уменьшается на границе раздела фаз мембрана — раствор со стороны разбавленного раствора; но одновременно будет происходить накопление коиона. Для соблюдения условий электронейтральности накапливающийся коион мигрирует из примембранного слоя назад в объем разбавленного раствора. Таким образом, общая ионная кон центрация в секции с разбавленным раствором истощается вблизи границы раздела фаз. С другой стороны, общая ионная концентрация в секции концентрата по аналогичной причине аккумулируется на обеих границах раздела фаз. При наличии такой концентрационной поляризации происходит увеличение градиента концентрационного потенциала через ионообменную мембрану; при этом диффузионная протечка ионов через мембрану увеличивается в направлении, противоположном переносу их под действием электричества. Поэтому чистый ионный перенос для данного электрического потенциала всегда несколько занижен. При такой концентрационной поляризации перепад омического потенциала в разбавленном растворе также увеличивается до значительной величины, поскольку, как правило, омическое электрическое сопротивление раствора электролита обратно пропорционально его ионной концентрации [2]. При повышении внешнего электрического потенциала, необходимого для получения более высокого электрического тока, ионная концентрация разбавленного водного раствора поляризуется сильнее, часто до такой степени, что общая ионная концентрация на границе раздела фаз становится фактически равной нулю. В этом случае электролизуется растворитель — вода, при этом электролизированный водород или ионы гидроксила конкурируют с первоначальными противоионами в процессе электрического переноса через ионообменную мембрану.
Явление такого электролиза часто называют «расщеплением воды». Этот процесс тормозит перенос ионов, которые могут быть разделены под действием данного электрического тока. Расщепление также вызывает изменение рН на границе раздела фаз. Анионообменная мембрана, которая довольно нестабильна при высоких значениях рН, начинает разрушаться. Поэтому необходимо проводить специальные мероприятия по уменьшению концентрационной поляризации вблизи поверхности анионообменной мембраны. Электрический ток, при котором общая ионная концентрация на границе раздела фаз будет приближаться к нулю, называется, предельным электрическим током. Эта величина тока является важным параметром в определении степени концентрационной поляризации.
Проведя анализ литературы [1-19] посвященной данной тематике было выяснено, что на кинетику электрохимического выделения веществ большое влияние оказывают рабочие параметры процесса обратного осмоса и электробаромембранного разделения и сопутствующие им явления. К числу рабочих параметров процессов относят давление, напряжения электрического поля, температуру раствора, гидродинамические условия и состав разделяемого раствора.
Являясь движущей силой процесса ультрафильтрации, электроультрафильтрации, обратного осмоса и электроосмофильтрации давление воздействует на их кинетические параметры, определяющие качество и производительность разделения.
Водопроницаемость напрямую зависит от давления. В ряде работ [1, 8, 9] отмечается, увеличение водопроницаемости от увеличения давления при разделении водных растворов неорганических веществ методом обратного осмоса. При электроосмофильтрации [3, 4, 6, 20] повышение давления также способствует возрастанию гидродинамической проницаемости. Другим параметром, определяющим эффективность разделения, является коэффициент задержания. В работе [20] отмечается, что при электроосмофильтрационном разделении растворов неорганических веществ коэффициент задержания на прикатодной мембране возрастает с повышением давления. Однако при разделении водных растворов органических веществ наблюдалось уменьшение и постоянство коэффициента задержания с возрастанием давления [16-18]. Исходя из разнообразия форм зависимости коэффициента задержания от давления [3, 4, 16-18], для более надежных результатов коэффициент задержания определяют экспериментально в зависимости от давления.
Напряжения электрического поля в электрохимических процессах характеризуются плотностью тока. В работах по электроосмофильтрации [6, 12-14, 16-18] отмечается, изменение коэффициента задержания при разделении растворов неорганических веществ с повышением плотности тока, происходит либо уменьшение, либо возрастание по сложной зависимости, либо не происходит никаких изменений.
