Проблема получения пресной воды имело большое значение как для морского флота, так и для засушливых и солончаковых районов страны. Одним из новых на то время и наиболее перспективных способов обессоливания природных вод являлся электродиализ, получивший в то время широкое признание.
Сущность метода электрохимического обессоливания воды основывалась на удалении из неё ионов растворенных солей под действием постоянного электрического тока с помощью специальных катионо- и анионопроницаемых диафрагм. Последние представляют собой тонкие пленки, изготовленные соответственно из катионитовых и анионитовых смол, отличительной особенностью которых является избирательная способность для катионитовых диафрагм пропускать только катионы, а для анионитовых диафрагм - только анионы растворенных в воде солей при почти полном отсутствии диффузии молекул воды.
Рабочее вещество ионообменных диафрагм состоит из закрепленных в остове диафрагм полимерных не растворимых в воде комплексов, содержащих связанные в полимер химически активные группы: кислотные (например,- SO3H,- СООН) в катионитовых диафрагмах и основные (например, —N(CH3)3OH) - в анионитовых. Эти группы в присутствии воды ионизированы и удерживают вблизи поверхности твердой фазы силами электростатического притяжения эквивалентные количества соответствующих противоионов, свободно перемещающихся в пропитанном водой интрамнцелярном пространстве диафрагм. Сами диафрагмы в результате этого приобретают соответствующие электричег кие заряды: отрицательные в катионитовых и положительные в анионитовых диафрагмах, что придавало им свойство пропускать противоположно заряженные ионы и отталкивать ионы с одноименным зарядом.
Когда под действием постоянного электрического тока в растворе происходит направленное к электродам движение ионов солей, то катионы, встречая на своем пути катионитовые (отрицательные) диафрагмы, свободно проникают сквозь их ионную атмосферу, в то время как для анионов эти диафрагмы оказываются почти непроницаемыми. Аналогичным образом происходит проникновение анионов и задержка катионов в анионитовых (положительных) диафрагмах.
Рис. 1. Устройство для электрохимического обессоливания воды
Устройство для электрохимического обессоливания воды, схематически представленное на рис. 1, состоит из ванны 1 разделенной на ряд камер с чередующимися катионопроницаемыми 2 и анноно-проницаемыми 3 диафрагмами
В крайних камерах помещаются катод 4 и анод 5. После заполнения ванны обессоливаемой водой и включения постоянного электрического тока ионы растворенных в воде солей устремляются к соответствующим электродам. При этом во всех нечетных камерах (1, 3, 5, 7, 9) положительно заряженные катионы (например. Na+1, Са +2, Mg +2) при движении к катоду встречают на своем пути катионопроницаемые диафрагмы и проходят сквозь них в соседние четные камеры ванн (2, 4, 6, 8). Аналогичным образом в эти же камеры проникают из нечетных камер через анноно-проницаемые диафрагмы и анионы растворенных солей (например, Cl -1, SO4-2, НСО3-1).
Дальнейшее движение ионов в четных камерах изменяется. Здесь они встречаются уже с одноименно заряженными диафрагмами: катионы - с положительными, анионы - с отрицательными, и, отталкиваясь от них, остаются в этих камерах. В результате во всех нечетных камерах ванны вода обессоливается, а в смежных четных камерах происходит накопление солей, поступающих из соседних нечетных камер.
По сравнению с другими на тот момент распространенными способами снижения солесодержания воды, такими, как дистилляция и химическое обессоливание, электрохимический метод имел преимущества, заключающиеся в непрерывности и равномерности процесса.
Если при дистиллировании нужно было затрачивать энергию на подогрев больших масс воды, ее испарение и последующую конденсацию, то при электрохимическом методе почти вся энергия идет на непосредственный вывод солей из раствора.
Область целесообразного применения химического обессоливания обычно ограничена соленостью исходной воды не выше 2000-3000 мг/л, в то время как электрохимический метод являлся вполне экономически выгодным при обессоливании более соленых и даже морских вод. Из всех способов получения пресной воды электрохимическим метод являлся наиболее удобным и рентабельным для применения в засушливых солончаковых местностях и на морских побережьях, лишенных пресной воды, особенно в связи с намеченными перспективами широкого электроснабжения всех районов страны. Использование дешевой электроэнергии давало возможность получать опресненную воду по стоимости в среднем не дороже воды городских водопроводов. Преимущества непосредственного использования электроэнергии делало метод электрохимического обессоливания также весьма удобным для применения его на судах морского флота.
