Обессоливание и опреснение воды

Под обессоливанием воды понимают процесс снижения содержания растворенных в ней солей до требуемой величины прокаленного растворенного остатка.

Различают частичное и полное обессоливание. Частным случаем обессоливания воды является опреснение, в результате которого величина солесодержания в очищен­ной воде не превышает 1000 мг/л.

Полное обессоливание обеспечивает получение в процессе обработки воды, близ­кой по качеству к дистиллированной, используемой в большинстве случаев для питания барабанных и прямоточных паровых котлов ТЭЦ и ГРЭС.

К наиболее распространенным методам обессоливания воды относятся: ионный обмен, электродиализ, обратный осмос и дистилляция. Выбор метода обессоливания определяется производительностью установки, качеством исходной и очищенной воды и осуществляется на базе технико-экономического сравнения вариантов. Ориентировоч­но, при общем солесодержании воды до 1,5-2 г/л, рекомендуется применять ионообмен­ный метод, 1,5-15 г/л - электродиализ или обратный осмос, более 10 г/л - дистилляцию и до 40 г/л - обратный осмос.

Ионообменный метод обессоливания воды основан на способности ионитов обме­нивать ионы Н⁺ и ОН^-, С0₃^2-, НС0₃^- соответственно на катионы (Са²⁺, Mg²⁺и Na⁺) и анионы (S0₄^2-, Сl^-, Si0₃^2-) растворенных в воде солей и реализуется путем последова­тельного пропуска обрабатываемой воды через Н-катионитовые фильтры:

2Н[К] + Са(НС0₃)₂ ↔ Са[К]₂+ С0₂↑ + Н₂0,

2Na[K] + Na₂S0₄↔ 2Na[K] + H₂S0₄,

H[K] + NaCl ↔ Na[K] + HCl,

и ОН, C0₃ или НС0₃ -анионитовые фильтры, в которых процесс обмена может быть представлен следующими уравнениями реакций:

[А] ОН + NaCl ↔ [А]Сl + Н₂0,

2[А]ОН + H₂S0₄ ↔ [A]₂S0₄ +2Н₂0,

[А]₂СО₃ + H₂S0₄ ↔ [A]₂S0₄+ C0₂↑ + Н₂0,

[А]НС0₃+ НСl ↔ [А]Сl + C0₂↑ + Н₂0.

Схема установки для обессоливания воды

1 - Н-катионитовые фильтры; 2 - анионитовые фильтры; 3 - буферный Ыа-катионитовый фильтр; 4 - дегазатор; 5 - вентилятор; 6 - промежуточный бак; 7 - насос.

Схема установки для полного обессоливания воды с двухступенчатым катионированием и анионированием

1 - Н-катионитовые фильтры; 2 - анионитовые фильтры первой ступени (со слабоосновным ани­онитом); 3 - Н-катионитовые фильтры второй ступени; 4 - анионитовые фильтры второй ступени (с сильноосновным анионитом); 5 -дегазатор; 6 - вентилятор; 7 - бак для сбора частично обессо­ленной воды; 8 - насос.

Условия применения технологических схем обессоливания ионным обменом

Схема ионитового обессоливания воды	Исходная вода					Обработанная вода
	общее солесодержа- ние, мг/л	S02A++Сl-, мг-экв/л	взвешен­ные веще­ства, мг/л	цветность, град	перманганат- ная окисляе- мость, мг02/л	общее солесо- держание, мг/л	кремнекис- лота, мг/л
Одноступенчатая: Н-катионитовый фильтр, анионитовый фильтр со слабоосновным анионитом, дегазатор	1500-2000	Не более 5	Не более 8	Не более 30	Не более 7	Не более 20	Не снижается
Двухступенчатая: Н-катионитовый фильтр I ст., анионитовый фильтр со слабоосновным аниони­том I ст., Н-катионитовый фильтр II ст., дегазатор; анионитовый фильтр с сильноосновным анионитом II ст.	1500-2000	Не более 5	Не более 8	Не более 30	Не более 7	Не более 0,5	Не более 0,1
Трехступенчатая: дополни­тельно к двухступенчатой схеме фильтр со смешанной загрузкой из высококислот­ного катионита и высокоос­новного анионита (ФСД)	1500-2000	Не более 5	Не более 8	Не более 30	Не более 7	Не более 0,1	Не более 0,02

В зависимости от требований, предъявляемых к очищенной воде, раз­личают одно-, двух- и трехступенчатые схемы ионитового обессоливания воды. Кроме фильтров, являющихся основным оборудованием ионитовых установок, в состав по­следних входят дегазаторы для удаления избыточной углекислоты, баки для взрыхления катионитовой и анионитовой загрузки, бак для сбора воды после дегазатора, насосное и воздуходувное оборудование и реагентное хозяйство для обеспечения регенерации ио­нитовых фильтров. Вода, подаваемая на обессоливающие установки, должна быть пред­варительно очищена от механических примесей и органических веществ. При окисляе­мости воды более 7 мг0₂/л в технологической схеме должно быть предусмотрено уст­ройство фильтра с активированным углем. Суммарное содержание в такой воде сульфа­тов и хлоридов не должно превышать 5 мг-экв/л.

