Электродеионизация


Электродеионизация (ЭДИ) –процесс непрерывной деминерализации воды с использованием ионообменных смол, ионоселективных мембран и постоянного электрического тока (напряженного поля). Получаемая вода является глубокодеминерализованной, сопротивлением от 12 до 18 МОм*см, как после ионитных фильтров смешанного действия типа ФСД.

Основной несущей силой процессов электродеионизации является разность потенциалов постоянного электрического поля (электрического напряжения) по обе стороны мембранного канала, образованного анионообменной и катионообменной мембраной, заполненного ионообменной смолой (смесь катионита и анионита). Именно постоянное напряжение обеспечивает перенос растворенных ионов из потока опресняемой воды через ионоселективные мембраны в сбрасываемый поток концентрированной воды, тем самым вызывая непрерывную регенерацию ионита. Исходной водой для данных систем CEDI служит пермеат (опресненный поток) систем обратного осмоса, солесодержанием 0,1-10 мг/л.

Применение:

— фармацевтика;

— энергетика;

— полупроводниковое производство.

Процесс электродеионизации проводится в ячейке, которая состоит из чередующихся полостей, разделенных анион- и катионселективными мембранами. Полупроницаемые ионообменные мембраны расположены так, что образуют параллельные камеры, ограниченные электродами (катодом и анодом) с двух сторон. Исходная вода попадает в серию делюационных камер (камеры с чистой водой). Постоянный электрический ток пропускается через все камеры, вызывая миграцию ионов по направлению к соответствующим электродам. Катионообменная мембрана отделяет делюационную камеру от концентрационной. Концентрат рециркулирует в концентрационных камерах, способствуя перемешиванию и турбулизации потока над поверхностью мембраны и поддержанию электропроводности. Делюационные камеры, в которые подается исходная вода, заполнены одинаковыми по размеру и имеющими сферическую форму ионообменными смолами. Электрический ток делает возможным непрерывное перемещение ионов через ионообменную смолу, т.е. из потока исходной воды в поток концентрата. Электрический ток также разлагает молекулы воды на катионы водорода и анионы гидроксила. Ионы, попадающие в делюационную камеру, проходят сквозь ионообменные смолы и ионообменные мембраны в направлении градиента электрического потенциала и попадают в камеру концентрата. Концентрация ионов в делюационной камере будет уменьшаться (происходит деминерализация воды), а в концентрационной камере – увеличиваться (образуется рассольный концентрат).

Преимущества процесса ЭДИ в сравнении с фильтрами смешанного действия:

— нет необходимости в химических реагентах;

— непрерывный режим работы;

— стабильность качества воды;

— отсутствие стоков;

— уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.

Ионный обмен


Ионный обмен – процесс обмена ионов твердой матрицы (ионита) с ионами раствора.

Ионный обмен является одним из основных методов очистки воды от ионных загрязнений, умягчения воды, обессоливания и глубокого обессоливания. Наличие разнообразных по свойствам ионообменных материалов позволяет решать задачи очистки вод различного химического состава. Это один из немногих технологических приемов, позволяющих селективно извлекать из раствора некоторые компоненты, например, соли жесткости.

Иониты – твердые нерастворимые вещества, имеющие в своем составе функциональные группы, способные к ионизации в растворах и обмену ионами с электролитами.

Иониты делятся по свойствам функциональных групп на несколько видов.

Основные виды ионитов:

— катиониты;

— аниониты;

— селективные иониты.

Катиониты – иониты с закрепленными на матрице анионообменными группами или анионами, которые обмениваются с внешней средой катионами.

Аниониты – иониты с закрепленными на матрице катионообменными группами или анионами, которые обмениваются с внешней средой анионами.

Реакцию обмена на катионитах (1) и анионитах (2) можно описать следующими уравнениями:

R ̶  H+ + Na+ ↔ R  ̶  Na+ + H+ (1);

R ̶  OH + Cl ↔ R  ̶  Cl + OH (2).

