Опреснение воды

Опреснением называется процесс снижения солесодержания воды до значений менее 1000 мг/дм3, при которых вода становится пригодной для использования в хозяйственно-питьевых целях.
В связи со значительным ростом водопотребления и сокращения запасов пресной воды проблема опреснения находится в центре внимания современной науки.
В настоящее время к наиболее распространенным способам опреснения воды относят: ионный обмен, электродиализ, дистилляцию и обратный осмос.

Ионообменная технология опреснения воды

При ионном способе опреснения обрабатываемая вода пропускается через последовательно расположенные катионитовый и анионитовый фильтры.

В Н-катионитовом (водород-катионитовом) фильтре содержащиеся в воде катиониты обмениваются на катиониты водорода.

Например, при наличии в воде катионитов Na+ протекают следующие реакции:

где H[Кат] - обозначение водород-катионита.

Аналогичные обменные реакции будут протекать и с другими катиони-тами: Ca2+, Na2+ и т.д.

Как видно из приведенных выше реакций, вода после Н-катионитовых фильтров приобретает кислые свойства. Этот кислый фильтрат пропускается через ОН-анионитовые фильтры. В ОН-анионитовом фильтре аниониты образовавшихся кислот (HCl, H2SO4) обмениваются на гидроксильные ионы:

В результате этих реакций из воды удаляются аниониты и повышается ее водородный показатель.

Таким образом, после прохождения катионитовых и анионитовых фильтров вода освобождается от катионитов и анионитов, т.е. происходит ее опреснение.

Обычная ионитовая установка по обессоливанию воды состоит из двух групп ионитовых фильтров, из которых первая работает по циклу Н-катионирования и служит для извлечения из воды катионитов, а вторая группа фильтров предназначена для удаления из воды анионитов. В промежутке между фильтрами или в конце установки располагается дегазатор для удаления из воды свободной углекислоты. Кроме того, в данную схему включается еще буферный Naкатионитовый фильтр, который поддерживает неизменным значение рН обессоленной воды.

Обменная способность ионитов при фильтрации воды со временем исчерпывается и требуется проведение регенерации (восстановления) обменной емкости ионообменного материала.

Регенерация H-катионитовых фильтров достигается их промывкой растворами H2SO4 или HCl. Катионы, задержанные катионитом, замещаются на ионы водорода, содержащиеся в регенерационном растворе. Например, при использовании серной кислоты в катионитовом фильтре в процессе его регенерации протекают следующие реакции:

Регенерация ОН-анионитовых фильтров производится раствором NaOH. При этом аниониты, задержанные анионитом, замещаются на ионы ОН-:

Перед началом регенерации ионитовые фильры взрыхляются противотоком воды, а после завершения регенерации производится их отмывка чистой водой.

Эта технология применяется при солесодержании природных вод до 3000 мг/дм3. При более высоких значениях этого показателя значительно возрастает расход на регенерацию и технология ионного обмена становится экономически невыгодной.

Опреснение воды электродиализом

Электродиализ – как способ опреснения воды получил широкое распространение благодаря использованию селективных ионообменных мембран. Особенность таких мембран заключается в том, что они способны пропускать под действием электрического тока только ионы одного знака. Катионообменные мембраны пропускают только положительно заряженные ионы (катионы), а анионообменные мембраны – только отрицательно заряженные ионы (анионы). Это свойство называется селективностью ионообменных мембран, на нем основан способ электродиализного опреснения воды.

Простейший аппарат (электродиализатор), реализующий эту технологию, показан на рис. 1.

Он представляет собой емкость, разделенную катионообменной и анионообменной мембранами на три изолированные друг от друга части камеры. В крайние камеры помещены катод и анод.

Предположим, что обработке подвергается вода, содержащая NaCl, которая подается одновременно в три камеры. Под действием постоянного тока из средней камеры катионы Na+ перемещаются к катоду, а аниониты Cl- к аноду. Из крайних камер ионы Na+ и Cl- не могут перейти в среднюю камеру, так как установленные селективные мембраны препятствуют этому процессу.

Таким образом, в средней камере постепенно снижается концентрация катионов и анионов, т.е. происходит обессоливание воды.

Рис. 1 Схема эдектродиализатора:

I-камера обессоливания (дилюатная); II-рассольные камеры; 1-емкость с обрабатываемой водой; 2-анод; 3-анионообменная мембрана; 4-катионообменная мембрана; 5-катод.

Камеры, в которых наблюдается снижение концентрации солей, называются дилюатными, а камеры, которые обогащаются солями в процессе электродиализа, называются рассольными.

В практике водообработки для опреснения больших объемов воды применяются многокамерные электродиализаторы. Они состоят из большого числа ячеек, питаемых последовательно постоянным электрическим током. Дилюат и рассол удаляются из аппарата раздельно.