Водопроницаемость (удельная производительность) в зависимости от плотности тока при электроосмофильтрации изменяется также различно [6, 12— 14, 16-18]. В исследованиях влияния плотности тока на удельную производительность в процессе электроосмофильтрации дистиллированной воды обнаружено снижение удельной производительности как на прикатодных мембранах, так и на прианодных. [20]
Методика и экспериментальная установка для исследования-коэффициента электродиффузионной и электроосмотической проницаемости мембран
Исследования по определению коэффициента выделения проводились на экспериментальной установке, представленной на рис. 2.2. Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (1), через систему вентилей высокого давления и ресивер рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом НД 100/63 (2). Перемешивание раствора осуществляется в ресивере (6), давление в,котором контролировалось манометром (7). Пройдя рабочую ячейку (3), дроссели (4) и поплавковые ротаметры (5), разделяемый раствор возвращается в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсаций давления и расхода в системе установлен ресивер (6), который представляет собой цилиндрический сварной сосуд (V=3,5 л), предварительно заполняемый сжатым воздухом до давления, составляющего ЗО-і-40% от рабочего, компрессором высокого давления (9). Давление в установке контролируется образцовым манометром (8) (свидетельство о поверке №6036 от 13.04.2006г.), установленным до ячейки (3). Кроме измерительного манометра в установке используется электроконтактный манометр (14), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (2) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора задается регулированием рабочего хода плунжерного насоса (2). Температура раствора в системе поддерживалась температурой воды в термостате (10), контролировалась термометром (12) и регулировалась потенциометром (11) автоматически. Регулирование напряжения и, как следствие, плотности тока в процессах электроультрафильтрации и электроосмофильтрации производились блоком питания (15) (свидетельство о поверке №0003633 от 19.10.2007г.).
Раствор, прошедший в результате разделения через мембраны, собирается в емкость (13). Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5% от установленного значения.
Перед началом экспериментальных исследований собирали разделительный модуль, при этом, предварительно подготовленную мембрану, располагали на прокладке (ватмане) активным слоем к разделяемому раствору. Далее модуль помещали в ячейку (3) показанную на рис. 2.3 и производили ее крепление на установке. После этого задавали рабочий расход раствора изменением хода плунжера насоса (2) и заполняли систему рабочим раствором. Далее устанавливали подачу воды в систему промывки сальников и охлаждения плунжера насоса, полностью закрывали игольчатые дроссели (4) и включали насос. По мере увеличения избыточного давления в системе, открывали перепускной игольчатый вентиль и плавно игольчатые дроссели (4), пока колебания стрелок манометров не останавливались около заданного значения давления. Одновременно проверяли и наличие утечек раствора в разделительном модуле (3). Раствор, прошедший через мембраны, собирали в емкости (13). По этой схеме проводили холостой опыт в течение 30 минут. Затем выключали установку и сбрасывали в системе давление игольчатым вентилем. Собранный раствор из емкостей (13) выливали в исходную емкость (1). После восьмичасовой выдержки раствор сливали из установки, хорошо перемешивали и заливали в объеме 6-10" м. Затем в той же последовательности запускали установку, но при этом выводили ее на температурный режим, и проводили контрольный опыт в течение 4 часов. После контрольного опыта собранный пермеат из емкостей (13) возвращали в исходную емкость (1).
Основным элементом установки является разделительная ячейка (3). Конструкция ячейки представлена на рис. 2.3. Она предназначена для проведения процессов электроультрафильтрации и электроосмофильтрации. Рабочий опыт проводили в течении 30 минут, при этом время проведения опыта фиксировалось секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывали давление в системе, выключали установку. При необходимости проводили повтор рабочего опыта, но уже без контрольного. Исследование удельной производительности При экспериментальном исследовании удельной производительности электробаромембранного разделения многокомпонентных смесей установка работает аналогично описанной выше схеме. Во время рабочего опыта, все данные (концентрацию растворенных веществ в исходном растворе, в прикатодном и прианодном пермеате, расход разделяемого раствора, давление, температуру, напряжение, силу тока, и время проведения опыта) заносили в рабочий журнал. Для расчета удельного потока растворителя через прикатодную мембрану использовали выражение следующего вида:
Методика проверки адекватности математической модели на семикамерном электробаромембранном аппарате
Общим недостатком баромембранных аппаратов является отсутствия возможности подвода к системе мембрана-раствор физических полей, например электрического поля. В результате этого невозможно отделить электролит от неэлектролита, выделить вещества из природных и сточных вод, дифференцированно выделить ионы из растворов, так как в многокомпонентных растворах они проникают через мембрану в эквимолекулярных соотношениях. К сожалению, невозможно на промышленном уровне решить эти проблемы из-за отсутствия электробаромембранных аппаратов и схем промышленного типа. Поэтому основная задача состояла в том, чтобы сконструировать аппарат позволяющий решать данные проблемы на промышленном уровне.
Электробаромембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами - одна из самых удобных конструкций для разделения растворов электролитов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации и электроосмофильтрации. Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами может с успехом применяться и для проведения обратноосмотических, ультрафильтрационных и микрофильтрационных процессов [89,90].
При разработке электробаромембранного аппарата стояли технические задачи: увеличение удельной площади мембран, повышение эффективности разделения и снижение энергозатрат в электробаромембранном аппарате, за счет замены средней части последовательно расположенных биполярных электродов диэлектрической перегородкой и графитовой тканью, служащей монополярным электродом — дренажом для отвода пермеата и расположения в межмембранном канале ионообменных спейсеров, состоящих из ионообменной сетки и гранул. На рис 4.1.1 - 4.1.5 показаны элементы разработанного нами электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа. Аппарат состоит из двух фланцев 1 с каналами 2 и 3 ввода и вывода разделяемого раствора и каналами 4 и 5 для отвода прикатодного пермеата и прианодного пермеата, отверстиями 6 для шпилек, устройством 7 для подвода постоянного электрического тока к параллельно соединенным камерам аппарата, прикатодных и прианодных мембран 8 и 9, ионообменных спейсеров 11, состоящих из ионообменной сетки и гранул (рис. 4.1.3), переточных отверстий 12, шпилек 13, прокладок 14, пористого биполярного электрода 15 (рис. 4.1.4 и 4.1.5). В средней части биполярного электрода находится графитовая ткань 10 и диэлектрическая перегородка 16. Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, по каналу 2 подается в первую камеру разделения. В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с определенной плотностью тока. В камере разделения анионы, проникающие через прианодную мембрану 8, отводятся с пермеатом по каналам 4, а катионы, проникающие через прикатодную мембрану 9, отводятся с пермеатом по каналам 5. Далее разделяемый раствор переходит из камеры в камеру по переточным отверстиям 12, где происходит аналогичное разделение, анионы и катионы с пермеатом отводятся через прианодную и прикатодную мембраны 8. Исходный раствор, протекая по всем камерам, очищается от анионов и катионов. После разделения исходный раствор отводится по каналу 3 . Графитовая ткань является токопроводящим материалом между электродами и дренажом для отвода пермеата (рис. 4.1.4, 4.1.5). Схема ионопроводящего спейсера, состоящего из катионообменной сетки и гранул анионообменника приведена на рис. 4.1.3. Данный вариант спейсера представляет собой конструкцию из ионопроводящих сеток с объемной электропроводностью (1), в межузлия которых помещены в один ряд гранулы ионообменников (2).. Общей функцией спейсеров, заполняющих межмембранное пространство при электробаромембранном процессе является предотвращение слипания мембран, которое приводит к протеканию тока через образовавшийся контакт и прогоранию мембран, вследствие выделения большого количества Джоулева тепла. Также спейсеры, разделяющие мембраны, интенсифицируют массоперенос, так как способствуют прерыванию диффузионных пограничных слоев и турбулизации потока. Для уплотнения применяются прокладки из паронита (3). Также предусмотрены отверстия под шпильки (4). Биполярный электрод, показанный на рис. 4.1.4 состоит из двух пористых электродов - анода (2) и катода (8), графитовой ткани (3), каналов для отвода прикатодного (9) и прианодного (1) пермеата, диэлектрической перегородки (4), переточного отверстия (5), служащего для перехода разделяемого раствора из камеры в камеру, отверстий под шпильки (6), устройства для подвода постоянного электрического тока (7). В средней части биполярного электрода находится графитовая ткань, которая служит токопроводящим материалом и дренажом для отвода пермеата. Электроды должны быть выполнены из пористой нержавеющей стали, титана или никеля.
Разработка рулонного электробаромембранного аппарата
Схема работает следующим образом: слабоконцентрированный раствор анилина из ёмкости 6 насосом 8 через подогреватель 10 подаётся в ректификационную колонну 1, работающую под атмосферным давлением, где он разделяется на обогащенный анилином дистиллят и обедненный анилином кубовый остаток. Дистиллят, содержащий 50 кг/м3 анилина, поступает в сепаратор на расслоение, а далее выделенный анилин направляется по назначению. Кубовый остаток из колонны, содержащей 1 кг/м3 анилина и небольшое количество нитробензола, проходит через холодильник 4, где он охлаждается до температуры 15... 20 С и затем сливается в промежуточную ёмкость 7, откуда насосом 9 под давлением 1 .... 1,5 МПа подаётся в электроосмотический аппарат 5. На электроды аппарата 5 подается постоянное электрическое напряжение, которое обеспечивает плотность тока в элементах аппарата 30.. ..40 А/м .
