мая 09 2003

Выбор технологии глубокой очистки воды после обратноосмотических установок

Опубликовано в 15:27 в категории Чистота воды и здоровье

Выбор технологии глубокой очистки воды после обратноосмотических установок

С.П. Высоцкий, А.В. Фаткулина

Автомобильно-дорожный институт Донецкого государственного технического университета, г. Горловка

В настоящее время расширилась область применения ультрачистых вод в энергетике, химической, полупроводниковой, металлургической промышленностях, а также при производстве высокоточных изделий в ряде других отраслей промышленности. Существующие технологии получения этих вод с использованием ионного обмена требуют применения большого количества реагентов, которые сбрасываются в водоёмы, вызывая их деградацию. Поэтому актуальным является выбор технологии очистки воды с минимизацией вредного воздействия на окружающую среду. Перспективным в этом плане является применение мембранных технологий (особенно обратного осмоса). Однако применение обратного осмоса не позволяет решить проблемы получения ультрачистой воды. Возникает необходимость достройки обратноосмотических систем установками глубокой очистки воды фильтрами смешанного действия (ФСД).

Метод обессоливания воды в смешанном слое, т.е. с одновременным применением катионита и анионита в виде механической смеси, является более эффективным, чем последовательное фильтрование. Использование одного ФСД позволяет заменить два последовательно включенных катионитных и анионитных фильтра таких же размеров, что в два раза снижает затраты на оборудование, помещение, а также на эксплуатацию фильтра. Близкое расположение зерен катионита и анионита позволяет устранить плохую отмываемость от щелочи, оставшейся после регенерации анионита, в результате требуется меньший расход обессоленной воды на отмывку, практически исключает противоионный эффект и связанное с этим снижение технологических показателей: качества фильтрата и ёмкости

ионообменных смол.

         Технологические показатели процесса обессоливания воды в циклах обработки в ФСД (ионирование в смешанном слое) и в последовательно включенных катионитных и анионитных фильтрах изучались на лабораторной установке, представляющей собой колонку d = 37 мм или две последовательно включенные колонки такого же диаметра, загруженных: ионитной шихтой КУ-2-8 – АН-31; ионитной шихтой КУ-2-8 – АВ-17-8; катионитом КУ-2-8 и анионитом АН-31.

В случае эксплуатации фильтра со смесью катионита и анионита в одном корпусе использовалась так называемая выносная регенерация. Разделение ионитной шихты перед регенерацией фильтрующих загрузок: КУ-2-8 и АН-31, а также КУ-2-8 и АВ-17-8 проводилось восходящим потоком 8% раствора хлористого натрия и восходящим потоком воды. Цикл ФСД состоял из следующих операций: ионирование; отключение на регенерацию, разделение шихты и перегрузка; обратная перегрузка и доотмывка.

Скорость фильтрования в рабочем цикле составляла 20 м/ч, в режиме регенерации 8-10 м/ч. Рабочий цикл заканчивается, когда качество фильтрата по солесодержанию приближалось к допустимым значениям или превышало их. Контроль качества фильтрата производился по следующим параметрам: рН, содержание хлор- и сульфат-ионов, жесткость, электропроводность.

При ионировании в цикле ФСД, загруженных ионитной шихтой КУ-2-8 – АВ-17-8, проведены серии опытов с солесодержанием исходной воды 1,5; 3,0 г∙экв/л. Для регенерации катионита использовался 2%-ный раствор серной кислоты с удельным расходом 2,5 г∙экв/г∙экв и для регенерации анионита – 4%-ный раствор едкого натра также с удельным расходом 2,5 г∙экв/г∙экв.

Расходы реагентов в пересчете на 1 м3 загрузки фильтра при солесодержании 1,5 мг∙экв/л составляют: по кислоте – 54 кг на 1 м3 катионита; по щелочи – 44 кг на 1 м3 анионита. При солесодержании исходной воды 3 мг∙экв/л расходы по реагентам увеличивались: по кислоте до 59 кг на 1 м3 катионита; по щелочи – 48 кг на 1 м3 анионита.