Расчет Н-катионитовых фильтров I и II ступени производится по данным таблицы ранее аналогично, как и для водоумягчительных установок.

Технологические параметры Н-катионитовых фильтров

Показатель	Н-катионитовый фильтр
	I ступени	II ступени
Высота слоя катионита, м	2,5	1,5
Полная обменная емкость по паспортным данным, г-экв/м3, либо при их отсутствии при загрузке фильтра:
-сульфоуглем	500
-катионитом КУ-2	1500-1700
Рабочая обменная емкость, г-экв/м3	По расчету
Скорость фильтрования, м/ч	10-25	До 50
Взрыхление катионита:
-интенсивность подачи воды, л/с м2	4-5	8-10
-продолжительность промывки, мин	20-30	20-30
Регенерация катионита:
-удельный расход серной кислоты, г-г/экв	По рис. 15.37	100
-скорость фильтрования, м/ч	Не менее 10	Не менее 10
-концентрация регенерационного раствора, %
-при загрузке сульфоуглем	1-1,5	1-1,5
при загрузке катионитом КУ-2	1-3 3-6
Отмывка катионита:
-удельный расход отмывочной воды, м3 /м2 катионита	5-6	10
-продолжительность отмывки, мин	30-60
-продолжительность регенерации и отмывки, ч		2,5-3

Отмывку фильтров II ступени следует производить водой, прошедшей через анионитовые фильтры I ступени.

Воду от отмывки катионитовых фильтров II ступени следует использовать для взрыхления Н-катионитовых фильтров I ступени и приготовления для них регенерационного раствора.

Для анионитовых фильтров II ступени величину рабочей обменной емкости, г-экв/м³, определяют по формуле

Ep.II=Eкр-0,5qCSiO32-

Фильтр смешанного действия

1- подача обрабатываемой воды; 2- отвод обрабатываемой воды; 3 - подвод раствора щелочи; 4 - подвод раствора кислоты; 5 - подвод осветленной воды; 6- подвод сжатого воздуха; 7 - дренаж; 8- отвод воздуха.

Для обслуживания Н-катионитовых и анионитовых фильтров обессоливающих ус­тановок предусматривают устройство кислотного и щелочного (содового) хозяйства.

Для анионитовых фильтров в составе одноступенчатой схемы обессоливания реко­мендуется использовать в качестве реагента кальцинированную соду, гидрокарбонат на­трия или гидроксид натрия, а для фильтров в составе двухступенчатой схемы обессоли­вания возможно использование одного гидроксида натрия.

Технологические параметры работы фильтров ФСД

Показатель	ФСД
Высота слоя, м
-катионита	0,6
-анионита	0,6
Скорость фильтрования, м/ч	40-50
Количество фильтров, шт, не менее	3
-рабочих	2
-резервных	1
Регенерация загрузки:
-удельный расход 100%-ной серной кислоты, кг, на 1 м3 катионита	70
-удельный расход 100%-ного едкого натрия, кг, на 1 м3 анионита	100
-удельный объем воды, тыс. м3, на 1м3 смеси ионитов, профильтрованной через загрузку, при достижении которого следует предусматривать регенерацию ФСД	10-12

Подбор ионитов осуществляют таким образом, чтобы во влажном состоянии насыпная масса анионита была меньше, чем катионита.

Отмывку катионита следует сочетать с регенерацией анионита.

В состав щелочного хозяйства входят: бак для растворения твердого гидроксида на­трия или для приема раствора из контейнеров; цистерна для хранения запаса концент­рированного раствора гидроксида натрия; расходный бак раствора NaOH; мерник; на­сосное оборудование.

Схема щелочного хозяйства

1 - бак для растворения твердого едкого натра и для приема раствора едкого натра из контейне­ров; 2 - воронка для слива раствора едкого натра из контейнеров; 3 - подвод воды для растворе­ния едкого натра; 4 - насос; 5 - цистерна для хранения запаса концентрированного раствора ед­кого натра; 6 - сифон для заполнения цистерны; 7 - расходный бак раствора едкого натра; 8 - мер­ник; 9 - насос; 10 - насос-дозатор; 11 - трубопровод с водой, в котором образуется раствор едко­го натра; 12 - вакуум-насос; 13 - расходомер.

