СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ БОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PURIFYING UNDERGROUND WATERS FROM BORON IONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретения относятся к области обработки подземных вод с повышенным содержанием бора и могут быть использованы в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.
Известны способы удаления из воды ионов бора, заключающиеся в образовании и последующем осаждении твердого осадка в виде малорастворимого соединения в процессе химической реакции при добавлении соответствующих реагентов [1]. Эти способы являются трудоемкими и сложными по следующим причинам:
- низкие скорости фильтрования при отделении от воды осадка;
- получаемые осадки, как правило, малоконцентрированы по бору, не обладают постоянством состава и нуждаются в дополнительной переработке;
- исключается повторное использование осадителей.
Известны также способы удаления из воды ионов бора, основанные на мембранных технологиях [2]. Основным недостатком этих способов является то, что в отношении бора имеется ограничение для исходной воды: бор ≤1,5 ПДК.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ отделения, концентрирования и извлечения соединения бора из водного раствора, содержащего бор [3]. Способ включает отделение сильно диссоциированных ионов путем электромиграции сначала в одном отсеке, заполненном только катионообменным материалом, затем отделение бора путем электрохимической/химической диссоциации, ионного обмена/адсорбции и электромиграции, осуществляемое во втором отсеке, заполненном смесями катионных и анионных материалов, с последующим извлечением отделенного бора, рециркуляцией катионита, анионита и разбавленного раствора. Основными недостатками данного способа являются:
- использование различных ионообменных материалов и мембран, требующих последующей периодической регенерации, рециркуляции или замены;
- сложность эксплуатации из-за большого количества оперативных действий;
- высокая стоимость сооружений и большие эксплуатационные затраты.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [3, фиг.1], включающее корпус с расположенными в нем параллельно друг другу электродами, подключенными через проводники к источнику постоянного тока. Корпус содержит пять отсеков, заполненных различными ионообменными материалами, и четыре мембраны. Основными недостатками данного устройства являются:
- наличие значительного количества емкостей, отделенных друг от друга мембранами, в которых производятся различные сложные процессы: электродиализ, ионный обмен, разбавление, рециркуляция, диссоциация и адсорбция;
- отсутствие системы непрерывного контроля содержания бора в исходной и очищенной воде;
- отсутствие системы гибкого автоматического управления работой устройства;
- низкая надежность.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности процесса очистки воды от бора, обеспечение гарантированного качества очищенной воды независимо от количества ионов бора в исходной воде, расширение возможностей применения способа за счет компактности оборудования, обеспечение гибкого автоматического управления, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе очистки подземных вод от ионов бора, включающем направленное ламинарное движение очищаемой воды, удаление бора осуществляется в постоянном электрическом поле при градиенте потенциала в пределах от 2 до 5 В/см со скоростью, регулируемой с учетом изменения температуры исходной воды и требований к содержанию бора в очищенной воде, вода протекает через емкость, располагаемую под углом от 30° до 45° вверх и имеющую пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами, в верхней части емкости производится непрерывное удаление пузырьков газа, а затем движение воды разделяется на два потока, первый из которых, содержащий очищенную от ионов бора воду, направляется по горизонтально расположенной трубе к потребителю, а второй, содержащий увеличенное в процессе очистки количество ионов бора, направляется по наклоненной вниз под углом от 15° до 30° трубе меньшего диаметра в сток, причем соотношение площадей поперечного сечения между горизонтально расположенной трубой и трубой меньшего диаметра составляет от 1:10 до 1:3, а минимальная длина параллельно расположенных электродов L определяется по формуле:
лам
б
L=(Р×V)/V
лам
б
где V - скорость ламинарного движения воды в емкости; V - составляющая скорости движения ионов бора, направленная перпендикулярно от верхнего электрода к противоположно заряженному по отношению к удаляемым ионам бора нижнему электроду; Р - расстояние по перпендикуляру между электродами
Бор в природной воде может существовать в двух формах: катионной и анионной. В постоянном электрическом поле эти ионы обладают относительной подвижностью, величина которой может изменяться в зависимости от температуры воды [4]. Поэтому при ламинарном движении воды в постоянном электрическом поле происходит перенос катионов бора к катоду, а борат-анионов - к аноду. При этом ионы бора обладают низким электродным потенциалом. Например, у борат-анионов электродный потенциал равен 1.7929 В. Кроме того, в их состав входит кислород [5]. Поэтому борат-анионы и катионы бора сами не восстанавливаются и не окисляются на противоположно заряженных электродах, а только группируются около них.
