СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛУБОКО ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ ИЗ ПРЕСНЫХ ВОД
METHOD OF OBTAINING DEEPLY DESALINATED WATER FROM FRESH WATER

Описание изобретения
Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано при получении глубоко обессоленной воды для нужд микроэлектроники (например, промывки деталей и приготовления технологических растворов), медицины, фармацевтики и косметики (например, приготовление средств на водной основе, принятие оздоровительных и лечебных процедур). Качество и чистота воды играют существенную роль, непосредственно влияют не только на качество и характеристики конечного продукта, но и на технологию производства в целом. В связи с этим проблема очистки воды для ее использования в различных отраслях стоит очень остро.
Получение глубоко обессоленной воды - сложный и многостадийный процесс, требующий специального оборудования (дистилляторов, ионообменных колонн и т.д.), в результате которого образуются вторичные отходы, которые также необходимо очищать и утилизировать.
В процессах водоподготовки в настоящее время широко используется обратный осмос с использованием полупроницаемых мембран, что позволяет снизить энергозатраты, сэкономить производственные площади. При обессоливании пресных вод применяются специально предназначенные для этого мембраны, а при обессоливании солоноватых и соленых вод - мембраны для морской воды. Мембраны обоих типов выпускаются промышленностью и хорошо известны специалистам.
В то же время применение обратного осмоса для обессоливания очень разбавленных растворов с солесодержанием 3-5 мг/л является малоэффективным, т.к. в этом случае не удается достичь солесодержания менее 1-1,5 мг/л, даже увеличивая число ступеней обратного осмоса и используя самые эффективные на сегодняшний день мембраны для пресной воды. Поэтому после обратного осмоса требуются дополнительные стадии, например, ионный обмен.
Известен способ обработки сточных вод, описанный в JP 11-342379 (кл. В05D 3/10, опубл. 14.12.1999), в котором используют трехступенчатый обратный осмос, причем концентрат с каждой ступени подают в емкости для воды, пермеат с первой и второй ступеней - на последующие ступени обратного осмоса, а пермеат с третьей ступени отводят в качестве целевого продукта и используют его для промывки изделий. На всех ступенях обратного осмоса используют мембраны для пресной воды. Этот способ позволяет получить техническую воду, которая по своему химическому составу и содержанию солей не является глубоко обессоленной.
Из US 2006/0157410 (кл. В01D 61/58, опубл. 20.07.2006) известен способ обессоливания морской воды, включающий стадии нанофильтрации, двухступенчатого обратного осмоса, в котором на вторую ступень обратного осмоса подают концентрат с первой ступени, а пермеат с обеих ступеней смешивают, получая, таким образом, питьевую воду высокого качества с высоким выходом. На обеих ступенях обратного осмоса используют мембраны для морской воды. Этот способ позволяет удалить соли жесткости и сульфаты, однако полученная вода не является глубоко обессоленной.
Способ обессоливания морской воды, описанный в WO 2007/132477 (кл. С02F 1/44, опубл. 22.11.2007) аналогичен предыдущему и имеет те же достоинства и недостатки. Здесь на обеих степенях обратного осмоса использованы мембраны для морской воды HR 8040 TFC.
Из US 2003/0141250 (кл. В01D 61/00, опубл. 31.07.2003) известен способ обессоливания воды, преимущественно морской, путем ее предварительной обработки, на одной из стадий которой используют мембранный модуль, пермеат из которого направляют на обратноосмотическое обессоливание. Концентрат с первой ступени обратного осмоса подают на вторую ступень, а пермеат является целевым продуктом. Авторы данного патента не конкретизировали, какие именно мембраны они использовали на обеих ступенях обратного осмоса, но, очевидно, что это мембраны для морской воды, т.к. концентрат представляет собой высокосолевой раствор. Этот способ также не позволяет получить глубоко обессоленную воду.
Известен также способ обессоливания морской воды, описанный в JP 2003-236541 (кл. С02F 1/44, опубл. 26.08.2003). Этот способ включает предварительную обработку воды и последующее обратноосмотическое обессоливание. Концентрат с первой ступени обратного осмоса удаляют, а пермеат направляют на вторую ступень. Для предотвращения образования отложений на мембране второй ступени обратного осмоса, таких, как соли жесткости, пермеат с первой ступени подвергают декарбонизации, добавляют антискалянт и доводят рН до 8-10, что усложняет процесс, т.к. используются дополнительное оборудование и реагенты. В данном патенте не раскрыто, какие именно мембраны используют на обеих ступенях обратного осмоса. Однако очевидно, что это мембраны для морской воды, поскольку на первой ступени обрабатывается именно морская вода, а полученный пермеат, направляемый на вторую ступень, является солевым раствором, а не пресной водой. Поэтому данный способ не применим для обессоливания пресной воды и не позволяет получить глубоко обессоленную воду.
Из RU 2331592 (кл. С02F 9/14, опубл. 18.06.2003) известен способ очистки воды, полученной в процессе Фишера-Тропша, включающий следующие стадии: первичную обработку путем перегонки, вторичную обработку экстракцией для удаления органики, третичную биологическую обработку для удаления углеводородов и конечную четвертичную стадию, на которой получают очищенную воду, пригодную для дальнейшего использования в этом технологическом процессе. Последняя стадия включает разделение твердого вещества и жидкости фильтрацией, последующую микрофильтрацию и обработку фильтрата в блоке обратного осмоса, оснащенном мембраной для морской воды. В этом документе не раскрыто количество ступеней обратного осмоса. Однако из сведений о составе полученной воды, приведенных в примере и таблицах, видно, что ее нельзя считать глубоко обессоленной.