Вода, подаваемая на установки, должна характеризоваться следующими показате­лями: мутность - менее 0,3 мг/л; общее содержание гуминовых веществ (по перманганатной окисляемости) - не более 10 мг0₂/л; железо (Fe³⁺) - не более 0,05 мг/л.

Для обеспечения требуемого качества воды и предотвращения снижения произво­дительности вследствие забивания пор мембран взвешенными частицами, коллоидами и солями, выпавшими в осадок в процессе обессоливания, необходимо предусматривать предварительную обработку природных вод.

Выбор технологической схемы предподготоьки воды зависит от производительно­сти установки, источника водоснабжения, характеризующегося определенным составом примесей, и частично - от типа применяемых мембранных модулей.

Возможные варианты предподготовки воды рассмотрены ниже.

1. Поверхностные воды:

хлорирование → коагуляция → осаждение → фильтрование через зернистую за­грузку.

2. Вода повышенной жесткости:

известково-содовое умягчение → фильтрование через зернистую загрузку;

3. Вода с низким содержанием солей жесткости:

фильтрование через песчаную загрузку → фильтрование через цеолитовую загрузку.

В состав обратноосмотических установок, помимо мембранного аппарата, входят: насос; оборудование для предварительной и последующей обработки воды; баки для рас­твора и фильтрата; датчики и приборы автоматического управления и контроля; механи­ческий фильтр; соединительная и регулирующая арматура; элементы крепления и т.д.

Технологические характеристики существующих мембранных аппаратов для обратного осмоса, применяемых в водоподготовке, в частности для обессоливания и опреснения морских и солоноватых вод, приведены в таблице.

Типы аппаратов	Технологические характеристики мембранных аппаратов
	производительность, м3/сут	удельная поверхность мембран (плотность упаковки), м2/м3
Аппарат с плоскокамерными фильтрующими элементами (ПФЭ)	Дo12	60-300
Аппарат с трубчатыми фильтрующими элементами (ТФЭ)	5000-6000	60-200
Аппарат с фильтрующими элементами рулонного типа (РФЭ)	2-10000	300-800
Аппараты с плоскими волокнами (ФЭВ)	5-5000	20000-30000, наружный диа­метр волокон - 45-200 мкм

Основным элементом аппаратов для осуществления процесса обратного осмоса яв­ляются полупроницаемые мембраны (пористые и непористые), для получения которых используют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др.

Широкому промышленному использованию электродиализного метода мешает ряд ограничений эксплуатационного характера. К этим ограничениям относятся: «от­равление» анионообменных мембран органическими веществами, содержащимися в природных водах; «отравление» катионообменных мембран железом, марганцем, при­сутствующими в природных водах; выпадение в осадок карбоната кальция, гидрата оки­си магния и (реже) гипса в результате работы электродиализного аппарата в условиях поляризации; работа установки при предельных плотностях тока ниже оптимальных, что приводит к повышению себестоимости деминерализации воды; высокие капиталь­ные затраты и эксплуатационные расходы на отдельные компоненты промышленных электродиализных установок, включая заменяемые прокладки и мембраны.

Обработка воды производится в электродиализаторах - аппаратах, представляю­щих собой систему рабочих ячеек (дилюатных и рассольных камер), каждая из которых содержит мембраны противоположной полярности, разделенные лабиринтно-сетчатыми перегородками-прокладками или корпусными рамками с закладкой либо вваривае­мой сеткой. Прокладки и корпусные рамки с сеткой выполняют двойную функцию: на­правляют течение жидкости между мембранами и создают турбулентность потока, по­вышающую эффективность процесса.

Эта система находится между двух электродов, погруженных в электролит. Они поддерживают постоянное напряжение. На электродах происходит электрохимическая реакция, которая трансформирует электронный ток в ионный: ионы водорода Н⁺ восста­навливаются на катоде до молекулярного водорода Н₂ и выделяются в виде газа, а ионы гидроксила ОН^- и хлор-ионы Сl^- окисляются на аноде до хлора Сl₂ и кислорода 0₂ и также выделяются в виде газов.

Для осуществления электродиализа требуется только электрический ток и незначи­тельное количество реагентов (кислоты, щелочи, фосфатов).

