ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Березниковский филиал
Кафедра химической технологии и экологии
Литературный обзор
по курсу: «Научно - исследовательская работа студентов»
на тему: «Методы очистки речной воды и их усовершенствования»
Выполнил студент гр. ТНВ 16-в
Шаравьёва Т.В.
Проверил канд.техн. наук, доцент кафедры ХТ и Э
Косвинцев О.К.
Березники, 2020
РЕФЕРАТ
Отчёт содержит 21 стр., 3 табл.,10 ист.
ВОДОПОДГОТОВКА, ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ, ИОННООБМЕННЫЙ МЕТОД, РЕГЕНЕРАЦИЯ.
Объектом исследования является: способы очистки речной воды, которая содержит в своем составе соли жесткости.
Цель работы является: пути совершенствования эффективности ионообменного метода обессоливания воды.
В процессе исследования рассмотрены методы обессоливания воды:
Дистилляция, термический способ; ионообменный; мембранный обратный осмос; электрохимический.
Установлено, что более экономичным и эффективным будет ионообменный метод.
Предложено заменить раствор серной кислоты на раствор поваренной соли, что позволит увеличить продолжительность работы ионообменных фильтров, увеличить срок службы фильтрующей загрузки Н-катионитовых фильтров и снизить расход реагента для регенерации катионита.
|
|
|
Предлагаемый проект может быть использован при замене реагента в катионитовом фильтре I ступени в процессе обессоливания воды отделения ХВО в филиале "Азот" АО "ОХК "УРАЛХИМ".
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 4
ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ. СПОСОБЫ ОБЕССОЛИВАНИЯ……………5
ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА.. 9
ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР. 10
ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОЦССА………………..12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 22
ВВЕДЕНИЕ
Отделение химводоочистки производит осветленную, частично обессоленную и обессоленную воду, которая используется в производственных процессах всего предприятия. Очищенная вода используется для приготовления растворов, промывки оборудования и т.д.
Основной целью водоподготовки является повышение эффективности технологического процесса путем ионного обмена и улучшение технико-экономических показателей.
Частично обессоленная вода поступает в цеха по производству аммиачной селитры, нитрит - нитратных солей (ННС), карбамида, слабой азотной кислоты, аргон и для производства обессоленной воды в качестве питательной воды парового котла и в технологии .
|
|
|
Обессоленная вода используется в таких цехах как крепкой азотной кислоты в производстве аммиака. Для охлаждения газов, воздуха в охладительных установках и т.д.
Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.
Основными задачами водоподготовки являются: предотвращение образования на внутренних поверхностях теплообменных и пароперегревательных труб различного вида отложений кальциевых соединений и окислов железа. Так же от коррозии конструктивных материалов основного и вспомогательного оборудования, разрушений в условиях их контакта с паром и водой полное удаление кислорода и углекислоты в питательной воде [1].
ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ. СПОСОБЫ ОБЕССОЛИВАНИЯ
Обессоливание воды означает уменьшение содержания в ней растворенных солей. Этот процесс называют также деионизацией, или деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс называют опреснением.
|
|
|
Нормами на питьевую воду предусмотрено, что их солесодержание должно быть менее 1 г/л, и лишь по специальному решению разрешается использовать воду с солесодержанием до 1,5 г/л. Однако в ряде регионов Израиля подземные воды содержат больше солей. Морская вода, составляющая основной запас воды на Земле, содержит от 10 до 40 г/л солей. Для использования таких вод для питьевых целей ее подвергают опреснению.
Для многих процессов в теплоэнергетике, химии, электронике требуется вода, содержащая минимальные количества солей, вплоть до сверхчистой, которая практически их не содержит.
Существует несколько способов обессоливания:
- термический;
- ионообменный;
- мембранные;
- обратный осмос;
- электродиализ;
- комбинированные.
Для опреснения засоленных вод используется термический метод, обратный осмос и электродиализ. Потребление при ионном обмене реагентов и объем отходов пропорциональны солесодержанию очищаемой воды, и поэтому его применение считается экономически оправданным при содержании солей до 2 г/л.
Термический метод позволяет обессолить воду с любым солесодержанием.
Во всем мире для опреснения морской воды наибольшее распространение получили установки обратного осмоса. Они обеспечивают получение воды с заданным высоким качеством. Лидирующее положение этого метода укрепляется по мере продолжающегося прогресса в технике изготовления мембран и дополнительного оборудования.
|
|
|
Для получения глубокообессоленной (деионизированной) воды используется как чисто ионообменная технология, так и ее комбинация с различными методами очистки, включающая обратный осмос. Термический метод, который ранее был обязателен для получения апирогенной воды для медицинских целей, и здесь уступил место обратному осмосу с УФ-облучением.
