УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛУБОКООБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для глубокой очистки подземных вод, в частности, для очистки природных вод от железа, марганца и солей жесткости и может быть использована с целью получения глубокообессоленной воды для электронной промышленности. Кроме того, полезная модель может быть использована в любых отраслях промышленности, где требуется глубокообессоленная вода.
Для получения глубокообессоленной воды наиболее распространены ионообменные установки, состоящие из последовательно соединенных катионообменных, анионообменных и смешанных фильтров (Водоподготовка: процессы и аппараты / Громогласов А.А. и др. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.). Недостатком ионообменных установок является необходимость использования химически активных реагентов (кислот и щелочей) для регенерации ионообменных смол, что приводит к образованию большого количества стоков, которые необходимо нейтрализовать и утилизировать.
Известна установка для глубокой очистки подземных вод, содержащая последовательно соединенные аэратор, механический фильтр, Na-катионитовый фильтр, электродиализный аппарат и электроионитный аппарат (Патент RU ПМ №31380 "Установка для глубокой очистки подземных вод"). Недостатком установки является то, что степень очистки воды в ней ограничена. Вода, полученная на этой установке, соответствует по качеству дистиллированной воде. Максимальное электрическое сопротивление воды, полученной на этой установке, составляет 280÷300 кОм·см. Данная установка выбрана за прототип.
Задачей полезной модели является разработка надежной установки для получения глубокообессоленной воды, соответствующей требованиям электронной промышленности (по международным стандартам чистой воды «Тип II. Вода аналитического качества»).
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении глубины очистки воды без существенного увеличения энергозатрат.
Предлагаемая установка для получения глубокообессоленной воды, как и прототип, содержит последовательно соединенные аэратор, механический фильтр, Na-
катионитовый фильтр, элекгродиализный аппарат и электроионитный аппарат.
В отличие от прототипа к выходу электроионитного аппарата последовательно подключен еще один электроионитный аппарат, рассольный выход которого соединен с баком-аэратором. Кроме того, камеры обессоливания второго электроионитного аппарата решено выполнить с послойной, однополярной засыпкой анионо- и катионообменных смол, что позволяет повысить рабочую плотность тока по-сравнению со смешанной засыпкой и, соответственно, повысить глубину обессоливания воды.
В дальнейшем суть предлагаемой полезной модели поясняется описанием блок-схемы установки, изображенной на прилагаемой фигуре, и примером конкретной реализации установки.
Установка состоит из бака-аэратора 1, в который через верхний патрубок поступает исходная вода, а нижний патрубок соединен с входным патрубком насоса 2. Бак-аэратор 1 оснащен поплавковым клапаном, защищающим от переполнения, и датчиком сухого хода, который отключает насос 2 при снижении уровня воды ниже входного патрубка насоса. Входной патрубок насоса 2 соединен также с нижним штуцером солерастворителя 5. Выходной патрубок насоса 2 соединен с верхним штуцером механического фильтра 3, верхним штуцером Na-катионитового фильтра 4, верхним штуцером солерастворителя 5 и через байпасный трубопровод с баком-аэратором 1. Нижний штуцер механического фильтра 3 соединен с верхним штуцером Na-катионитового фильтра 4. Нижний штуцер Na-катионитового фильтра 4 соединен с входом электродиализатора 6. Электродиадизатор 6 имеет два выходных штуцера. Рассольный штуцер соединен со сливом в канализацию, а дилюатный - с входным штуцером первого электроионитного аппарата 7. Первый электроионитный аппарат 7 имеет два выходных штуцера. Рассольный штуцер соединен с баком-аэратором 1, а дилюатный - с входным штуцером второго электроионитного аппарата 8. Второй электроионитный аппарат 8 также имеет два выходных штуцера. Рассольный штуцер соединен с баком-аэратором 1, а дилюатный - через прибор контроля качества воды 9 с накопительным баком 10. Переключение технологических операций и регулировка потоков воды осуществляется с помощью шаровых кранов и клиновых задвижек.
2+
3+
3
2
3
Установка работает следующим образом. Исходная вода поступает в бак-аэратор 1, где насыщается кислородом воздуха. Ионы Fe, присутствующие в воде в виде растворимого гидрокарбоната, Fе(НСО), окисляются кислородом до Fe и переходят в нерастворимую гидроокись, Fе(ОН). Далее вода подается насосом 2 в механический напорный фильтр 3, где освобождается от железа. Направление фильтрации сверху вниз.