Как правило, эти процессы следуют один за другим и на анионит подается раствор после катионирования. Этот раствор имеет кислую реакцию. В результате анионирования очищенный раствор имеет нейтральную реакцию (3):

R ̶  OH + Cl + H+ ↔ R  ̶  Cl + Н2О (3).

Таким образом можно описать процесс обессоливания воды, который проводится с применением катионитов в Н-форме и анионитов ОН-форме. В результате из воды извлекаются практически все катионы и анионы.

Процесс ионирования протекает до тех пор, пока ионит не истощится – на матрице ионитов не останется способных к обмену функциональных групп.

Для восстановления обменных свойств ионитов необходимо произвести регенерацию. В случае обессоливания воды для регенерации катионитов применяют растворы кислот (соляной, серной), а для регенерации анионитов – раствор гидроксида натрия. Регенерацию катионитов (4) и анионитов (5) можно описать следующими уравнениями:

R ̶  Na+ + HCl ↔ R  ̶  H+ + NaCl (4);

R ̶  Cl + NaOH ↔ R  ̶  OH + NaCl (5).

В результате регенерации иониты переходят в рабочее состояние, а регенерационный раствор представляет собой смесь растворов солей с избытком регенерирующего агента (кислоты и щелочи).

В случае умягчения воды ионирование производится на катионите в Na-форме. В процессе из воды извлекаются ионы жесткости, и происходит их замена на ионы натрия. Процесс описывается следующим уравнением (6):

2R ̶  Na+ + Са2+ ↔ R  ̶  Са  ̶ R + 2Nа+ (6).

Для регенерации применяют раствор поваренной соли. Процесс протекает по реакции (7):

R  ̶  Са  ̶ R + 2NаСl ↔2R ̶  Na+ + CaCl2 (7).

Основными характеристиками ионитов являются:

— обменная емкость;

— селективность;

— механическая прочность;

— осмостическая стабильность;

— химическая стабильность;

— температурная устойчивость;

— гранулометрический состав.

Ионообменное оборудование.

Для водоподготовки и обработки стоков чаще всего применяют аппараты периодического действия типа фильтр со сплошным слоем ионита.

По направлению движения очищаемого и регенерирующего растворов они подразделяются на прямоточные (параллельнопоточные) и противоточные (противопоточные).

Преимущества прямоточных фильтров:

— простота конструкции;

— простота эксплуатации;

— возможность отмывка ионита прямо в фильтре.

Недостатки прямоточных фильтров:

— низкое качество воды;

— низкая степень регенерации и, как следствие, увеличение расхода реагентов;

— малая степень использование объема.

Преимущества противоточных фильтров:

— высокое качество воды;

— высокая степень регенерации и уменьшение расхода реагентов;

— высокая степень использования объема фильтра.

Недостатки противоточных фильтров:

— более высокая цена за счет более сложной конструкции;

— высокие требования к предварительной очистке.

Применение ионообменных технологий:

  1. Умягчение воды.
  2. Снижение щелочности и временной жесткости воды.
  3. Обессоливание воды.
  4. Глубокое обессоливание воды (фильтры смешанного действия).
  5. Удаление нитратов из воды.
  6. Удаление органических веществ.

Обратный осмос


Принцип действия технологии обратного осмоса основан на явлении осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор при разной концентрации веществ в растворах по обеим сторонам мембраны. При выравнивании концентрации растворов наступает равновесие. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то молекулы воды будут двигаться через мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу. При этом может быть получена обессоленная вода и концентрат. Этот процесс получил название обратно осмоса.

В технологии обратного осмоса используются мембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером ионов. Эффективность удаления ионов из воды зависит от их заряда и размера, определяющих степень их гидратации.

Эффективность процесса обратного осмоса в основном определяется свойствами мембран. Основными характеристиками мембран являются селективность, удельная производительность (проницаемость), конверсия (recovery).

Селективность по разделяющим компонентам определяется как отношение концентрации растворенного вещества в исходном растворе к концентрации растворенного вещества в очищенной воде, выраженное в долях от единицы или процентах.

Проницаемость мембраны при постоянном давлении характеризуется объемом прошедшего фильтрата в единицу времени через единицу поверхности и выражается в л/м2*час.

