Меню Рубрики

Установки химического обессоливания воды

Обессоливание воды: методы и установки

Ученые считают, что человечество пришло к периоду, когда за пресную воду будут вспыхивать конфликты. Решить эту проблему можно только одним способом — найти оптимальный метод обессоливания воды.

Что такое обессоливание воды

Любая жидкость в своем составе имеет определенную долю солей, микроорганизмов, минералов. Очищение природной или водопроводной воды выводит из нее вредные вещества. Но иногда она в составе имеет большое количество солей, которые делают ее непригодной для употребления.

Обессоливание воды – это снижение концентрации растворенных в ней солей. Процедура может носить тотальный характер, когда жидкость лишается любого соляного содержания или частичный, когда в ней остается заданное количество соли.

Методы

Полное обессоливание проводится следующими способами:

  • Дистилляция, термический способ.
  • Методом ионного обмена.
  • Методом электродиализа.
  • Мембранным обратным осмосом.

Частичное удаление соли достигается при применении таких способов:

  • Известкование.
  • Баритовое умягчение.
  • Н-катионирование.
  • Вымораживание.

Методы обессоливания воды требуют затрат как финансовых, так и энергетических. Выбор способа обработки зависит от степени содержания соли в первоначальной жидкости, производительности установки, затрат на составляющие процесса (тепло, электроэнергия, реагенты). Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и происходит при помощи технических средств.

Частичное обессоливание

Лишенная всех примесей вода применяется во многих производственных процессах и необходима для внутреннего употребления очень ограниченному числу людей. Для бытовых нужд требуется деминерализация воды до определенной степени. Чаще всего происходит умягчение жидкости методом катионирования.

В процессе происходит замена жестких солей на катионы водорода, которые, в свою очередь, вступая в реакцию, разрушают бикарбонатные ионы. Продукты образуют соединение, которое выводится в виде газа. Степень очистки оценивается по количеству выведенного карбоната кальция.

Дистилляция воды

Обессоливание воды с помощью метода дистилляции — самый старый и распространенный на сегодняшний день способ. Плюсом является его всеобщая доступность, а минусом – дороговизна процесса. Для получения воды без примесей используют дистилляторы. Они представляют собой испарители нескольких типов, разница между которыми состоит в конструкции, виде используемой энергии. Наиболее распространенные – паровые и электрические аппараты, отличающиеся дороговизной и большим потреблением энергоресурсов.

Аппарат представляет собой котел (или несколько котлов) низкого давления, где жидкость превращается в пар и отделяет концентрат солей. Чтобы вода получила максимальную очистку, в аппарате достигается температура медленного кипения. При таком режиме тяжелые примеси не попадают в конденсирующийся дистиллят. Одним из вариантов уменьшения стоимости является увеличение количества ступеней, но такая установка влечет крупные первоначальные инвестиции.

Оборудование для дистилляции помимо потребления большого количества энергии обладает внушительной стоимостью всех частей. Обеспечить высокую степень чистоты могут дорогостоящие трубы, арматура, теплообменники, испарители, сделанные из кварца или платины. Другие материалы непригодны.

Электрохимический метод

Суть метода заключается в пропуске воды через электрическое поле, при этом происходит перенос ионов солей – катионы распределяются в сторону катода, а анионы — к аноду. Система имеет три отсека, которые образуются при помощи катодной и анодной диафрагм. В срединном отсеке находится вода, подготовленная к обессоливанию.

Через поток пропускают постоянный электрический ток, при помощи которого происходит сортировка солей на катодную и анодную диафрагмы. Метод является очень дорогостоящим по затратам на оборудование и издержкам на электроэнергию, в связи с чем не получил распространения.

Ионный обмен

Наиболее надежный способ, которым достигается обессоливание воды, – метод ионного обмена. Осаживание примесей таким способом позволяет получить более чистую жидкость за короткий срок, что важно при промышленном обессоливании. Способ является наиболее экономически выгодным и дает лучший результат очистки.