+
Д
Д
И
И
И
И
обесс.
расс.
обесс.
расс.
oбесс.
расс.
0
0
В верхней части фильтра 3 имеется смотровое окошко из оргстекла, через которое можно следить за накоплением осадка гидроокиси железа на верхней границе фильтрующего слоя. При накоплении слоя осадка толщиной 2÷4 см он смывается при интенсивном взрыхлении фильтрующей загрузки обратным током воды, снизу вверх, в течение 6-10 минут. Обезжелезенная вода поступает на Na-катионитовый фильтр 4, заполненный ионообменной смолой КУ-2 в Na-фopмe. Направление фильтрации сверху вниз. При этом вода практически полностью освобождается от солей жесткости. Остаточное содержание кальция 0,6÷1,5 мг/л, магния менее 0,5 мг/л. Регенерация катионита осуществляется 5÷7% раствором хлористого натрия, который готовится в солератворителе 5. Раствор подается насосом в верхнюю часть колонны 4. Направление регенерации сверху вниз. После регенерации катионит промывается обезжелезенной водой и вновь готов к работе. Вода, очищенная от солей жесткости и железа подается в электродиализатор (ЭДА) 6, где разделяется на два потока: дилюат и рассол. Соотношение потоков дилюата, Q , и рассола, Q  из Патента РФ ПМ №31380 составляет (3÷5):1. Обессоленная в электродиализаторе вода поступает в первый электроионитный аппарат (ЭИА-1) 7, где также разделяется на два потока: дилюат и рассол. Соотношение потоков дилюата, (Q , и рассола, Q , определено экспериментально и составляет 2:1. Обессоленная в первом электроионитном аппарате вода поступает во второй электроионитный аппарат (ЭИА-2) 8, где также разделяется на два потока: дилюат и рассол. Соотношение потоков дилюата, Q , и рассола, Q , определено экспериментально и составляет (2÷2,5):1. Обессоленная во втором электроионитном аппарате вода поступает в накопительную емкость 10. Рассол из электродиализатора, который представляет собой раствор солей натрия, в основном гидрокарбоната и хлорида, и не является токсичным, сбрасывается в канализацию, а из электроионитных аппаратов возвращается в бак-аэратор 1. На выходе дилюата из электроионитного аппарата 8 установлен прибор контроля качества воды 9, который измеряет удельное электрическое сопротивление воды (ρ). Электрические параметры электродиализатора и электроионитных аппаратов подбираются таким образом, чтобы прибор 9 показывал ρ необходимой величины, но не менее 1 МОм·см.
Предлагаемая полезная модель электрохимической деминерализации воды является эффективной установкой для получения глубокообессоленной воды с минимальными энергозатратами.
3
В качестве примера рассмотрим установку для очистки подземной воды с общей жесткостью 3,1 моль/м и содержанием железа (общего) 0,52 мг/л производительностью 35 л/ч. Диаметры механического и Na-катионитового фильтров 250 мм. Высота
+
фильтрующей загрузки 1200 мм. Механический фильтр заполнен кварцевым песком с размером частиц 0,7-1,2 мм, а Na-катионитовый - ионообменной смолой КУ-2 в Na-форме. Электродиализатор (ЭДА) собран из двадцати семи пар мембран МК-40 и МА-40 с прокладками лабиринтного типа. Электроионитные аппараты конструктивно одинаковы и собраны из двух камер обессоливания и трех камер концентрирования. Камеры обессоливания первого электроионитного аппарата заполнены смешанным слоем ионитов КУ-2-8 чс и АВ-17-8 чс в соотношении 1:1,5, а камеры обессоливания второго аппарата заполнены раздельными чередующимися слоями ионитов КУ-2-8 чс и АВ-17-8 чс.