Под действием перепада давления и сил электрического поля анилин и нитробензол, который может находится в растворе в ионной и молекулярной формах, вместе с водой транспортируются через прикатодную мембрану (нитробензол при этом восстанавливается на катоде до анилина) и пермеат, обогащенный анилином выводится из аппарата. Нитробензол восстанавливается до анилина в три стадии:
Раствор перемещается по всем камерам аппарата, что позволяет выделить оставшийся в нем ценный продукт. Очищенный же растворитель направляется в производственный цикл, а пермеат обогащенный анилином направляется в емкость 6.
По аналогичной схеме производится выделение морфолина из промышленных стоков. 1. Разработана конструкция плоскокамерного электробаро-мембранного аппарата. При разработке были учтены недостатки существующих конструкций: малая площадь разделения и большие энергозатраты на процесс выделения. Исходя их этого были решены следующие технические задачи: увеличение удельной площади мембран, повышение эффективности разделения и снижение энергозатрат в электробаромембранном аппарате, за счет замены средней части последовательно расположенных биполярных электродов диэлектрической перегородкой и графитовой тканью, служащей монополярным электродом и дренажом для отвода пермеата и расположения в межмембранном канале ионообменных спейсеров, состоящих из ионообменной сетки и гранул. 2. Разработана конструкция рулонного электробаромембранного аппарата. При разработке были учтены минусы существующих конструкций: низкая эффективность разделения растворов, в особенности при разделении многокомпонентных смесей электролитов, при отделении электролитов от неэлектролитов. С целью- устранения недостатков предыдущих конструкций были решены следующие технические задачи: повышение качества и эффективности разделения растворов за счет изменения конструкции аппарата: подвод раствора под давлением через перфорированную трубку, отвода ретентата дифференцированно для прикатодного и прианодного ретентата: расположения монополярных электродов внутри камеры разделения и служащих одновременно турбулизаторами раствора. 3. Разработана технологическая схема концентрирования анилина и морфолина из промышленных стоков производств органического синтеза, позволяющая выделять анилин и морфолин из промышленных стоков, а очищенную воду направлять обратно в производственный процесс: 1. Разработаны методики и конструкции плоскокамерных экспериментальных установок для исследования кинетических коэффициентов — электродиффузионного и элекроосмотического переноса, коэффициента выделения и удельного потока растворителя через прикатодные мембраны МГА-100 и ОПМ-К. 2. Получены экспериментальные данные по коэффициентам электродиффузионного и электроосмотического переноса растворенного вещества через прикатодную мембрану, коэффициенту выделения и удельному потоку растворителя в зависимости от концентрации анилина и морфолина, плотности тока и градиента давления. Отмечено повышение коэффициента выделения с увеличением плотности тока и возрастание удельного потока растворителя с повышением градиента давления. 3. Усовершенствованна математическая модель электробаро-мембранного концентрирования, которая позволяет рассчитывать концентрации веществ в пермеате и ретентате с течением времени и объемный расход растворителя по трактам пермеата и ретентата. 4. Разработана инженерная методика расчета электробаромембранных аппаратов, позволяющая определить рабочую площадь мембран и секционировать количество элементов в аппарате. Проверена адекватность разработанной математической модели путем сравнения временных расчетных и экспериментальных концентрационных зависимостей. 5. Разработаны конструкции и получены патенты на плоскокамерный (патент №2324529) и рулонный (патент №2326721 РФ) электробаромембранные аппараты. 6. Предложены технологические схемы разделения слабосодержащих анилиновых и морфолиновых растворов, позволяющие концентрировать в электробаромембранном аппарате вещества после ректификации. Предлагаемый метод позволяет повысить количество полученного из отходов продукта, снизить энергозатраты и дает возможность создания малоотходной технологии. 7. Результаты по концентрированию анилинсодержащих растворов приняты к реализации на ОАО "Пигмент" с эколого-экономическим эффектом 180 тыс. рублей в год в ценах 2008 года.