Метод основывается на удалении из жидкости катионов и анионов солей, в результате очистки можно достичь разной степени деминерализации, вплоть до полного удаления солевых агентов. Обессоливание воды ионным обменом происходит при участии ионитов, которые представляют собой нерастворимые в воде полимеры, содержащие подвижный ион. При созданных условиях подготовленный полимер вступает в реакцию обмена с ионами солей того же знака. Помещенные в водную среду иониты набухают, увеличиваясь в размере в 1,5-2 раза.

По мере прохождения времени иониты собирают растворенные в воде соли и уплотняются. Насыщенные иониты регенерируют, после чего проводят их очистку. Продукты, полученные из насыщенных ионитов, называются «элюаты», в их состав входят растворы солей и щелочей. Часть из них являются ценными веществами, поэтому их утилизируют как ценные компоненты.

Обратный осмос

Технический прогресс и начавшая наблюдаться нехватка пресной воды рождают новые технологии опреснения и обессоливания. Популярным способом становится метод обработки обратным осмосом, надежность ему гарантирует развитие мембранных технологий. Промышленный интерес вызван сравнительно низкими энергозатратами. Большая часть аппаратов этого принципа используются для доочистки речной воды, где их эффективность многократно доказана.

Читайте также:  Установка ifly boeing 747

Для бытового использования установки для обессоливания воды, основанные на принципе обратного осмоса, пригодны как в плане энергозатрат, так и по качеству получаемого продукта. В основе принципа обратного осмоса лежит пропускание воды под давлением через мембрану, которая непроницаема для растворенных солей и других примесей. Процесс обессоливания воды обеспечивают синтетические полупроницаемые мембраны, которые не могут задержать некоторые растворенные в воде газы (хлор, углекислота и пр.).

Метод обратного осмоса очищает воду от всех примесей, происходит полная деминерализация, что вредно для человеческого организма. В большинстве случаев обывателю приходится выбирать между водопроводной водой или обработанной при помощи какого-либо фильтра. Меньшим злом является вода, лишенная всех природных компонентов.

На сегодняшний день в некоторых странах уже существуют заводы по производству питьевой воды, где для обессоливания используют метод обратного осмоса, и в качестве дополнительной доочистки из нее выводят растворенные газы. Чтобы придать ей нормальное состояние, приближенное к естественному, на предприятиях в очищенную воду добавляют необходимые соли в выверенной концентрации.

Плюсы и минусы основных методов

Каждый из методов обессоливания воды имеет как положительные, так и отрицательные качества. Рассмотрев их подробно, можно понять, какому из них отдать предпочтение:

  • Ионный обмен помогает получить наиболее чистую воду, система надежна и не реагирует на степень минерализации исходной жидкости, требует небольших затрат на оборудование. Процесс обессоливания происходит при минимальных потерях расхода воды. К минусам метода относится стремительное загрязнение окружающей среды вредными химикатами, высокая стоимость самих реагентов, система быстро загрязняется и требует частой замены фильтров. Утилизация отходов и фильтрующих частей сопряжена со сложностями.
  • Дистилляция. Установки для обессоливания воды, основанные на термическом методе, используются без применения химических веществ, демонстрируют хорошее качество полученной жидкости, выделяемое в процессе работы тепло можно использовать для других нужд. Отличительной чертой данного способа является возможность устранения растворенных в воде газов. К минусам метода относятся: большие энергозатраты, необходимость подготовки воды, затраты на обслуживание установки (чистка всех частей), дороговизна аппаратуры.
  • Мембранные установки отличаются неприхотливостью к исходному состоянию воды, для процесса не требуются химические реагенты, просты в обслуживании. Отрицательными качествами являются: подготовка воды к процессу обработки, большой объем воды для обеспечения работы аппаратов, большой расход электроэнергии, что сказывается на стоимости конечного продукта.