Пример 1. При постоянной температуре исходной воды, проходящей через емкость, расположенную под углом 45° вверх и имеющую пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами, осуществлялось ламинарное движение исходной воды с различными содержаниями ионов бора в постоянном электрическом поле и при разных градиентах потенциала. Для каждого конкретного случая длина параллельно расположенных электродов L определялась по приведенной выше формуле. На выходе из емкости контролировалось содержание ионов бора в очищенной воде. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1
Градиент потенциала, В/см
Содержание ионов бора в исходной воде на входе в емкость, г/м
Содержание ионов бора в очищенной воде на выходе из емкости, г/м
1
1
0.3
3
0.27
10
0.32
2
1
0.22
3
0.22
10
0.31
5
1
0.33
3
0.38
10
0.42
7
1
0.44
3
0.49
10
0.53
10
1
0.50
3
0.62
10
0.81
Как видно из таблицы 1, при градиентах потенциала от 1 до 5 В/см обеспечивается гарантированное качество очищенной от бора воды независимо от содержания бора в исходной воде. Ухудшение качества очищенной воды при градиентах потенциала более 5 В/см объясняется увеличением количества пузырьков газа, которые, поднимаясь по наклонной емкости вверх вместе с водой, препятствуют движению ионов бора к противоположно заряженному электроду. Следует отметить, что при градиенте потенциала 1 В/см продолжительность процесса увеличивается. Поэтому для обеспечения желаемого технического результата, в частности, компактности оборудования и уменьшения строительных затрат режим очистки при градиенте потенциала 1 В/см не рекомендуется.
Исследования были проведены при поперечных сечениях емкости пятиугольной, круглой и квадратной формы. Лучшие результаты были получены при использовании емкости, имеющей поперечную пятиугольную форму (фиг.1).
Пример 2. Исследование влияния температуры исходной воды на подвижность ионов бора в постоянном электрическом поле.
-1
2
-1
5
-1
Предельная подвижность ионов бора в значительной степени зависит от температуры обрабатываемой воды [4, стр.411]. Так, например, при температуре 25°С предельная подвижность ионов бора равна 78.14 ом * см *г-экв. Это при градиенте потенциала 1 В/см соответствует скорости иона бора в воде: 8.1×10- м·с. Предельные подвижности при разных характерных для подземных вод температурах приведены в таблице 2.
Таблица 2
Температура, °С
0
5
15
18
25
Предельная подвижность, ом<sup>-1</sup> * см<sup>2</sup> *г-экв
46.2
49.2
63.1
68.0
78.14
2
-5
-1
В результате исследований было установлено, что управление процессом очистки воды путем регулирования скорости движения исходной воды вдоль противоположно заряженного по отношению к ионам бора электрода на основании контроля ее температуры затруднено из-за плохого соответствия данным, приведенным в таблице 2, и реальным результатам: погрешность в отдельных случаях составляла 40% и более. Поэтому для гарантированного обеспечения требуемого качества воды на выходе из емкости начальную скорость движения воды вдоль противоположно заряженного по отношению к ионам бора электрода рекомендуется устанавливать на основе минимальной предельной подвижности 46.2 см/г-экв. Это при градиенте потенциала 1 В/см соответствует скорости иона бора в воде: 4.77×10 м·с.
Пример 3. Для определения примерных габаритов установки, предназначенной для очистки воды от ионов бора, выведена формула, с помощью которой можно определять длины параллельно расположенных электродов в наклоненном вверх корпусе, имеющем в поперечном сечении пятиугольную форму.
Для удаления ионов бора из очищаемой воды длина параллельно расположенных электродов в наклоненном вверх корпусе должна быть такой, чтобы за время движения очищаемой воды вдоль этого корпуса все ионы бора смогли подойти к противоположно заряженному по отношению к ионам бора электроду, расположенному в треугольной части корпуса, и сгруппироваться возле него. Длина параллельно расположенных электродов зависит от следующих параметров:
лам
- скорости движения воды в корпусе, которая должна быть ламинарной V;
B
- составляющей скорости движения ионов бора V, направленной перпендикулярно электродам;
- расстояния по перпендикуляру между электродами Р.
