УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ

Полезная модель относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию для разделения растворов химических соединений с помощью полупроницаемых мембран, в частности, к устройствам для электродиализного обессоливания природных и промышленных вод и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, в тепловых электростанциях, а также в коммунальном хозяйстве.
Одной из глобальных проблем, стоящих перед человечеством является проблема получения пресной воды. Увеличение населения, загрязнение рек, засухи ведут к обострению конкуренции между пользователями пресной воды и ставят вопрос об опреснении засоленных вод различного происхождения, в частности, опреснения засоленных промышленных стоков с целью возврата их в производственный цикл. При этом растворенные в сточной воде соли переводятся в твердое состояние или в концентрированные растворы.
Поскольку различные технологии концентрирования солевых растворов наиболее эффективны в определенных диапазонах концентраций солей и имеют различные требования к качеству подготовки исходной воды, реальные схемы концентрирования солевых стоков обычно довольно сложны. Они содержат оборудование для предварительной очистки воды (от механических примесей, коллоидов и пр.) и ряд блоков по последовательному концентрированию солей, выполненных на основе различных технологий.
Для начального концентрирования разбавленных солевых растворов чаще всего используются методы обратного осмоса или электродиализа. Обратный осмос при практически применимых давлениях позволяет сконцентрировать соли до 50 г/л, в то время, как электродиализ позволяет достигать 100 и более граммов солей в литре концентрата [http://www.mediana-filter.ru/water_obessolivanie.html]
Диализ (греч. dialysis - разделение) - физический процесс диффузии через полупроницаемые мембраны ионов загрязнений из зоны больших в зоны меньших концентраций. Движущей силой диализа является разность концентраций по обе стороны перегородки, а коэффициент диализа (коэффициент массообмена), имеющий размерность скорости, определяется экспериментально. Электродиализ применяется для обессоливания природных (например, морских) вод, при очистке производственных стоков, а так же с целью утилизации кислот и щелочей. Солесодержание очищаемой воды может составлять несколько г-экв/л. [http://www.aqms.ru/kompany/articles/opresnenie_vody.html]
-
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. Катионо-обменные мембраны пропускают только положительно заряженные ионы (катионы), а анионообменные мембраны - только отрицательно заряженные ионы (анионы). Вода, содержащая растворенные соли подается одновременно в три камеры. Под действием постоянного тока из средней камеры катионы перемещаются к катоду, а аниониты к аноду. Из крайних камер ни катионы, ни анионы 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. Камеры, в которых наблюдается снижение концентрации солей, называются дилюатными, а камеры, которые обогащаются солями в процессе электродиализа, называются рассольными
[
К достоинствам электродиализного метода следует отнести то, что он не вызывает агрегатного изменения воды и не требует ее нагревания. Необходимый расход электроэнергии зависит не от количества обрабатываемой воды, а от содержания в ней солей. Недостатком метода является необходимость предварительной обработки воды для удаления из нее некоторых примесей (ионы железа, марганца, органические вещества и др.) для предотвращения преждевременного износа ионитовых мембран. html://edu.dvgups.ru/MET-DOC/ITS/GIDRA/VODOSN/METOD/VOLOVNIK/frame/5_2.html]
В практике водообработки для опреснения больших объемов воды применяются многокамерные электродиализаторы…
Аппарат состоит из нескольких разделенных ионитовыми мембранами камер, образующих ячейки. Каждая ячейка представляет собой емкость, разделенную катионообменной и анионообменной мембранами на три изолированные друг от друга части камеры - диализную и смежные с ней рассольную или электродную камеры. Ширина камер (расстояние между диафрагмами) 1…2 мм. Вся сборка находится в электрическом поле постоянного тока между электродами, которые могут быть установлены вертикально (аппараты с горизонтальной осью электрического поля) или горизонтально (аппараты с вертикальной осью электрического поля). Ионообменные (ионитовые) мембраны для электродиализных аппаратов представляют собой гибкие тонкие листы прямоугольной формы. Ячейки оснащены системой трубопроводов, обеспечивающих подвод обрабатываемой жидкости и реагентов, а также отвод очищенной воды и концентрата солей, которые удаляются из аппарата раздельно. [RU 121500, 2012; RU 56893, 2006; RU 64937, 2007; RU 41423, 2004].