Обессоливание в домашних условиях

Фильтрация воды – самый доступный способ доочистки. Для обессоливания колодезной или морской жидкости в домашних условиях есть два распространенных способа:

  • Емкость с водой поместить в морозильную камеру и оставить до неполного замерзания. Соль с частью жидкости не замерзнет, лед следует растопить, и можно пользоваться сразу. Для дополнительной очистки стоит пропустить талую воду через любой бытовой фильтр. Метод называется холодной дистилляцией.
  • Выпаривание. Берут две емкости разного размера, в большую наливают морскую/соленую воду, меньшую оставляют пустой и помещают в большую посуду. Всю конструкцию можно поставить для нагревания на плиту или оставить на солнце, предварительно закрыв крышкой. Необходимо добиться медленного кипения соленой воды. Пары, лишенные соли, будут концентрироваться в пустой емкости. Процесс испарения на солнце будет протекать гораздо медленнее. При этом способе получается довольно малый объем питьевой воды.

Опреснение и обессоливание воды кустарными способами возможно, но малорезультативно. Лучшим вариантом будет приобретение бытовой установки для очистки.

Бытовые установки

Для бытовых нужд чаще всего необходимы системы для доочистки воды. Фильтрация воды может проводиться несколькими способами:

  • Самый простой и доступный – кувшин со сменными фильтрами.
  • Насадка с фильтром на кран.
  • Настольные фильтры для воды.
  • Встраиваемые системы, осуществляющие очистку жидкости в зависимости от места размещения (только на кухне, в точке входа подачи воды в дом, многоступенчатые фильтры для очистки воды из артезианской скважины и т. д.).

Ни одна из бытовых систем не может полностью устранить соли из жидкости, но смягчить жесткую воду в состоянии. В этом случае необходимо знать, какими элементами она насыщена, чтобы подобрать систему, картриджи для воды, фильтры или реагенты. Процесс обессоливания требует габаритных аппаратов, большой площади для установки, крупных финансовых инвестиций и доступность обслуживания системы, что недоступно для широкого круга потребителей.

Виды бытовой очистки

На сегодняшний день повсеместно используются следующие виды очистки воды:

  • Угольная фильтрация. Прибор представляет собой емкость, наполненную древесным, активированным или каменным углем. Вода, прошедшая через такой фильтр, очищается от хлора, нефтесодержащих элементов, пестицидов, микроорганизмов, бактерий и т. д. Фильтр доступен по стоимости, долговечен и прост в эксплуатации.
  • Тонкой очистки. Этот вид фильтров делится на два вида – однофункциональные и многофункциональные. При любом выборе требуется обслуживание – постоянно менять картриджи для воды, производить замену арматуры и пр.
  • Грубой очистки. Устраняют крупные частички загрязнений (песок, ржавчину, осадок и пр.).
  • Глубокой очистки. К этому виду фильтров относятся системы с обратным осмосом, многоступенчатые фильтры и пр.
Читайте также:  Установка linux без home

В большинстве регионов России требуется только дополнительная очистка воды, поскольку водных ресурсов в стране достаточно. Единственный регион, где может наблюдаться недостаток пресной воды, – это Крым, куда, возможно, потребуются промышленные установки для опреснения морской воды. Все аппараты для проведения процессов имеют патент. Опреснение и обессоливание воды должно производиться на научно обоснованных методах с обязательным тестированием результатов в лабораторных условиях.

источник

Установки химического обессоливания воды

Фильтры H-катионирования, OH-анионирования

Фильтры смешанного действия

Для начала разделим два понятия: «опреснение воды» и «обессоливание воды», которые часто путают.
Под опреснением воды обычно понимается процесс снижения содержания солей в воде (общего солесодержания) до норм, указанных СанПиН 2.1.4.1074-01, т.е. до 1000 мг/л.
Обессоливание воды – это процесс снижения общего содержания солей до значений, рекомендованных для дистиллированной воды (ГОСТ 6709-96) и ниже, т.е. до 5 мг/л и ниже. И если опреснение используется для получения воды питьевого качества из морской или солоноватой вод, то обессоливание применяется для получения чистой и ультрачистой воды для фармацевтики, медицины, микроэлектроники, теплоэнергетической, химической и других отраслей промышленности.
Существующие методы опреснения и обессоливания воды подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды.
К первой группе относят: дистилляцию, нагрев воды до критического состояния (до 350 о С), замораживание, газогидратный метод, а ко второй группе – ионный обмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрацию), электродеионизацию.
Выбор метода обессоливания, прежде всего, обусловлен качеством исходной воды, требованиями к качеству обработанной воды, производительностью установки и технико-экономическими соображениями ( см. диаграмму ).
Как видно из диаграммы стоимость обессоливания воды ионным обменом сильно возрастает с увеличением общего солесодержания. При этом степень обессоливания воды уменьшается. Потому обессоливание воды методом ионного обмена целесообразно проводить для вод, имеющих исходную степень минерализации 800 – 1000 мг/л. При более высокой минерализации более выгодными экономически становятся методы дистилляции и обратного осмоса. Надо отметить, что указанное выше заявление априорно. При выборе метода обессоливания необходимо рассматривать все аспекты и экономические, и экологические, и технические.

