СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ
WATER DEMINERALISATION METHOD

Настоящее изобретение относится к области получения обессоленной воды путем пропускания ее через ионообменные катионитовые и анионитовые фильтры.
Известен способ обработки воды методом ионного обмена путем пропускания ее через 3 последовательно расположенных ионитных фильтра: 1-й фильтр загружен сильнокислотным катионитом; 2-й фильтр загружен слабоосновным анионитом, который располагается в верхней части фильтра, и сильнокислотным катионитом; 3-й загружен сильноосновным анионитом. Для регенерации анионита применяют раствор NaOH, который сначала пропускают через 3-й фильтр, а затем через анионит, загруженный во 2-м фильтре. Катионит регенерируют раствором НСl, причем этот раствор сначала пропускают через 1-й фильтр, а затем через катионит, содержащийся во 2-м фильтре (Патент 53-3350 Япония, МКИ В01J 1/09. Обработка воды методом ионного обмена. / Итикава Хадзимэ (Япония). - №47-23 013; заявлено 06.03.72).
К недостаткам этого способа можно отнести образование сточных вод, получаемых в процессе регенерации ионообменных фильтров и содержащих значительные количества хлоридов и сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов.
Известен способ очистки воды и водных растворов путем двухступенчатой ионной обработки и регенерации отработанного ионита с параллельным и противоточным движением очищаемой воды и регенерационного раствора, причем параллельный ток осуществляют на первой ступени, а противоток - на второй ступени обработки (А.с. 460712 СССР, МКИ С02В 1/16. Способ очистки воды и водных растворов. / Ф.Н.Белан, А.П.Мамет, Д.Л.Цырульников (СССР). - №1695223; заявлено 16.09.71).
К недостаткам данного способа следует отнести образование сточных вод, получаемых в процессе регенерации ионообменных фильтров и содержащих достаточно большие количества хлоридов и сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов.
Наиболее близким к заявляемому, т.е. прототипом, является способ обессоливания воды, включающий ионирование воды в катионитных и анионитных фильтрах, регенерацию фильтров, обработку отработавшего регенерационного раствора с выводом избытка регенеранта в нежидкую фазу, отделение регенеранта от отработавшего регенерационного раствора, растворение регенеранта в воде и повторное его использование. Примеси в ионируемой воде обменивают на легкорастворимые вещества, характеризующиеся пригодностью для регенерации как катионитных, так и анионитных фильтров и способностью быть выведенными из воды в нежидкую фазу, например на гидроксид аммония, обрабатывают ионированную воду с выводом растворенных в ней веществ в нежидкую фазу, отделяют их от воды, растворяют в воде и используют для регенерации ионообменных фильтров (Патент 2036160 Россия, МКИ C02F 1/42. Способ обессоливания воды. / К.К.Бекбулатов, В.Н.Суворов, И.В.Бекбулатова, Ю.В.Гассельбах, А.Г.Набиуллин, В.А.Михайлов, И.А.Закиров, А.С.Сапожников, Н.И.Варламов (Россия). Научно-технический кооператив Поиск. - №5002010/26; заявлено 29.08.91).
К основным недостаткам прототипа относится использование реагента, необходимого для вывода избытка регенерирующего вещества в нежидкую фазу, отделение полученного осадка от сточных вод и растворение этого осадка в воде для повторного использования, что усложняет процесс обессоливания воды. Кроме того, из сточных вод извлекается только избыток регенерирующего вещества, а хлориды и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов, образующихся в процессе регенерации, достаточно часто содержатся в сточных водах в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу - упрощение процесса обессоливания воды и очистку сточных вод, образующихся в процессе регенерации ионообменных фильтров, от хлоридов и сульфатов с одновременным получением щелочи и кислоты, которые могут использоваться в процессе регенерации ионообменных фильтров.
2
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе получения обессоленной воды путем пропускания ее через катионитовые и анионитовые фильтры и регенерации ионообменных фильтров растворами щелочи и кислоты, согласно изобретению, сточную воду, образующуюся при регенерации анионообменных фильтров, подвергают электрохимической обработке в средней камере трехкамерного электролизера с ионообменными мембранами при плотности тока 400…800 А/м, а образующуюся в катодной и анодной камерах щелочь и кислоту используют для регенерации ионообменных фильтров.
2
4
Обычная ионообменная установка для обессоливания воды включает две группы ионитовых фильтров, из которых первая служит для извлечения из воды катионов, а вторая группа фильтров служит для удаления из воды анионов. Регенерацию катионитовых фильтров проводят растворами кислоты (как правило, 2-4% раствором HSO). При этом получают сточную воду, содержащую в основном сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Регенерацию анионитовых фильтров осуществляют щелочными реагентами (как правило, 2-4% растворами NaOH). Образующаяся при этом сточная вода в основном содержит сульфат и хлорид натрия.