Конверсия – степень использования воды, выражается в процентах выхода пермеата (очищенной воды) от расхода исходного раствора, выраженная в процентах.

Проницаемость мембраны и селективность зависят от рабочего давления и температуры раствора. С ростом давления увеличивается производительность и селективность. Повышение температуры приводит (за счет снижения вязкости воды и соответствующего увеличения подвижности ионов) к росту удельной производительности мембраны. При этом селективность снижается.

Увеличение конверсии возможно до определенного предела. Это связано с тем, что с ростом содержания солей в концентрате растет осмотическое давление концентрата. В случае, если осмотическое давление концентрата приблизится к давлению исходной воды, процесс переноса прекращается.

Увеличение концентрации солей в исходной воде снижает выход пермеата и селективность.

Процесс фильтрации.

Для обеспечения длительной и стабильной работы мембраны необходимо снизить поляризационный эффект, который возникает из-за увеличения концентрации солей в примембранном слое. Это позволит предотвратить загрязнение мембранных пор осадками. Достигается это созданием над поверхностью мембраны интенсивного турбулентного потока обрабатываемой жидкости, и только часть ее фильтруется через мембрану. В результате образуются два постоянных потока: пермеата (очищенная вода), который прошел через мембрану и концентрат, который двигается вдоль мембраны. Такой процесс называется тангенциальной фильтрацией.

В настоящее время наибольшее применения нашли рулонные мембранные элементы, в которых применяется мембрана из полиамидного волокна. Эти элементы являются наиболее эффективными по критерию эффективность/стоимость. Такие элементы размещаются в специальных корпусах высокого давления. Количество мембранных элементов в одном корпусе – от 1 до 6 (реже до 8).

Практически всеми производителями выпускаются мембранные элементы унифицированных размеров: длина – 40 дюймов, диаметр – 2,5; 4; 8 и 16 дюймов.

Преимущества технологии обратного осмоса:

  1. Высокая эффективность процесса обессоливания.
  2. Нет необходимости в применении большого количества кислот и щелочи.
  3. Компактность оборудования.
  4. Простота автоматизации.

Недостатки технологии обратного осмоса:

  1. Увеличенное потребление электроэнергии.
  2. Высокие требования к предварительной очистке.

 

 

Реагентная обработка


Обработку воды реагентами в зависимости от целей обработки можно разделить на несколько типов:

  1. Обеззараживание воды.
  2. Коагулирование примесей.
  3. Реагентное умягчение.
  4. Коррекция кислотно-щелочного баланса.
  5. Стабилизационная обработка воды (ингибирование коррозии и отложений).
  6. Удаление кислорода.

Практически каждая из вышеперечисленных целей достигается путем дозирования в воду специального реагента (или последовательно нескольких реагентов).

Дозирование обычно производится при помощи станций дозирования (в отдельных случаях, приготовления и дозирования) реагентов, основными компонентами которых являются расходная емкость и насос-дозатор.

Обеззараживание воды.

Для обеззараживания воды наиболее часто применяют дозирование реагентов, содержащих активный хлор.

Наиболее широкое применение ввиду своей доступности и простоты использования получил раствор гипохлорита натрия (NaClO). Недостатками этого реагента является потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении, образование тригалометанов и других вредных побочных продуктов.

В настоящее время все большую популярность приобретает способ обеззараживания воды диоксидом хлора (ClO2). Данный реагент работает при пониженных дозах, не образует тригалометанов и хлораминов, разрушает фенолы (источник неприятного вкуса и запаха), эффективный окислитель и дезинфектант против всех видов микроорганизмов, включая цисты. К недостаткам можно отнести обязательное получение а месте применения.

Коагулирование примесей.

Коагуляция – это процесс разрушения коллоидных дисперсных систем в результате нарушения устойчивости их состояния. Процесс заключается в увеличении размеров частиц за счет слипания до размеров, при которых происходит потеря их коллоидных свойств и выпадение в осадок. Коагуляцию используют  в целях очистки воды от взвешенных и коллоидных частиц, прибавляя  к ней  растворы  коагулянтов (солей алюминия, железа и др.). Использование механизма коагуляции целесообразно для исходной воды, если в ней превышены показатели мутности, цветности или содержания органических веществ и планктона.

