Экология/4.Промышленная экология и медицина труда

Козадерова О.А., Ким К.Б., Дивотченко К.А., Матчина К.С., Пискова М.А.

Воронежский государственный университет инженерных технологий, Россия

ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОТЫ И ЩЕЛОЧИ ИЗ СУЛЬФАТА НАТРИЯ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗОМ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ БИПОЛЯРНЫМИ МЕМБРАНАМИ

Одним из конечных продуктов процесса переработки лома свинцовых аккумуляторов является высококонцентрированный раствор сульфата натрия. Перспективным способом дальнейшей переработки таких растворов может служить конверсия этой соли в кислоту и щелочь методом электродиализа с биполярными мембранами.

Биполярная мембрана представляет собой плотно соединенные катионо- и анионообменные слои. В процессе электродиализа внутри биполярной мембраны под действием внешнего электрического поля происходит диссоциация молекул воды. Основной недостаток отечественных промышленных биполярных мембран - высокое рабочее напряжение на мембране.

Цель работы - проведение модификации биполярной мембраны МБ-2И гидроксидом хрома сорбционным и электрохимическим способами для улучшения электрохимических характеристик, подбор оптимальных соотношений скорости подачи солевого раствора и растворов кислоты/щелочи, при котором выход целевого продукта максимален.

Сорбционный способ модификации заключался в том, что мембрана помещалась сначала в раствор соли хрома, затем в раствор щелочи. Электрохимическая модификация проводилась в электродиализной ячейке (рис.1.), катионы хрома и анионы гидроксила проникали в мембрану под действием электрического тока. И в том, и в другом случае на границе катионо- и анионообменного слоев образовывался тонкий слой гидроксида хрома, который является катализатором диссоциации молекул воды.

Рис.1. Получение модифицированной биполярной ионообменной мембраны электрохимическим введением гидроксида хрома (III) в биполярную область.

Для оценки электрохимических характеристик модифицированных мембран проводили конверсию сульфата натрия (0,5 М) в кислоту и щелочь. Эксперимент проводили в пятисекционной электродиализной ячейке (рис.2.) с применением мембран МК-40, МА-41, МБ-2И (ОАО «Щекиноазот»). Диапазон плотности тока (i) выбирали таким образом, чтобы на мембране не достигалась предельная диффузная плотность тока. В нашем случае достижение предельного значения на мембранах в секции обессоливания

(i_lim) приведет к диссоциации воды на границе мембрана – раствор, и образовавшиеся ионы Н⁺ и ОН^- при перемещении в секцию концентрирования будут уменьшать концентрацию кислоты или щелочи.

Эксперимент показал, что модификация мембран не влияет на концентрацию получаемых кислоты и щелочи, но способствует уменьшению энергозатрат на производство целевого продукта; наиболее низкое напряжение на ячейке характерно для биполярных мембран, полученных сорбционной модификацией (рис.3.).

Рис.2. Пятисекционная электродиализная ячейка

1

2

3

б)

а)

3

2

1

Рис.3.а) Зависимость удельной электроэнергии от безразмерной плотности тока (i* = i/i_lim) при электродиализе с биполярными мембранами: 1 – без модификации; 2 – электрохимическая модификация; 3 – сорбционная модификация; б) Изменение концентрации кислоты при электродиализе, V₁ и V₂- скорости подачи растворов сульфата натрия и кислоты соответственно: 1) V₁/V₂ = 1:1; 2) V₁/V₂ = 3:1; 3) V₁/V₂ =10:1.

Максимальные значения концентрации кислоты и щелочи, полученные при электродиализе, составляют: С(NaOH) = 0,12 моль/л; C(H₂SO₄) = 0,045 моль/л. Это достигается в том случае, когда скорость подачи солевого раствора в десять раз превышает скорость подачи растворов в смежные секции. Увеличение скорости подачи соли позволяет работать при более высокой плотности тока, что способствует увеличению интенсивности диссоциации воды внутри биполярных мембран.