Пример 1
В таблице 1 представлено максимальное содержание солей в сточной воде, образующейся при регенерации ионообменных фильтров цеха водоподготовки Стерлитамакской ТЭЦ.
Таблица 1
Тип фильтра
Концентрация, г/л
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
CaSO<sub>4</sub>
MgSO<sub>4</sub>
K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
NaCl
H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
NaOH
Катионитовый
37,1
0,8
0,4
0,2
-
12,8
-
Анионитовый
32,5
-
-
-
4,9
-
15,7
Из результатов, приведенных в таблице 1, видно, что сточная вода, образующаяся на стадии регенерации катионитовых фильтров, в основном содержит сульфат натрия и серную кислоту. Вместе с тем, в составе этой сточной воды содержится до 0,8 г/л сульфата кальция и до 0,4 г/л сульфата магния. Сточная вода, образующаяся на стадии регенерации анионитовых фильтров, в своем составе содержит сульфат натрия, хлорид натрия и гидроксид натрия.
При электрохимической обработке сточных вод, образующихся в процессе регенерации катионитовых фильтров из-за наличия в них солей кальция и магния, поверхность катода покрывается осадком гидроокисей этих металлов, что делает процесс электрохимической очистки такого стока невозможным. В отличие от этого сточная вода после регенерации анионитовых фильтров содержит сульфаты и хлориды натрия и гидроксид натрия. При электрохимической обработке такого стока в трехкамерном мембранном электролизере в анодной и катодной камерах концентрируются растворы кислоты и щелочи соответственно.
+
-
2-
-
-
4
Способ обессоливания воды осуществляется следующим образом. Сточную воду, полученную в процессе регенерации анионитовых фильтров и содержащую сульфат натрия, хлорид натрия и гидроксид натрия помещают в среднюю камеру 2 трехкамерного электролизера (см. чертеж). В катодную камеру 1, отделенную катионообменной мембраной К, помещают 0,1 н. раствор гидроксида натрия. В анодную камеру 3, отделенную анионообменной мембраной А, помещают 0,1 н. раствор серной кислоты. В электрическом поле, создаваемом в электролизере при подаче напряжения на электроды, происходит перенос катионов Na из средней камеры через катионообменную мембрану в катодную камеру электролизера и анионов Сl, SO , ОН через анионообменную мембрану в анодную камеру электролизера. В катодной камере происходит разложение воды с выделением газообразного водорода и образованием анионов ОН
2
2
-
2НO+2е→Н+2OН.
В результате этого в катодной камере происходит концентрирование гидроксида натрия. В анодной камере разлагаются ионы хлора и гидроксила
-
2
2Сl-2е→Cl
-
+
2
2OH-2e→O+2H.
Это приводит к концентрированию в анодной камере серной кислоты.
Пример 2
Через среднюю камеру трехкамерного электролизера прокачивают сточную воду, полученную при регенерации анионитовых фильтров цеха водоподготовки Стерлитамакской ТЭЦ и содержащую 19,8 г/л сульфата натрия, 1,8 г/л хлорида натрия и 15,7 г/л гидроксида натрия. В катодную и анодную камеры электролизера заливают по 150 мл 0,1 н. раствора гидроксида натрия и серной кислоты соответственно. Процесс электрохимической обработки стока проводят при комнатной температуре в течение 6 часов при различных токовых нагрузках. Результаты опытов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сила тока, А
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Концентр. NaOH, г/л
Концентр. H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, г/л
Выход по току, %
Затраты электроэнергии, кВт·ч/кг
5
400
88,6
20,3
70,8
9,4
7,5
600
124,2
37,9
71,2
11,3
10
800
134,7
45,1
68,7
13,7
12,5
1000
153,4
62,9
65,2
15,0
15
1200
169,9
69,0
64,7
15,8
2
2
Из данных, представленных в таблице 2, видно, что гидроксид натрия и серная кислота, образующиеся в катодной и анодной камерах электролизера, могут использоваться для регенерации ионообменных фильтров. Увеличение плотности тока приводит к возрастанию концентрации кислоты и щелочи, снижению выхода по току и повышению энергозатрат на процесс. При плотностях тока выше 800 А/м происходит значительный разогрев растворов в электролизере, поэтому увеличение плотности тока выше 800 А/м не желательно.
Использование предлагаемого способа обессоливания воды по сравнению с существующим имеет следующие преимущества:
а) электрохимическая обработка сточных вод анионитовых фильтров приводит к уменьшению концентрации сульфатов и хлоридов в сточной воде без использования реагентной обработки;
б) растворы щелочи и кислоты, получаемые при электрохимической обработке сточных вод анионитовых фильтров, пригодны для их использования в процессе регенерации ионитовых фильтров.