Отмывка катионита от продуктов регенерации проводилась обессоленной водой до кислотности 100 мкг∙экв/кг по смешанному индикатору. Отмывка анионита осуществлялась обессоленной водой до щелочности 200 мкг∙экв/кг.

В фильтре смешанного действия с катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8 при обессоливании воды с солесодержанием 1,5 мг∙экв/л средняя величина проскока ионов хлора составляла 1-1,5 мг/л. Согласно полученным экспериментальным данным средняя емкость поглощения по аниониту при обессоливании воды составляет 440 г∙экв/м3, емкость шихты – 220 г∙экв/м3 (на суммарную загрузку шихты). На рис.1 приведены кривые изменения качества фильтрата в цикле после ФСД. В процессе фильтроцикла происходит снижение рН фильтрата с 6,9 до 4,3; увеличение электропроводности с 4,9 мкСм/см до 11 мкСм/см; содержание хлоридов на протяжении фильтроцикла увеличивается незначительно с 0,5 до 1,0 мг/л и только в конце фильтроцикла происходит резкое увеличение содержания хлоридов в фильтрате с 1,0 до 5,3 мг/л. При таком режиме обессоливания степень очистки воды достигает 88-98%.

При использовании в качестве исходной более высокоминерализованной воды (солесодержание 3,0 мг∙экв/л) средняя ёмкость анионита составляет 480 г∙экв/м3, средняя емкость шихты – 240 г∙экв/м3.

Кривые изменения качества фильтрата в цикле Н-ОН-ионирования с солесодержанием 3,0 мг∙экв/л после ФСД приведены на рис. 2.

Для ФСД с ионитной шихтой, состоящей из КУ-2-8 и АН-31 в качестве регенеранта для анионита использовались растворы едкого натра и карбоната натрия, а для катионита – раствор серной кислоты. При этом концентрация солей в воде, поступающей на фильтр, составляла 1,5 и 3,0 мг∙экв/л.

При минерализации обрабатываемой воды до 3 мг∙экв/л электропроводность фильтрата не превышает 15 мкСм/см, при этом емкость поглощения шихты составляет 430 г∙экв/м3. При сравнении циклов обработки воды с минерализацией исходной воды 1,5 мг∙экв/л и 3,0 мг∙экв/л, наблюдается снижение удельной выработки воды почти в 1,4 раза.

Кривые изменения качества фильтрата в цикле ФСД при Н-ОН-ионировании с солесодержанием 1,5 мг∙экв/л приведены на рис. 3.

При использовании в качестве регенеранта для анионита карбоната натрия были исследованы две технологические схемы обессоливания воды: ионирование в фильтре с ионитовой шихтой и ионирование в последовательно включенных катионитных и анионитных фильтрах.

Концентрация регенерационного раствора карбоната натрия составляла 6%, удельный расход реагента 8,0 г∙экв/г∙экв. При последовательном ионировании исходной воды через слой катионитного и анионитного фильтров отключение на регенерацию катионита производилось при уменьшении кислотности фильтрата на 0,25-0,2 мг∙экв/л, а отключение анионитного фильтра – при проскоке ионов хлора 5 мг/л.

При обессоливании воды через слой ионитной шихты КУ-2-8 и АВ-31 не обеспечивается удовлетворительное качество фильтрата. В фильтрах смешанного действия емкость анионита в 2,3 раза ниже, чем емкость анионита в последовательно включенных Н-катионитных и СО3-анионитных фильтрах. Это объясняется тем, что при регенерации анионита карбонатом натрия происходит выделение угольной кислоты на частицах ионита, вследствие чего шихта создает значительное сопротивление, происходит снижение скорости фильтрования. Однако, при последовательном включении фильтров с катионитом КУ-2-8 и анионитом АН-31 качество фильтрата по электропроводности по сравнению с циклом Н-ОН-ионирования в смешанном слое ухудшается примерно в 3,7 раза. На рис. 4 представлены кривые качества фильтрата в цикле ФСД Н-СО3 - ионирования исходной воды.