На фиг.2 приведена схема для определения длины параллельно расположенных электродов в корпусе. На движение ионов бора влияют две скорости: скорость движения воды в корпусе под наклоном вверх и составляющая скорости движения ионов бора, направленная перпендикулярно электродам и соответствующая минимальной температуре воды. Требуемая длина параллельно расположенных электродов определяется из подобия треугольников ΔABC и ΔADE:
отсюда:
Для обеспечения надежного удаления ионов бора полная длина каждого электрода принимается с запасом:
i
L=L·К,
где К - коэффициент запаса, рекомендуется: К=1,1.
лам
B
Примеры выбора длины электродов в зависимости от принимаемых значений параметров V, V и Р. Рассматриваются два случая: при использовании градиентов потенциала 2 В/см и 5 В/см.
лам
-3
В обоих случаях принимаются: V=1×10 м/с и Р=0.1 м.
2
B
При градиенте потенциала 2 В/см и минимальной предельной подвижности 46.2 см/г-экв составляющая скорости движения ионов бора V, направленная перпендикулярно электродам, будет равна:
B
-5
-1
-5
-1
V=2×4.77×10 м·с=9.57×10 м·с.
-3
-5
Таким образом, длина электродов при рекомендуемом коэффициенте запаса К=1,1 будет равна: L=1.1×0.1×1×10/9.57×10=1.15 м.
2
B
При градиенте потенциала 5 В/см и минимальной предельной подвижности 46.2 см/г-экв составляющая скорости движения ионов бора V, направленная перпендикулярно электродам, будет равна:
B
-5
-1
-5
-1
V=5×4.77×10 м·с=23.85×10 м·с.
-3
-5
Длина электродов будет равна: L=1.1×0.1×1×10/23.85×10=0.46 м.
Таким образом, реализация предлагаемого способа очистки воды от ионов бора возможна на компактных (малогабаритных) установках.
Пример 4. Для определения оптимальных соотношений скоростей движения воды и площадей поперечного сечения в трубах отвода очищенной воды и сброса загрязненной воды в сток был проведен цикл лабораторных испытаний, заключающихся в следующем.
Исследовалась эффективность удаления загрязненной ионами бора воды при различных соотношениях площадей поперечного сечения в трубах отвода очищенной воды и сброса загрязненной воды в сток. При этом площади поперечного сечения трубы сброса загрязненной воды в сток принимались равными 5%, 10%, 15%, 20% и 30% по отношению к площади поперечного сечения в трубе отвода очищенной воды. Данные исследования проводились при соблюдении оптимальных условий, которые приведены в примерах 1, 2 и 3. Результаты исследований приведены в таблице 3.
Таблица 3
Содержание бора в исходной воде, мг/л
Соотношения площадей труб, %
5
10
15
20
30
Остаточное содержание бора в очищенной воде, мг/л
6,7
0.88
0.25
0.25
0,28
0.26
9,15
1.43
0.29
0.32
0.30
0.28
Как видно из таблицы 3, при соотношениях площадей от 1:10 до 1:3 эффективность очистки примерно одинакова, а при соотношении 1:20 эффективность значительно хуже. Таким образом, наиболее целесообразным с экономической точки зрения является соотношение 1:10.
Пример 5. Для определения оптимального угла наклона вверх емкости, имеющей пятиугольное поперечное сечение, были рассмотрены 5 вариантов:
а) горизонтальное расположение;
б) угол наклона вверх 30°;
в) угол наклона вверх 45°;
г) угол наклона вверх 70°;
д) вертикальное расположение.
Исследования проводились для проб с разным содержанием ионов бора в исходной воде при оптимальных режимах очистки и разных углах наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды.
Полученные результаты приведены в таблице 4. В этом случае труба сброса располагалась по отношению к трубе отвода очищенной воды под углом 90°.