Основные принципы электрохимического обессоливания воды, были известны уже в течение многих лет, не могли быть осуществлены из-за трудностей, возникавших при изготовлении необходимых для этой цели ионообменных диафрагм в виде тонких и прочных пленок. Только с развитием производства пластических масс оказалось возможным создать на их основе катионитовые и анионитовые диафрагмы, отвечающие основным требованиям процесса электрохимического обессоливания воды.
На протяжении трех четырех лет (1956-1959) у нас и за рубежом велись исследовательские и производственные работы в области усовершенствования конструкций электрохимических обессоливающих аппаратов и получения высококачественных ионообменных диафрагм.
Первая в Советском Союзе промышленная установка для электрохимического обессоливания морской воды, была спроектирована и изготовлена в Черноморском пароходстве, где была смонтирована на пароходе «Тула». Производительность ее составляет 500 л/час при обессоливании морской воды от начального солесодержания 17 000 мг/л до конечного 300 мг/л.
Установка (рис. верху) состояла из осветлительного фильтра, 16 обессоливающих аппаратов, объединенных в четыре блока, 2 циркуляционных насосов, распределительного электрощита и баков обессоливаемой воды и рассола.
Все оборудование было размещено на судне в твиндеках правого борта над машинно-котельным отделением и получало питание от судовой электростанции.
Электрохимические обессоливающие аппараты модели ЭХО-З-ЧГМП с вертикальным направлением электрического поля работали при напряжении постоянного тока на электродах 120 в. Они представляют собой сборки фильтропрессового типа с параллельным включением всех рассольных н обессоливающих камер. Сборка аппарата состоит из 165 рабочих и 2 электродных камер, в которых помещены магнетитовый анод и катод из нержавеющей стали. Ионитовые диафрагмы, установленные в аппаратах, имеют толщину 0,5 мм. Каждая ионитовая диафрагма помещалось между поддерживающими сетками из перфорированного винипласта.
Проточная часть рабочих и электродных камер была выполнена в виде лабиринта, направляющего воду по зигзагообразному пути и обеспечивающего турбулентность потока.
Электродные камеры были отделены от рабочих камер инертными диафрагмами из микропористого винипласта. Промывка электродных камер производилась отдельным потоком морской воды, проходящим последовательно через анодную, а затем катодную камеру каждого аппарата.
Вся сборка аппарата была зажата между стальными крышками четырьмя стяжными болтами. Подвод и отвод обессоливаемой воды и рассола осуществлялся через верхнюю крышку аппарата винипластовыми патрубками, которые с помощью накидных фланцев соединяются с внешними трубопроводами.
Рис. 3. Электрохимическая установка парохода Тула
Электрохимическая установка парохода «Тула» работала по схеме порционного обессоливания воды (рис. 3). По этой схеме исходная морская вода, подавалась насосом общего подъема в обессоливающую установку, подвергалась очистке в осветлительном фильтре, загруженном дробленым антрацитом, и поступала в баки обессоливаемой воды 1 и рассола 2.
Установка имела два основных гидравлически независимых циркуляционных контура - рассольный и обессоливательный, которые обслуживались двумя самостоятельными центробежными электронасосами 3 и 4. Порция обрабатываемой воды одного из баков прокачивалась электронасосом по обессоливательному тракту электрохимических аппаратов 5 и многократно циркулировала в замкнутом контуре до тех пор, пока не была достигнута необходимая глубина обессоливания. На этом цикл обессоливания заканчивался, полученная вода спускалась в цистерну котельно-питательной воды, а в обессоливательный контур включался второй бак для обработки следующей порции воды.
Необходимая концентрация циркулирующего рассола поддерживалась путем непрерывной продувки бачка 2 и подпитки его свежей исходной водой. При емкости баков 2 м3 цикл обессоливания одной порции воды длится о кип о четырех часов. Вода, вырабатываемая установкой, имеет следующие конечные показатели: общее солесодержание 200 + 400 мг/л, жесткость общая 0,3 : 0,6 мг-экв/л. По общему солесодержанию такая вода находилась на уровне пресной воды с малой степенью минерализации, а по жесткости равноценна судовому дистилляту. Удельный расход электроэнергии при получении воды указанного качества составляла 15-18 квт-ч на 1 м3.
Таким образом, при применении на судах электрохимического метода обессоливания вместо каждой тонны запаса пресной воды было достаточно взять 10-12 кг дизельного топлива, что позволяло намного увеличить полезную грузоподъемность судов.
В 1959 году в Черноморском пароходстве велась работа по созданию и массовому внедрению на флоте типовых электроопреснительных аппаратов, которые также были использованы в береговых условиях для установок различной производительности от 5 до 100 т в сутки.
Конструктивное и технологическое усовершенствование электрохимического метода обессоливания воды давало возможность широко распространить его как на морском флоте, так и в других отраслях народного хозяйства.