Термические методы обессоливания воды

Старейшими методами получения обессоленной воды (дистиллята) являются термические методы – перегонка, дистилляция, выпарка.
Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Для испарения воды требуется подвести, а при конденсации пара – отвести тепло фазового перехода. При образовании пара в него наряду с молекулами воды переходят и молекулы растворенных веществ в соответствии их летучестью.
Важнейшим преимуществом данного метода являются минимальные количества используемых реагентов и объем отходов, которые могут быть получены в виде твердых солей.
Тепловая и экономическая эффективность метода определяется режимом испарения и степенью рекуперации тепла фазового перехода при конденсации пара.
По характеру использования дистилляционные установки подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые и термокомпрессионные.
Наибольший интерес представляет использование выпарных установок в сочетании с ионообменными и реагентными схемами. В этих условиях возможно оптимизировать расход реагентов, тепла и решить как экономические, так и экологические проблемы.

Обессоливание воды ионным обменом

Наиболее часто обессоливание воды производят ионным обменом. До некоторых пор ионным обмен считался наиболее отработанным и надежным методом обессоливания воды.
Частичное обессоливание воды происходит при ее умягчении методами Н-Na-катионирования, Н-катионирования с голодной регенерацией, Н-катионирования на слабокислотном катионите. В этих процессах происходит извлечение солей жесткости и частичная их замена на катион водорода, который разрушает бикарбонат-ионы с последующим удалением образовавшегося газа из воды. Степень обессоливания соответствует количеству удаленного СаСО3.
При глубоком обессоливании из раствора удаляются все макро – и микроэлементы, т.е. соли и примеси. Степень очистки раствора по каждому макроэлементу (катиону и аниону) зависит от степени их сродства к данному иониту, т. е. от расположения в рядах селективности. Подбирая иониты, степень их регенерации и количество ступеней очистки, можно добиться необходимой глубины очистки воды практически любого исходного состава.
Обессоливание может проводиться в одну, две, три ступени или смешанным слоем ионитов. В каждой ступени раствор последовательно очищается сначала на катионите в Н-форме (при этом извлекаются все находящиеся в растворе катионы), а затем на анионите в ОН-форме (процесс ОН-анионирования).
Более глубокое извлечение анионов может протекать только на сильноосновных анионитах.
Высокую степень очистки можно обеспечить в одном аппарате со смесью катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме, т. н. фильтре смешанного действия. В этом случае отсутствует противоионный эффект, и из воды за один проход через слой смеси ионитов извлекаются все находящиеся в растворе ионы. Очищенный раствор имеет нейтральное рН и низкое солесодержание, примерно в 5-10 раз ниже, чем на одной ступени ионного обмена. Допускается работа с очень высокими скоростями очистки раствора, зависящими от его исходного солесодержания.
После насыщения ионитов для их регенерации смесь необходимо предварительно разделить на чистые катионит и анионит (они, как правило, имеют некоторое различие по плотности). Разделение может производиться гидродинамическим методом или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ым раствором щелочи.
Из-за сложности операций разделения смеси ионитов и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод, например, контурных, для глубокой доочистки воды, обессоленной на раздельных слоях ионитов либо обратным осмосом. То есть в тех случаях, когда регенерация проводится редко, либо иониты применяют для получения сверхчистой воды с сопротивлением, близким к 18 МОм/см, в энергетике и микроэлектронике – там, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.
При обессоливании воды ионным обменом пропорционально солесодержанию питающей воды растут объем ионитов и оборудования, а также расход реагентов, т. е. капитальные и эксплуатационные затраты. Даже при оптимально организованной регенерации (противоток) с минимальным избытком реагентов, применяемых для регенерации ионитов, в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в соотношении 1,1:1 – 2, 0:1 к исходному количеству солей. Следует учитывать, что эти соли находятся в небольшом объеме регенератов, соответственно, в высокой концентрации. Прямой сброс таких отходов запрещен, т.к. регенераты, как правило, имеют значение рН отличное от нормативов, что требует дополнительных затрат на их нейтрализацию. Чаще всего используется метод разбавления регенератов другими стоками с низком солесодержанием и значением рН близким к нейтральному. Кроме того, очень часто при проектировании канализационных сетей, отводящих стоки от установок ионного обмена, забывают о промывных водах, которые, как правило, трудно направить в голову технологического процесса для последующей обработки.