Таблица 4
Содержание бора в исходной воде, мг/л
Расположение корпуса
а
б
в
г
д
Остаточное содержание бора, мг/л
2,5
0.33
0.28
0.23
0.44
0.55
4,35
0.40
0.30
0.26
0.50
0.52
6,7
0.48
0.38
0.32
0.58
0.77
9,15
0.52
0.43
0.33
0.61
0.81
Как видно из таблицы 4, при данных условиях наибольший эффект удаления бора из воды был достигнут в варианте «в»: угол наклона вверх пятиугольного корпуса равен 45°. Наиболее близким к варианту «в» был вариант «б». Поэтому рекомендуется принимать углы наклона вверх пятиугольного корпуса в пределах от 30° до 45°.
Пример 6. Для выбранного варианта «в», при котором угол наклона вверх пятиугольного корпуса был равен 45°, определялся оптимальный угол наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды. Рассматривались 4 варианта: углы наклона 90°, 45°, 30° и 15°. Результаты приведены в таблице 5.
Таблица 5
Содержание бора в исходной воде, мг/л
Углы наклона, град.
90°
45°
30°
15°
Остаточное содержание бора, мг/л
2,5
0.37
0.25
0.23
0.23
4,35
0.45
0.3
0.22
0.25
6,7
0.52
0.35
0.25
0.28
9,15
0.64
0.42
0.29
0.29
Как видно из таблицы 5, наибольший эффект удаления бора из воды был достигнут при углах наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды, равных 30° и 15°.
Предлагаемый способ реализуется в устройстве для очистки воды от ионов бора, которое содержит наклоненный вверх по направлению движения воды корпус, имеющий в поперечном сечении пятиугольную форму, с расположенными в нем параллельно друг другу неполяризующимися электродами, подключенными через проводники к источнику постоянного тока; на выходе из корпуса расположены воздушный вантуз, труба большего диаметра для отвода очищенной воды с датчиком бора и электрофицированной задвижкой, труба меньшего диаметра для отвода загрязненной воды в сток, выходящая из треугольной части корпуса с электрофицированной задвижкой, на входе в корпус расположена подающая труба с электрофицированной задвижкой, датчиками бора и температуры, причем все электрофицированные задвижки, датчики бора и температуры и источник постоянного тока соединены проводниками с блоком управления.
На фиг.3 приведена общая схема устройства.
Устройство содержит блок управления 1, источник постоянного тока 2, водозаборную скважину 3 с расположенным в ней погружным электронасосом 4 и подающей трубой 5, на верхней части которой расположены датчик бора 6, датчик температуры воды 7 и подводящий патрубок 8, на котором имеется задвижка 9 с электрическим приводом. Патрубок 8 соединен с наклоненным вверх под углом от 30° до 45° по направлению движения воды корпусом из диэлектрика 10, имеющим в поперечном сечении пятиугольную форму, на верхней плоской внутренней поверхности которого расположен инертный электрод 11, а в нижней треугольной части - инертный электрод 12, на выходе из корпуса в верхней его части располагается воздушный вантуз 13 для удаления из воды выделяющихся на электродах газов, а затем патрубок 14, на котором имеется задвижка 15 с электрическим приводом. С помощью патрубка 14 верхняя прямоугольная часть каждого корпуса соединена с расположенной горизонтально трубой большего диаметра 16 для отвода очищенной воды потребителю, на которой установлен датчик бора 17. Нижняя треугольная часть корпуса соединена через патрубок 18, оборудованный задвижкой 19, с электрическим приводом с трубой меньшего диаметра 20, предназначенной для отвода загрязненной воды в сток. Труба 20 расположена по отношению к трубе 16 под углом от 15° до 30° вниз. Все электрические приводы задвижек, датчики бора и температуры, источник постоянного тока и двигатель погружного электронасоса соединены проводниками с блоком управления 1.
Устройство для очистки воды от ионов бора работает следующим образом. В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок автоматического управления 1 введены следующие уставки:
- суточный график обеспечения расходов очищенной воды, подаваемой потребителям;
- максимальная допустимая величина остаточного содержания ионов бора в очищенной воде;
- начальная скорость движения воды в корпусе 10 (определяется на основании предварительно проведенных исследований);
- алгоритмы управления всеми электрофицированными задвижками (составляются по результатам предпусковых испытаний);
- предельные (минимальная и максимальная) величины градиента потенциала определяются на основании предварительно проведенных исследований.