2+
2+
3
3
Исходная вода подавалась в бак-аэратор, где насыщалась кислородом воздуха. Бак-аэратор снабжен автоматикой для поддержания уровня воды. Далее насосом СHI 2-20 вода подавалась в верхнюю часть механического фильтра, где освобождалась от осадка гидроокиси железа. Скорость прокачки через механический фильтр 80-100 л/ч. Содержание железа после механического фильтра 0,15÷0,2 мг/л. Периодичность промывки фильтра обратным током воды зависит от содержания железа в исходной воде и составляет примерно один раз в 15-30 дней. Обезжелезенная вода из нижней части механического фильтра подавалась в верхнюю часть Na-катионитового фильтра. Ионы Са и Mg определяющие жесткость воды, поглощаются катионитом и из нижней части фильтра выходит умягченная вода. Общая жесткость воды после ионообменного фильтра 0,02 моль/м. Регенерация катионита осуществлялась 5÷7% раствором хлористого натрия. Периодичность регенерации зависит от жесткости исходной воды. Фильтр снабжен расходомером, чтобы знать количество умягченной воды, и через 5-7 мпроизводится регенерация катионита. Обезжелезенная и умягченная вода поступала в электродиализатор (ЭДА). Питание ЭДА осуществляется от источника постоянного электрического тока. Напряжение питания 200÷250 В. Потребляемый ток 0,6÷1 А. Расход воды устанавливался таким образом, чтобы через камеры обессоливания прокачивалось 80 л/ч, а через камеры концентрирования 20 л/ч. Обессоленная в электродиализаторе вода поступала в первый электроионитный аппарат (ЭИА-1). Питание ЭИА-1 осуществляется от источника постоянного электрического тока. Напряжение питания 35÷150 В. Потребляемый ток 0,7÷3 А. Расход воды устанавливался таким образом, чтобы через камеры обессоливания прокачивалось 52 л/ч, а через камеры концентрирования 26 л/ч. Обессоленная в ЭИА-1 вода поступала во второй электроионитный аппарат (ЭИА-2). Питание ЭИА-2 осуществляется от источника постоянного электрического тока. Напряжение питания 45÷250 В. Потребляемый ток 0,15÷0,7 А. Расход воды устанавливался таким образом, чтобы через камеры
0
0
обессоливания прокачивалось 36 л/ч, а через камеры концентрирования 16 л/ч. Контроль за глубиной обессоливания воды ведется по прибору, измеряющему удельное электрическое сопротивление воды. Величина тока подбирается таким образом, чтобы ρводы было не менее 1 МОм·см. Установка позволяет получать обессоленную воду со значением ρ более 2,5 МОм·см.
Данные испытаний установки сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
№
Электродиализный
Электроионитный первый
Элекгроионитный второй
ρ<sub>0</sub>,МОм·см
Q<sup>Д</sup> <sub>обесс</sub>./Q<sup>Д</sup> <sub>расс.</sub>
I,A
U,B
Q<sup>Д</sup> <sub>бесс.</sub>/Q<sup>И</sup> <sub>расс.</sub>
I,A
U,B
Q<sup>И</sup> <sub>обвсс.</sub>/Q<sup>И</sup> <sub>расс.</sub>
I,A
UB
1
3,5:1
1,5
160
2: 1
0,7
35
2,25: 1
0,6
90
0,80
2
3,5:1
1,5
160
2:1
0,9
40
2,25: 1
0,55
85
1,22
3
3,5:1
1,5
160
2: 1
1,1
45
2,25: 1
0,35
70
1,50
4
3,5:1
1,5
160
2: 1
1,3
50
2,25: 1
0,25
55
1,75
5
3,5:1
1,5
160
2: 1
1,5
55
2,25: 1
0,15
45
2,20
Из таблицы 1 видно, что предлагаемая установка позволяет получать воду с более высоким удельным электрическим сопротивлением, чем в прототипе, что говорит о глубине очистки воды.
Результаты анализа воды приведены в таблице 2.
Таблица 2
Объект анализа
Получениый результат
Требования международного стандарта чистой воды «Тип II. Вода аналитического качества»
Погрешность анализа, %
ρ<sub>0</sub>,
2,20 МОм·см
> 1 МОм·см
±2,0
рН
5,7
5,0-7,5
±0,1 рН
Тяжелые металлы
<0,01 мг/л
<0,01 мг/л
-
Кальций
<0,3 мг/л
<0,3 мг/л
-
Как видно из таблицы 2 вода полностью соответствует требованиям международных стандартов чистой воды "Тип II. Вода аналитического качества". Потребляемая мощность установки с учетом перекачки воды 1÷1,3 кВт·ч, т.е., по сравнению с прототипом, она практически не увеличилась.