Наиболее близким к предложенному способу является способ, известный из RU 2283288 (кл. С02F 9/08, опубл. 10.05.2006). Известный способ получения глубоко обессоленной воды из пресной воды включает предварительное осветление воды, взятой из реки Кама, ее очистку от механических примесей фильтрацией, умягчение, декарбонизацию и последующее двухступенчатое обратноосмотическое обессоливание. Первая ступень оснащена мембранами для пресной воды BW, а вторая - мембранами для морской воды SW. Как указано в описании, две и более ступеней обратного осмоса смонтированы последовательно по ходу движения концентрата. Поэтому на вторую ступень обратноосмотического обессоливания подают концентрат, полученный на первой ступени, являющийся солевым раствором. Следовательно, в известном способе получения глубоко обессоленной воды мембраны обеих типов используются по своему прямому назначению. Из таблиц, приведенных в описании, видно, что пермеат, полученный после двухступенчатого обратноосмотического обессоливания, имеет солесодержание от 2,9 до 18,5 мг/л. Для получения глубоко обессоленной воды, имеющей солесодержание менее 0,3 мг/л, пермеат направляют на дополнительную ступень ионообменного дообессоливания на Н-ОН-фильтрах, загруженных катионитом. Недостатки прототипа:
- необходимость регенерации ионитов, в результате чего увеличивается количество вторичных стоков, которые, в свою очередь, также необходимо очищать;
- недостаточная производительность процесса, связанная с остановками для регенерации;
- многостадийность и сложность аппаратурного оформления процесса.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является исключение вторичных стоков, упрощение процесса и повышение его производительности, при сохранении высокого качества глубоко обессоленной воды, а также расширение ассортимента используемых источников пресной воды.
Это достигается тем, что в способе получения глубоко обессоленной воды из пресных вод путем двухступенчатого обратноосмотического обессоливания с получением на каждой ступени концентрата и пермеата, в котором на первой ступени обратного осмоса используют мембраны для пресной воды, а на второй ступени обратного осмоса - мембраны для морской воды, согласно изобретению на вторую ступень обратного осмоса подают пермеат, полученный на первой ступени, а пермеат со второй ступени является целевым продуктом. Концентраты первой и второй ступеней направляются на смешение с исходной водой на вход первой ступени, в результате чего происходит их многократное разбавление исходной водой. Это не оказывает существенного влияния на ее солесодержание.
Неожиданно было обнаружено, что при такой организации процесса с использованием мембраны для морской воды на второй ступени обратного осмоса не по прямому назначению, а для обессоливания пресной воды, каковым является пермеат, полученный на первой ступени, возможно получить целевой продукт с солесодержанием менее 1-1,5 мг/л уже после второй ступени обратного осмоса, исключив, таким образом, ступень ионообменного дообессоливания, и устранить отмеченные выше недостатки, присущие наиболее близкому аналогу.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Водопроводную воду, имеющую солесодержание около 500 мг/л, подвергали двухступенчатому обратноосмотическому обессоливанию, используя мембраны для пресной воды на первой ступени и мембраны для морской воды - на второй. Пермеат, полученный на первой ступени, содержащий 3-5 мг/л солей, подщелачивали до рН 8 для связывания диоксида углерода и осаждения карбонатов и направляли на вторую ступень обратного осмоса. Концентраты с первой и второй ступеней объединяли и смешивали с исходной водой, подаваемой на вход первой ступени. Солесодержание исходной воды изменялось в пределах допустимой ошибки. Солесодержание пермеата, полученного на второй ступени обратного осмоса, - 0,3-0,4 мг/л, что сопоставимо с солесодержанием пермеата после Н-ОН-фильтров в прототипе.
Пример 2
Все операции аналогичны примеру 1, но использовали речную воду с солесодержанием 500 мг/л, которую предварительно осветляли и очищали от механических примесей. Солесодержание пермеата, полученного на второй ступени обратного осмоса, - 0,4 мг/л.
Пример 3
Все операции аналогичны примеру 2, но использовали озерную воду с солесодержанием 300 мг/л. Солесодержание пермеата, полученного на второй ступени обратного осмоса, - 0,4 мг/л.
Пример 3 (сравнительный)
Водопроводную воду с солесодержанием 300 - 500 мг/л очищали аналогично примеру 1, но на обеих ступенях обратного осмоса использовали мембраны для пресной воды. Солесодержание пермеата, полученного на второй ступени обратного осмоса, превышало 1,5 мг/л.
Дополнительно проведенный опыт с использованием мембран для морской воды на обеих ступенях обратного осмоса при обессоливании пресной воды показал нецелесообразность такого использования этих мембран ввиду увеличения энергозатрат и снижения производительности процесса. При этом качество обессоливания не улучшилось.
Во всех опытах использовали мембраны, выпускаемые промышленностью.
Из представленных примеров видно, что предложенный способ позволяет упростить процесс получения глубоко обессоленной воды, ликвидировать вторичные стоки, дополнительные химические реагенты и стадии ионного обмена, использовать различные источники пресной воды с получением стабильно высокого результата. Процесс возможно осуществлять в непрерывном режиме, что существенно повышает его производительность.