Перед началом работы закрыты все электрофицированные задвижки и отключен источник постоянного тока 2. После включения погружного электронасоса 4 по сигналу блока управления 1 включается источник постоянного тока 2, подающий разность потенциала на инертный электрод 11 и инертный электрод 12, а также последовательно осуществляется открытие задвижек 9, 19 и 15. Затем на основании показаний датчика бора 6 и датчика температуры воды 7 по сигналу блока управления 1 на источнике постоянного тока 2 устанавливается начальный (максимальный) градиент потенциала. В дальнейшем на основании показаний датчика бора 17 осуществляется регулирование в установленных пределах градиента потенциала. Если при таком регулировании датчик бора 17 показывает превышение установленной максимальной величины содержания бора в очищенной воде, осуществляется регулирование (уменьшение) открытия задвижки 15.
При завершении работы установки по сигналу блока управления 1 последовательно закрываются задвижки 15, 19 и 9, затем отключаются погружной электронасос 4 и источник постоянного тока 2.
В зависимости от производительности скважины возможно устройство двух и более параллельно расположенных корпусов 10.
Возможны три варианта реализации устройства для очистки воды от ионов бора.
Вариант 1. При необходимости удаления из исходной воды только борат-анионов в нижней треугольной части корпуса располагается инертный электрод 12 (анод), а в верхней прямоугольной части - инертный электрод 11 (катод) (фиг.1, фиг.3).
Вариант 2. При необходимости удаления из исходной воды только катионов бора в нижней треугольной части корпуса располагается инертный электрод 12 (катод), а в верхней прямоугольной части - инертный электрод 11 (анод) (фиг.1, фиг.3).
Вариант 3. При необходимости удаления из исходной воды всех ионов бора предусматривается последовательное расположение двух корпусов 10 (фиг.3), в первом из которых осуществляется, например, удаление борат-анионов (вариант 1), а во втором - удаление катионов бора (вариант 2).
При этом второй наклонный корпус подсоединяется к первому наклонному корпусу через патрубок 14 перед задвижкой 15.
По сравнению с прототипом новые способ и устройство обладают следующими преимуществами.
1. Высокая надежность процесса удаления ионов бора из воды за счет полной автоматизации и гибкого автоматического управления.
2. Обеспечивается гарантированное качество очищенной от бора воды независимо от количества ионов бора в исходной воде.
3. Расширяются возможности применения за счет компактности оборудования: появляется возможность устанавливать устройства на каждой водозаборной скважине, при этом отпадает необходимость строительства дорогостоящих водоочистных сооружений с насосными станциями и водоводами, подающими исходную воду на эти станции и отводящими очищенную воду для подключения к сети потребителей.
4. Значительно снижается строительная стоимость устройства за счет его малых габаритов и возможности расположения в существующих павильонах над скважинами.
5. Уменьшаются эксплуатационные затраты за счет полной автоматизации, отсутствия необходимости в использовании расходных материалов (реагенты, мембраны, растворимые электроды) и минимальных затрат электроэнергии на очистку (при градиенте потенциала до 5 В/см, сила тока находится в пределах от 0,01 до 0,1 А).
Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения. Устройства могут быть заводского серийного изготовления.
ЛИТЕРАТУРА
1.Ковалев М.П., Назарова А.А., Лавров И.А. «Удаление бора из воды методом обратного осмоса» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mediana-filter.ru/bor_remove.html.
2. Ивлева Г.А. Барьерные функции технологий подготовки подземных вод для хозяйственно-питьевых целей / Г.А. Ивлева, Л.С.Алексеев // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - №9. Ч.2. - С.33-38.
3. Патент на изобретение РФ №2319536. Отделение и извлечение бора. Опубл. 20.03.2008. Бюл. №8.
4. «Курс физической химии» под общей редакцией чл.-корр. АН СССР проф. Я.И. Герасимова. Том II, издание второе, исправленное Издательство «Химия», 1973, Москва. - С.404, Таблица XVII, 2. «Предельные подвижности ионов в воде при 25°С»
5. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. Справочное издание. М.: Химия. 1989 г. - С.279.