Перед электродиализными аппаратами необходима глубокая очистка воды от орга­нических веществ, соединений железа и других загрязнений. Очистка воды от взвешен­ных веществ осуществляется известными методами (коагуляцией, отстаиванием, филь­трованием, содоизвесткованием и др.). Особенно эффективно применение перед элек­тродиализными установками ультрафильтрации и фильтрования воды через специаль­ные фильтровальные патроны.

Принцип устройства электродиализной ячейки

1 - рассольная камера; 2 - камера обессоливания; 3 - анионообменная мембрана; 4 - катионообмен­ная мембрана.

На рисунке показана схема электродиализного аппарата. Камеры 1 и 2 образованы мембранами - анионооб­менными А и катионообменными К. Анионообменные мембраны пропуска­ют только анионы, катионообменные - только катионы. Катионы перемещают­ся по направлению электрического то­ка, поэтому они могут выйти из камер 2, проходя через катионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1, так как встречают анионообменные мембраны. Анионы перемещаются по направлению, противоположному на­правлению электрического тока; они тоже могут выйти из камер 2, проходя через анионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1, так как катионообменные мембраны преграждают им путь. Таким образом, камеры 2 получили название дилюатных, а камеры 1, обогащающиеся солями, - рассольных.

На рисунках ниже представлены различные технологические схемы электродиа­лизных установок.

В состав таких установок входят ионитовые мембраны, получаемые из ионообмен­ных смол (ионитов). В зависимости от технологии изготовления различают гомогенные, гетерогенные и проточные мембраны.

Технологическая циркуляционная схема электродиализной установки

трубопроводы: I - исходной воды; II — дилюата; III — рассола; IV — промывного раствора; V — опресненной во­ды; VI - кислоты; VII - сжатого воздуха. 1 - фильтр предварительной обработки воды; 2 - мерник; 3 - бак ре­агента (кислоты); 4 - компрессор; 5 - фильтр с АУ; 6 - электродиализатор; 7-9 - насосы; 10 - рассольный бак; 11 - питательный бак.

Мембраны с селективной проницаемостью, используемые для электродиализа, со­держат ионогенные группы положительных ионов (анионообменные мембраны) или ионогенные группы отрицательных ионов (катионообменные мембраны). В электриче­ском поле в водном растворе анионообменная мембрана обеспечивает прохождение только анионов, а катионообменная мембрана - только катионов.

Технологическая прямоточная схема электродиализной установки

трубопроводы: I — исходной воды; II - дилюата; III — рассола; IV — сбросной воды; V — опресненной воды; VI - электрическая сеть. 1 - металлокерамический фильтр; 2 - выпрямитель; 3 - узел переполосовки; 4 - электродиалезный аппарат; 5 - фильтр с АУ; 6 - ротаметр

Мембраны должны обладать высокими селективностью, электропроводностью, диффузионным сопротивлением, достаточной механической прочностью и стойкостью по отношению к рабочей среде.

Ионообменные селективные мембраны выпускает небольшое число предприятий и фирм России, Японии, США и других стран. Изготавливают мембраны трех типов: гете­рогенные, гомогенные, биполярные. Характеристики отдельных мембран, выпускаемых отечественной промышленностью и зарубежными фирмами, приведены в таблице.

Мембраны	Толщина	Обменная способность	Удельное поверхностное сопротивление в 0,1 н. растворе NaCl	Число переноса в 0,1 н. растворе
1. Катионитовые гетерогенные
МК-40 Щекинского химкомбината (по ТУ II-336-64)	0,7	2,3	30	0,93
-Гомогенные
Анкалит К-2	0,6-0,7	2	8-10	0,95
МК-100	0,3	2,8	2,5-5	0,97
РМК-100	0,3	1,88	6,3	0,96
2. Анионитовые
МА-40 Щекинского химкомбината (по ТУ II-336-64)	0,7	3	35	0,93
-Гомогенные:
Анкалит А-4	0,6	3,5	8-15	0,93
МА-41	0,6	2,5	9-12	0,93
МА-100	0,3	2,3	5-6	0,97
Фирма Асахи Кемикал	0,1	5	1	-

1. 1. Мембранный потенциал для ионитовых мембран равен около 0,05 в при концентрациях растворов NaCl 0,1 н. с одной стороны мембраны и 0,01 н. с другой.
2. 2. Перенос воды составляет 0,01-0,3 мл/см²*ч при плотности тока 0,01 А/см²

Расчет электродиализных установок сводится к определению числа ступеней оп­реснения и количества параллельно работающих аппаратов; площади мембран и их ко­личества; напряжения и силы постоянного тока, подводимого к ваннам установки; по­терь напора в камерах опреснения, системах распределения и сбора внутри аппарата, подающих и отводящих трубопроводах диализата и рассола.