Описанные выше схемы представляют собой классический или однонаправленный электродиализ. Однонаправленным его называют потому, что полярность постоянного электрического поля не изменяется, ионы все время движутся в одном направлении и назначение камер электродиализатора сохраняется неизменным. При однонаправленом электродиализе очень быстро происходит загрязнение поверхности мембран. Поэтому приходится очень часто останавливать процесс обессоливания и очищать мембраны.

Для устранения этого недостатка в процессе опреснения воды используют принцип обратимого электродиализа. Его сущность заключается в том, что периодически с помощью автоматического переключателя изменяется полярность приложенного электрического поля. При этом камеры, которые вначале были опресняющими (дилюатными), при изменении полярности тока становятся концентрирующими (рассольными), и наоборот. В момент переключения полярности вода из всех камер сбрасывается в канализацию. Тем самым обеспечивается очистка мембран и камер от накопившихся загрязнений.

Электродиализ применяют для опреснения природных вод с солесодержанием до 10000 мг/дм3.

Опреснение воды дистилляцией

Дистилляция основана на выпаривании обрабатываемой воды с последующей конденсацией пара. Аппараты, реализующие эту технологию, называются дистилляторами (или испарительными установками).

Простейшая схема дистиллятора показана на рис.2.

Рис. 2 Схема дистиллятора:

1 – трубопровод подачи исходной воды; 2 – корпус испарителя; 3 – линия продувки; 4 – нагревательный элемент; 5 – сепаратор; 6 – линия отвода образующегося пара; 7 - конденсатор; 8 – трубопровод отвода обессоленной воды (дистиллята).

Обрабатываемая вода поступает в испаритель, где постепенно нагревается. При нагревании водных раствором молекулы воды приобретают энергию, превышающую силы молекулярного притяжения, и переходят в парообразное состояние. Когда давление насыщенного пара становится равным давлению в испарителе, вода начинает кипеть. При этом ионы и молекулы растворенных солей, содержащихся в воде, переходят в пар в весьма незначительном количестве. Таким образом, в процессе кипения происходит отделение солей от молекул пара.

Образующийся в испарителе пар проходит через сепаратор и поступает в конденсатор, где конденсируется, частично нагревая при этом воду, на-правляемую на обработку. Соли, содержащиеся в воде, остаются в объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой (продувочной) водой. Обессоленная вода (дистиллят) отводится из конденсатора потребителю.

Обессоливание таким способом крайне неэкономично, так как при этом расходуется теплота как на нагрев, так и на парообразование. А при конденсации теплота парообразования практически теряется (небольшая ее часть идет на подогрев исходной воды). Кроме того, в дистилляторах такой конструкции образуются отложения (накипеобразование) солей на теплопередающих поверхностях, что существенно снижает коэффициент теплопередачи. Тем самым уменьшается производительность установки.

Очистка испарителей от накипи является весьма сложной операцией. Поэтому для предотвращения накипеобразования исходную воду подвергают предварительной обработке, выводя из нее накипеобразующие ионы Ca2+, Mg2+,CO32-. Для этой цели требуется громоздкое и дорогостоящее оборудование.

На практике очень часто вместо предварительной обработки в исходную воду добавляют специальные вещества (хлорид железа, фосфаты), которые взаимодействуют с накипеобразующими ионами и переводят их в шлам, легко удаляемый при продувке испарителя.

Безнакипный режим работы может быть достигнут также созданием достаточно глубокого вакуума в испарителях, что дает возможность снизить температуру испаряемой воды до 35…550С.

При таких температурах образование накипи на теплопередающих поверхностях практически не происходит.

Экономичность испарительных установок может быть повышена применением в их схеме теплового насоса (парокомпрессора).

В опреснительных установках такого типа (рис.3) при их запуске первичный пар через тепловой насос поступает в испаритель, где конденсируется, образуя при этом вторичный пар с пониженным давлением и температурой. Часть вторичного пара забирается тепловым насосом, с помощью которого параметры пара поднимаются до исходных значений, и направляются обратно в испаритель. Другая часть вторичного пара направляется в подогреватель и конденсируется, подогревая исходную воду.

Рис. 3 Схема опреснительной установки с тепловым насосом:

1 – паровой котел; 2 – подача первичного пара; 3 – тепловой насос; 4 – подача вторичного пара; 5 – испаритель; 6 – подогреватель; 7 – трубопровод подачи исходной воды; 8 – трубопровод отвода обессоленной воды.

В такой схеме за счет работы теплового насоса значительно снижается расход греющего пара на единицу выхода обессоленной воды и тем самым повышается экономичность работы опреснительной установки.

Способ обессоливания воды дистилляцией является очень энергоемким, поэтому его целесообразно использовать в тех случаях, когда имеется источник дешевого тепла. Это технология позволяет производить обработку воды с солесодержанием более 10,0 г/дм3.

В последние 10-15 лет наиболее эффективной является технология опреснения природных вод с использованием обратного осмоса.

Этой технологии опреснения воды будет посвящена отдельная статья.

Технический директор ЗАО “Акваметосинтез”

кандидат технических наук, доцент А. В. Степанов