Реагентное умягчение.

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения с последующим отделением их в осветлителях, тонкослойных отстойниках, осветлительных фильтрах. В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксид натрия и др. реагентное умягчение воды применяют при ее высокой карбонатной и низкой (или сопоставимой) некарбонатной жесткости, а также в случае, когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости.

Коррекция кислотно-щелочного баланса.

Кислотно-щелочной баланс воды корректируют в целях достижения нормы по показателю рН. Процесс производят, дозируя в воду подкисляющие вещества (кислоты), либо подщелачивающие  реагенты (щелочи).

Коррекцию кислотно-щелочного баланса производят в следующих случаях:

— если показатель рН природной воды  не соответствует установленным нормативам;

— если реакция воды затрудняет протекание других процессов (например, обезжелезивание);

— если вода является склонной к образованию отложения или наоборот, агрессивной;

— если кислотно-щелочной баланс изменяется в результате применения других реагентов.

 

Стабилизационная обработка воды (ингибирование отложений).

Стабилизационная обработка воды осуществляется для предотвращения процессов интенсивного накипеобразования на поверхностях нагрева теплообменного и водогрейного оборудования. Чаще всего применяются реагенты на основе фосфорорганических соединений.

Удаление кислорода.

Химическое обескислороживание осуществляется путём ввода в подпиточную воду котельного оборудования специальных реагентов (в частности сульфита натрия и его модифицированных аналогов), поглощающих кислород и предотвращающих процесс кислородной коррозии. Подобная обработка позволяет обеспечить стабильную работу котельных с закрытыми водяными контурами.

Ультрафильтрация


Ультрафильтрация — это процесс мембранного разделения, (а также фракционирования и концентрирования) веществ, осуществляемый путем фильтрования жидкости под действие давления через полупроницаемую мембрану. Размер пор ультрафильтрационных мембраны варьируется от 0,01-0,1 мкм. Основные материалы для изготовления ультрафильтрационных мембран – полимеры, керамика.

При обработке воды на ультрафильтрационных мембранах из нее извлекаются коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромолекулы, определяющие цветность воды (гуминовые и фульвокислоты).

Наиболее широкое применение технология ультрафильтрации получила для предварительной подготовки исходной воды для установок обратного осмоса.

Для фильтрации воды по технологии ультрафильтрации чаще всего применяют тупиковый режим фильтрации с регенерацией обратным током фильтрата. В этом случае мембрана некоторое время работает в тупиковом режиме, а затем направление движения раствора изменяется на противоположное. Задержанные мембраной загрязнения при этом частично или полностью удаляются с ее поверхности и цикл фильтрации повторяется. В случае, если при промывке обратным током фильтрата, загрязнения полностью не удаляются, периодически применяют химически усиленную обратную промывку, при которой в поток промывной воды дозируются реагенты.

Для обеспечения стабильной работы установки ультрафильтрации и предотвращению выхода из строя мембранных ультрафильтрационных модулей, установки должны быть укомплектованы следующими минимально необходимыми узлами:

— фильтр предварительной очистки (чаще всего, самопромывной сетчатый фильтр);

— станция дозирования коагулянта (применяется не всегда);

— блок ультрафильтрационных модулей;

— емкость запаса фильтрата;

— насосная станция обратной промывки;

— станции дозирования реагентов для химически усиленной обратной промывки;

— трубопроводная обвязка и артамура;

— шкаф управления, КИПиА.

Преимущества технологии ультрафильтрации:

— низкое энергопотребление;

— низкий расход воды на собственные нужды;

— компактность;

— удаления вирусов и бактерий;

—  широкие возможности автоматизации процесса и интеграции в существующие системы.

Недостатки технологии ультрафильтрации

— высокая стоимость мембранных модулей;

— процесс эксплуатации возможен исключительно в автоматическом режиме.