Для разработки комбинированных мембранных и ионитных схем обессоливания необходимо определение оптимального распределения производительности установок по количеству удаляемых солей при различной минерализации исходной воды. Для схем электродиализ-ионный обмен имеется оптимум солесодержания воды перед ионным обменом, который в зависимости от типа спейсеров изменяется от 1 до 3-4 мг∙экв/кг. Наличие оптимума обусловлено увеличением удельных затрат электроэнергии (в кВт∙ч/г∙экв) при снижении солесодержания обессоленной воды и повышении удельных затрат на обессоливание воды по ионообменной технологии при увеличении солесодержания воды.

Для обратноосмотической технологии удельные затраты электроэнергии практически не изменяются или мало изменяются в зависимости от минерализации воды. Поэтому оптимум значений солесодержания воды перед ионообменной технологией определяется формулой – чем меньше, тем лучше. В то же время, снижение солесодержания воды после обратноосмотической технологии обессоливания требует применения более селективных мембран.

Для упрощенных ионитных схем обессоливания необходимо определение предельных значений солесодержания обрабатываемой воды. При этом ограничение солесодержания может быть обусловлено двумя причинами: ухудшением качества фильтрата и низкой длительностью фильтроцикла.

Согласно приведенным выше экспериментальным данным качество фильтрата не является ограничивающим фактором. При второй стадии очистки воды в ФСД (после мембранной технологии) при приемлемых удельных расходах реагентов 2-2,5 г∙экв/г∙экв одна ступень ионообменной очистки является недостаточной для получения обессоленной воды с минерализацией, аналогичной получаемой после ФСД обессоливающих установок. Требуется 2-я ступень более глубокой очистки. Очевидно, ограничение солесодержания обрабатываемой воды может быть вызвано только длительностью фильтроцикла ФСД.

При использовании стандартных фильтров ФСД со средней дренажной системой, расположенной на высоте 0,8-1 м требуется ограничение солесодержания обрабатываемой воды до 3 мг∙экв/кг или снижение объемной скорости фильтрации до 10-15 м3/м2∙ч.

Применение выносной регенерации загрузки ФСД в регенераторах в этом случае является, по-видимому, нерациональным из-за увеличения времени на операцию регенерации и увеличения механического износа ионитов, связанного с их частыми нагрузками.

Дополнительная финишная очистка должна осуществляться в фильтрах смешанного действия 2-й ступени, работающих с высокими скоростями фильтрации (≈50 м3/м2∙ч).

Применение в качестве регенеранта кальцинированной соды обеспечивает снижение реагентной составляющей затрат на обессоливание воды примерно в 1,3 раза. Однако, учитывая необходимость применения также и каустической соды (едкого натра) для регенерации фильтров второй ступени и связанное с этим усложнение эксплуатации реагентного хозяйства, применение такого рода решения является нерациональным.

Технологическая схема ионообменной очистки воды после обратноосмотических установок может быть реализована также по технологии Н-ОН-ионирования в раздельных фильтрах и финишной очистки в ФСД. В этом случае значительно увеличиваются объемы загрузок ионитов, количество фильтров и площади, занимаемые водоподготовительным оборудованием. Такая технология очистки воды является рациональной при повышении солесодержания воды после обратноосмотических установок более 4-5 мг∙экв/кг (при обессоливании высокоминерализованной воды) и для установок с производительностью более 200-300 т/ч, когда из-за увеличенного количества регенераций усложняется эксплуатация ранее рассмотренной технологической схемы.

Cl

χ

pH

η

Cl

χ

η

рН

V, м3/м3 анионита

V, м3/м3 анионита

                                                                                                 

Cl

χ

рН

η

η

рН

Cl

χ

V, м3/м3 анионита

V, м3/м3 анионита

                                                                                                 

Рисунок 2 – Изменение качества фильтрата в цикле ФСД (КУ-2-8, АВ‑17, S0=3мг∙экв/л)

Рисунок 4 – Изменение качества фильтрата в цикле ФСД Н – СО3ионирования (КУ-2-8, АН‑31, S0=1,54мг∙экв/л)

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.