Читайте также:  Установка боксов в паркингах

Обратный осмос и нанофильтрация

Извлечение растворенных веществ из воды может производиться мембранными методами. При этом степень обессоливания воды определяется селективностью мембран. Обычно при обессоливании воды рассматривают два метода мембранного разделения: нанофильтрация и гиперфильтрацию (обратный осмос).
При нанофильтрации достигается частичное обессоливание воды (более точно умягчение воды), т.е. почти полное удаление солей жесткости (солей кальция и магния) совместно с двухзарядными анионами и частично – однозарядными катионами натрия и калия и анионами хлора.
Более полное обессоливание обеспечивает высоконапорный и низконапорный обратный осмос (гиперфильтрация). В этом случае эффективность обессоливания обеспечивается по всем компонентам (катионам и анионам). Подробное описание обратноосмотического метода обессоливания воды можно посмотреть на следующей странице нашего сайта, также в статье («Обратный осмос. Теория и практика применения»), посвященной этому методу.
Суммарная степень обессоливания зависит от катионного и анионного состава воды и ориентировочно составляет: для нанофильтрации 50 – 70%, для низконапорного обратного осмоса 80 – 95%, для высоконапорного 98 – 99%.
В обратном осмосе производительность мембранных элементов, расход энергии и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты незначительно зависят от солесодержания. При обратном осмосе количество солей в стоках близко к их количеству в питающей обратноосмотическую установку воде. Сброс воды после установок обратного осмоса (концентрат) имеет солесодержание в 2,5 – 4,0 раза большее, чем исходная вода, как правило, 1 – 2 г/л. Состав концентрата в стехиометрическом соотношении аналогичен составу исходной воды. Это дает возможность проводить сброс сточных вод (концентрата) без дополнительной очистки.
Однако при эксплуатации установок обратного осмоса дополнительным источником загрязнений в сбросах являются составы для химической промывки мембран обратного осмоса. Правда, суммарное количество невелико по сравнению с теми количествами, которые используются для регенерации ионообменных смол.

Сравнительная характеристика перечисленных выше методов обессоливания воды (преимущества и недостатки каждого из них) приведены в следующей таблице («Сравнительная характеристика методов обессоливания (деминерализации) воды»).
Таким образом, в настоящий момент наилучшие экономические, экологические и технологические показатели будет иметь комбинированные схемы водоподготовки, когда первая стадия обессоливания воды осуществляется обратным осмосом, а более глубокая доочистка воды – ионным обменом или электродеионизацией (в случае использования на первой стадии двухступенчатого обратного осмоса). Такая схема позволяет сократить по сравнению с «чистым» ионным обменом расход реагентов и объем сброса в канализацию вредных веществ (примерно в 10 – 15 раз) при достижении высокого качества очистки воды. Именно такой вариант наиболее часто используют при проектировании и строительстве новых и реконструкции старых технологических схем производства ультрачистой (деионизованной) воды для энергетики, электроники и медицины в России и за рубежом.

источник

Добавить комментарий