Бессточная технология обессоливания воды

БЕССТОЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ

A.B. Михайлин, В.А. Чухин

МГСУ

Повышение требований к качеству воды, используемой на технологические нужды промышленных предприятий, в том числе и тепловых электростанций, приводит к усложнению технологических схем водоподготовки, увеличению объема сброса промышленных сточных вод. Переход промышленности на новые экономические отношения приводит к постоянному значительному удорожанию себестоимости производства обессоленной воды. В связи с этим возникает вопрос о снижении затрат на водоподго-товку, т.е. встает вопрос о поиске принципиально новых подходов к подготовке обессоленной воды, особенно при использовании ионного обмена, который является практически единственным методом получения глубокообессоленной воды. Основной недостаток метода ионного обмена заключается в образовании большого объема минерализованных сточных вод, сброс которых в водоемы недопустим без многократного разбавления.

За последние годы в литературе появились данные о практическом использовании мембранной технологии, совместно используемой с ионным обменом для нужд теплоэнергетики, что позволяет уменьшить или полностью исключить сброс отработанных регенерационных растворов. Так институт МосводоканалНИИпроект разработал схему умягчении воды, при которой отработанный регенерационный раствор, имеющий концентрацию, равную концентрации исходного раствора, подвергается известково-содо-вому умягчению и таким образом используется многократно. Отмывочные воды, имеющие значительно меньшее солесодержание, концентрируются и смешиваются с исходным отработанным раствором и также подвергаются умягчению. Схема, реализованная на Крылатской РТС, позволила полностью прекратить сброс минерализованных стоков, которые ранее поступали в канализацию. Однако использование дефицитной соды, делают эту схему неприемлемой для многих промышленных предприятий, тем более, что производство соды связано с образованием токсичных отходов.

Возможность получения умягченной воды с одновременным удалением (выведением) части солеобразующих компонентов исходной воды в виде твердой фазы характерно также для способа, предложенного Н.П. Гнусиным. В данном способе исходную воду подвергают обработке гидроксидом натрия, взятом в избытке по отношению к ионам кальция и магния. При этом при pH воды 11,5.. .11,7 жесткость умягченной воды составляет 0,1 мг-экв/л, что сопоставимо с жесткостью воды при одноступенчатом натрий-ка-тионировании. Однако высокая гидратная щелочность воды не позволяет ее использование для получения пара или подпитки теплосети. Поэтому умягченную в осветлителе воду, после прохождения механического фильтрования, подают на электродиализные аппараты с биполярными и монополярными (катионитовыми) мембранами. В электродиализном аппарате (ЭДА) за счет разложения воды на ионы водорода и гидроксида в одних камерах происходит нейтрализация щелочности умягченной воды, а в других камерах, куда подается меньшее по объему количество умягченной воды, образуется щелочь за счет переноса ионов натрия через катионитовую мембрану и генерируемых биполярной мембраной ионов гидроксида OH-. Полученная щелочь возвращается на умяг-

ВЕСТНИК 2/2009

чение исходной воды в осветлитель. Таким образом, в этом способе реализуется совершенно новый подход к водоподготовке: использование компонентов исходной воды для ее обработки. При этом, в некоторых случаях, можно практически полностью отказаться от привозных реагентов. Недостатком этого способа является увеличение солесодер-жания исходной воды за счет добавления сверэквивалентной щелочи и необходимость ее дальнейшего извлечения на электродиализном аппарате.

Указанные выше схемы относятся к умягчению воды. Более сложные проблемы возникают при обессоливании воды методом ионного обмена, при котором для регенерации используются сверхэквивалентные количества кислоты и щелочи. Схема обессо-ливания воды, разработанная в МГСУ (рис.1), позволяет полнее использовать преимущества предыдущего способа.

СаС03 Мд(ОН)2

Рис.1 Схема обессоливания воды: 1 - катионитный фильтр; 2 - электродиализный аппарат с биполярными ионообменными мембранами; 3 - вакуумный декарбонизатор; 4 - анионитный фильтр; 5 - реактор; 6 - бак щелочи; 7 - бак умягченной смеси отработанных регенерационных растворов; 8,9,10 - насосы

Суть предложенного метода заключается в комбинировании №-катионитового фильтра и электродиализатора с биполярными и катионитными ионообменными мембранами. Исходную воду подают на вход катионитного фильтра 1 в №-форме, фильтруют через слой ионообменной загрузки и умягченный фильтрат, содержащий хлорид, сульфат и бикарбонат натрия подают в электродиализный аппарат 2 с биполярными и катионитными мембранами, где ион натрия с гидроксид ионом ОН-, генерируемым биполярной мембраной, образует щелочь, которую отводят в бак 6.

В кислотных камерах ЭДА происходит образование кислоты за счет генерации водородных ионов при разложении воды на границе раздела анионитного и катионитного слоев биполярной ионообменной мембраны. При равенстве содержания водородных ионов содержанию хлоридных и сульфатных ионов происходит нейтрализация природной щелочности исходной воды. Воду, имеющую после обработки в кислотных камерах электродиализного аппарата значение рН меньше 4, при котором бикарбонат ион НСО-3 пе-

реходит в диоксид углерода С02, подают на вакуумный декарбонизатор 3, отделяют диоксид углерода, а затем насосом 8 подают на вход анионитного фильтра 4, который находится в 0Н-форме. После фильтрования через слой ионообменной загрузки, при котором хлорид и сульфат ионы обмениваются на ион ОН-, на выходе анионитного фильтра 4 получают обессоленную воду.

После истощения загрузки анионитного фильтра 4, его регенерируют полученной в электродиализном аппарате 2 щелочью, которую подают насосом 9 из бака 6 в количестве пропорциональном содержанию анионов сильных кислот в исходной воде. Отработанный регенерационный раствор (ОРР), содержащий хлорид и сульфат натрия, подают в реактор 5, где смешивают с ОРР катионитного фильтра 1 предыдущей регенерации. Умягчение смеси отработанных регенерационных растворов катионитного 1 и анионитного 4 фильтров ведут полученной в электродиализном аппарате 2 щелочью, которую подают из бака 6 в реактор 5 в количестве пропорциональном содержанию ионов кальция и магния в исходной воде, причем часть подаваемой щелочи насыщают диоксидом углерода С02 до образования раствора соды с концентрацией, пропорциональной концентрации кальциевой жесткости в исходной воде. После умягчения смеси отработанных регенерационных растворов в реакторе 5 отстоенный и осветленный раствор собирают в бак 7 и насосом 10 подают на регенерацию катионитного фильтра 1. Отработанный регенерационный раствор, содержащий соли жесткости, подают для умягчения в реактор 5. Осадок из реактора 5, содержащий карбонат кальция и гидроксид магния направляют на обезвоживание и утилизацию. В процессе извлечения кислоты и щелочи из исходной воды происходит накопление хлорида и сульфата натрия. Избыточную умягченную смесь солей натрия из бака 7 направляют на упаривание, например, в установке погружного горения. Необходимым условием реализации полностью безреагент-ной технологии обессоливания воды является равенство щелочности воды общей жесткости. Предлагаемая схема была реализована в лабораторных условиях.

Ключееые слова: водоподготовка, ионный обмен, электродиализ. Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».