Электролизаторы выполняются по нескольким схемам: прямоточной, при которой вода последовательно или параллельно проходит через ячейки, и ее очистка осуществляется в один проход; циркуляционной порционной, при которой вода многократно проходит через аппарат до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень очистки, циркуляционной непрерывного действия, по которой часть очищенной воды подмешивается к неочищенной воде и вновь поступает в аппарат. Каждая из схем имеет оптимальную область применения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является установка для обессоливания воды электродиализом, работающая проводимый в режиме EDM (Electrodialysis Methathesis). В основе ее работы лежит обменный процесс между сульфатом кальция и солью, катион которой образует растворимый сульфат, а анион - растворимую соль с кальцием, что позволяет их сконцентрировать вплоть до насыщенных рассолов без осадкообразования на оборудовании. Наиболее часто, такой солью выступает хлорид натрия. [Clean India Journal от 01/11/2011; _liquid_discharge_of_brackish_water/]. В этом случае использование электродиализа в режиме EDM позволяет получать из растворов, содержащих ионы кальция и сульфатионы, концентрированные растворы хлорида кальция и сульфата натрия, которые легко могут быть затем подвергнуты кристаллизации с получением товарных солей.
Такая установка состоит из электродиализатора и системы трубопроводов, обеспечивающих подвод к электродиализатору очищаемой воды и раствора хлористого натрия отвод из электродиализатора очищенную воду и отвод концентратов хлорида кальция и сульфата натрия.
Основным недостатком процесса EDM является потребность в значительных количествах реагента - хлорида натрия и относительно низкий спрос на сульфат натрия и хлорид кальция.
Задачей, решаемой авторами, являлась модификация установки электродиализа, позволяющей снизить расход хлорида натрия.
Технический результат достигается за счет того, что установка, содержащая электродиализатор и трубопроводы, обеспечивающие подвод к электродиализатору очищаемой воды и раствора хлористого натрия и отвод из электродиализатора очищенной воды и концентратов хлорида кальция и сульфата натрия, дополнительно содержит осадитель, который снабжен трубопроводом рециркуляции. В осадитель поступают выходящие из электродиализатора потоки концентратов, содержащих сульфат натрия и хлорид кальция и смешиваются между собой, а трубопровод рециркуляции обеспечивает рециркуляцию деконтанта, содержащего концентрированный раствор хлорида натрия в электродиализатор.
2
4
2
4
Общая схема установки приведена на фиг. 1, где используются следующие обозначения: 1 - эдектродиализатор (ЭД); 2 - осадитель (ОС); 3 - трубопровод подачи очищаемой воды (Тр 3); 4 - трубопровод подачи раствора хлористого натрия (Тр 4); 5 - трубопровод отвода очищенной воды (Тр 5); 6 - трубопровод отвода концентрата NaSO (Тр 6); 7 - трубопровод отвода концентрата СаС1 (Тр 7); 8 - трубопровод для выгрузки CaSO (Тр 8); 9 - трубопровод рециркуляции раствора хлористого натрия (Тр 9);
4(разбавленный)
(концентрированный)
2(концентрированный)
2
4(концентрированный)
Установка работает следующим образом. Поступающий в диализатор 1 по Тр 3 поток исходной воды содержит сульфаты и ион кальция в концентрации, при которой насыщения по сульфату кальция не достигается. В ходе процесса диализа в ЭД 1 происходит концентрирование как сульфат-ионов, так и ионов кальция., так что концентрированные потоки хлорид кальция и сульфата натрия содержат ионы кальция и сульфат-ионы в высоких концентрациях. Процесс, происходящий в диализной ячейке можно представить следующим уравнением реакции: CaSO+2NaCl→CaCl+NaSO.
2
2
4
По завершении процесса из ЭД 1 эвакуируются очищенная вода по Тр 5 и концентраты CaCl и NaSO по Тр 6 и 7. Последние поступают в осадитель 2, где при объединении солевых концентратов произведение растворимости сульфата кальция превышается, и он выпадает в осадок:
2(концентрированный)
2
4(концентрированный)
4
CaCl+NaSO→CaSO↓+2NaCl
4
При этом образуется концентрированный раствор хлорида натрия, который может быть подан на вход процесса EDM по Тр 9 и таким образом рекуперирован. Выпавший CaSO удаляется из ОС 2 по Тр 8.
Сущность заявляемого решения иллюстрируется следующим примером.
Пример. Вода для очистки, содержащая 1000 мг/л сульфата кальция, поступает в экспериментальную ячейку электродиализа, содержащую 20 пар гетерогенных мембран, собранных по «метатезисной» схеме. Одновременно в ячейку подается водный раствор хлорида натрия с концентрацией 22 г/л.
После прохождения диализатора были получены растворы концентрата сульфата натрия с концентрацией 52 г/л, хлорида кальция с концентрацией 41 г/л, очищенная вода, содержащая не более 70 мг/л ионов кальция и не более 160 мг/л сульфат-ионов.
Концентраты хлорида кальция и сульфата натрия поступили в осадитель, где после смешения выпал осадок сульфата кальция и получен раствор, содержащий 22% хлорида натрия, который далее рециркулировали в поток раствора хлорида натрия, используемого для метатезиса.
Полученные результаты показали, что при использовании заявляемого решения позволили более чем в 5 раз сократить расход хлористого натрия.