Объекты исследования и методика эксперимента

Объектами исследования являлись щелочная и кислотная камеры электродиализатора (рис. 1), образованные гетерогенными биполярными мембранами МБ-3 и анионообменной мембраной МА-40 (производства ОАО «Щекиноазот», Россия). Рабочая длина канала составляла 40 см, ширина — 10 см, межмембранное расстояние — 0,8 мм, между мембранами располагался турбулизирующий поток сепаратор. Аппарат содержал 10 парных камер. Исследовался процесс электродиализной коррекции рН умягченной воды гидрокарбонатного класса, состав которой представлен в таблице 1. Процесс проводился в гальваностатическом режиме при трех различных объемных скоростях протока раствора (W=5, 10 и 15 л/час) через кислотную и щелочную камеры электродиализатора (линейные скорости — 2,5, 5 и 7,5 см/с соответственно). Концентрации карбонатного, гидрокарбонатного иона и угольной кислоты в анализируемых растворах определялись кислотно-основным титрованием с потенциометрической индикацией точки эквивалентности. Концентрации хлорид-ионов и сульфат-ионов определялись методом жидкостной хроматографии. Все измерения проводились при достижении стационарного состояния в электродиализной ячейке, о наступлении которого судили по равенству суммарной концентрации хлориди сульфат-ионов на входе в кислотную (1) и щелочную (2) камеры их суммарной концентрации на выходе из этих камер, а также по равенству суммарной концентрации всех форм угольной кислоты на входе и выходе указанных камер.

Рисунок 1 Схема элементарного звена электродиализатора для исследования коррекции рН умягченной воды. 1 — кислотная камера, 2 — щелочная камера Таблица 1 Компонентный состав исходной умягченной воды.

Процесс электродиализа умягчённой воды осложнён химическими реакциями с участием однои двухзарядных ионных форм угольной кислоты при изменении рН в кислотной и щелочной камерах. В присутствии гидрокарбонатных ионов в умягчённой воде их взаимодействие с ионами гидроксила и водорода, образующимися в биполярной мембране, описывается реакциями, характеризующимися соответствующими константами равновесия:

HCO3- + OHCO32- + H2O, (1).

HCO3- + H3O+ H2CO3 + H2O, k1=4,5*10−7 М (2).

HCO3- + H2О CO32- + H3O+ k2=4,8*10−11 М (3).

Кроме того в умягченной воде содержится значительное число сульфат-ионов, присутствие различных форм которых также зависит от рН. При рН < 4 в умягченной воде наряду с сульфат-ионами (SO42) — присутствуют также ионы гидросульфата (HSO4-). В этом случае расчет концентраций осуществляется на основе реакции диссоциации серной кислоты (по двум ступеням):

H2SO4 H+ + HSO4- Kд1=1103 М (4).

HSO4- H+ + SO42- k3=1,15*10−2 М (5).

При расчете концентрации всех компонентов, присутствующих в щелочной и кислотной камерах электродиализной ячейки с длиной канала 10 см вполне можно воспользоваться простой кинетической моделью, предложенной в работе [9]. При длинах 40 см и больше необходимо использовать более сложные математические подходы.