Недостатки.
Старейшим методом получения обессоленной воды (дистиллята) является термический метод – перегонка, дистилляция, выпарка.
Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Для испарения воды требуется подвести, а при конденсации пара – отвести тепло фазового перехода. При образовании пара в него наряду с молекулами воды переходят и молекулы растворенных веществ в соответствии их летучестью.
Важнейшим преимуществом данного метода являются минимальные количества используемых реагентов и объем отходов, которые могут быть получены в виде твердых солей.
Тепловая и экономическая эффективность метода определяется режимом испарения и степенью рекуперации тепла фазового перехода при конденсации пара.
По характеру использования дистилляционные установки подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые и термокомпрессионные.
Наибольший интерес представляет использование выпарных установок в сочетании с ионообменными и реагентными схемами. В этих условиях возможно оптимизировать расход реагентов, тепла и решить как экономические, так и экологические проблемы.
Ионообменный метод, наиболее распространенный способ обессоливания воды. Это наиболее отработанный и надежный метод.
Частичное обессоливание воды происходит при ее умягчении методами Н-Na-катионирования, Н-катионирования с голодной регенерацией, Н-катионирования на слабокислотном катионите. В этих процессах происходит извлечение солей жесткости и частичная их замена на катион водорода, который разрушает бикарбонат-ионы с последующим удалением образовавшегося газа из воды. Степень обессоливания соответствует количеству удаленного СаСО3.
При глубоком обессоливании из раствора удаляются все макро- и микроэлементы, т.е. соли и примеси. Степень очистки раствора по каждому макроэлементу (катиону и аниону) зависит от их сродства к данному иониту, т.е. от расположения в рядах селективности. Подбирая иониты, степень их регенерации и количество ступеней очистки, можно добиться необходимой глубины очистки воды практически любого исходного состава.
Обессоливание может проводиться в одну, две, три ступени или смешанным слоем ионитов. В каждой ступени раствор последовательно очищается сначала на катионите в Н-форме (при этом извлекаются все находящиеся в растворе катионы), а затем на анионите в ОН-форме (при этом извлекаются находящиеся в воде анионы). Более глубокое извлечение анионов может протекать только на сильноосновных анионитах.
Высокую степень очистки можно обеспечить в одном аппарате со смесью катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме, фильтре смешанного действия. В этом случае отсутствует противоионный эффект, и из воды за один проход через слой смеси ионитов извлекаются все находящиеся в растворе ионы. Очищенный раствор имеет нейтральное рН и низкое солесодержание, примерно в 5-10 раз ниже, чем на одной ступени ионного обмена. Допускается работа с очень высокими скоростями очистки раствора, зависящими от его исходного солесодержания.
После насыщения ионитов для их регенерации смесь необходимо предварительно разделить на чистые катионит и анионит (они, как правило, имеют некоторое различие по плотности). Разделение может производиться гидродинамическим методом или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ным раствором щелочи.
Из-за сложности операций разделения смеси ионитов и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод, например, контурных, для глубокой доочистки воды, обессоленной на раздельных слоях ионитов либо обратным осмосом. То есть в тех случаях, когда регенерация проводится редко, либо иониты применяют для получения сверхчистой воды с сопротивлением, близким к 18МОм/см, в энергетике и микроэлектронике – там, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.
Мембранный метод. Применяется для извлечения растворенных веществ из воды. Уровень обессоливания определяется селективностью мембран. Методом нанофильтрации можно достигнуть частичного обессоливания, удалив соли жесткости вместе с двухзарядными анионами и частично – однозарядные катионы натрия и калия и анионы хлора.
Более глубокое обессоливание обеспечивает низконапорный обратный осмос. Максимальная эффективность по всем компонентам обеспечивается обратноосмотическими мембранами, работающими при высоком давлении. Суммарная степень обессоливания зависит от катионного и анионного состава воды и ориентировочно составляет: для нанофильтрации 50-70%, для низконапорного обратного осмоса 80-95%, для высоконапорного 98-99%.
Для обеспечения нормальной эксплуатации обратноосмотических и нанофильтрационных установок необходимо, чтобы вода, подаваемая на мембраны, соответствовала определенным нормам, а именно:
Подаваемая на мембраны вода должна содержать:
- менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;
- менее 2-3 мг О2/л коллоидных загрязнений;
- свободного хлора менее 0,1 мг/л для композитных полиакриламидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных;
- малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;
- микробиологические загрязнения должны отсутствовать;
- температура подаваемой воды не должна превышать 35-45oС;
- рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 для полиакриламидных.
Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить предочистку воды перед ее подачей на мембранную установку. Она включает в себя узлы: механической фильтрации-обезжелезивания, дехлорирования, умягчения и дозирования ингибитора, обеззараживание ультрафиолетом.
Важным аспектом при расчете мембранных установок является учет температуры питающей воды.
Обратный осмос предназначен для удаления из воды частично или полностью растворенных солей и других примесей. Процесс обессоливания осуществляется методом подавления воды под давлением в 10 Мпа через фильтр , в котором установлены полунепроницаемые мембраны. Кроме того , процесс обратного осмоса воды применяется в тех случаях , когда нужно из точных вод промышленных предприятий извлечь ценные компоненты , а также промышленные отходы, чтобы впоследствии и утилизировать.
Недостатки этого способа:
1. Большая габаритность установочной системы.
2. Высокая цена.
3.Система может работать при превышении порога давления на мембрану, что заставляет добавлять в систему дополнительную помпу, это приводит к дополнительным расходам и к увеличению стоимости.
4.При промывании мембраны, большее количество воды сливается в канализацию, примерно от двух до десяти литров на один литр очищенной воды [2].
Рассмотрев все методы обессоливания, наиболее эффективным и менее затратным является ионообменный метод. Остановимся на более подробном рассмотрении этого метода.
ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА
Обессоливание методом ионообмена не требует предварительного умягчения и выделяется минимальным количеством отходов и малыми габаритными размерами самого устройства. Обессоливание методом ионного обмена подразумевает последовательную обработку воды сначала на сильнокислотном катионообменном фильтре (КАТ) со смолой в Н-форме, затем на сильноосновном анионообменном фильтре (АН) со смолой в ОН-форме. При этом проистекают следующие реакции:
КАТ – Н + MgSO4 → KAT – Mg + H2SO4 (1)
КАТ – Н + Ca(HCO3)2 → KAT – Ca + H2CO3 (2)
КАТ – Н + NaCl → KAT – Na + HCl (3)
H2CO3 → H2O + CO2↑ - удаляется путем дегазации (4)
AH – OH + H2SO4 → AH – SO4 + H2O (5)
AH – OH + HCl → AH – Cl + H2O (6)
Таким образом, из воды удаляются катионы Mg2+, Ca2+, Na+ и анионы NO3-, SO42-, Cl-, т. е. производится полное обессоливание воды.
Регенерацию Н - катионовых фильтров производят раствором кислоты HCl, а ОН - анионитовых – раствором щелочи NaOH.
Обычно цикл регенерации ионообменных смол заключается в следующем: встряхивание загрузки, подача реагента, промывка загрузки после реагента, смыв. Причем, все названные потоки объединяются в общей дренажной трубе. При этом при восстановлении 1 м3 загрузки образуется 5-8 м3 жидких отходов, представляющих собой малоконцентрированные солевые растворы.[3]
Для значительного снижения количества получаемых отходов используется, так называемый, экономичный способ регенерации, который подразумевает разделение потоков реагента и промывной воды. Названный способ регенерации ионообменных загрузок.
Основными технологическими показателями работы ионитного фильтра являются:
Производительность фильтра, м3 /час;
Скорость фильтрования исходной воды, регенерационного раствора, промывной воды, м3 /час;
Рабочая обменная емкость фильтра, г-экв;
Качество обработанной фильтром воды, определяемое по остаточному содержанию поглощаемых из нее ионов, мг-экв/м3;
Удельный расход регенерируемых веществ, г-г/экв.
Показателем нормальной работы ионитного фильтра это: рабочая обменная емкость загруженного в него материала, которая отражает в себе изменения почти всех остальных технологических показателей фильтра, как: скорость фильтрования исходной воды, скорость взрыхляющей промывки, скорость пропуска регенерационного раствора и отмывочной воды, характеристика зернистости ионита, концентрация регенерационного раствора, качество исходной воды и ее температура.
При работе Н –катионитовых фильтров ведут контроль за качеством воды, которая имеет следующие показатели: кислотность не более 7 ммоль/дм3, содержание ионов натрия не более 6,9 мг/дм3, жесткость не более 0,3 ммоль/дм3 .
Способ регенерации:
Н - катионирование
Н - катионирование применяют для удаления всех катионов из воды при водоподготовке путем фильтрации через слой катионита в водородной форме. Применяется совместно с процессами Na - катионирования и анионированием.
Выделяющиеся ионы Н+ реагируют в воде с гидрокарбонатными ионами.
Процесс умягчения при H - катионировании заканчивается по наступлению проскока жесткости, после чего истощенный катионит в фильтре регенерируют.
Регенерация катионита осуществляется путем пропуска последовательно из 2 и 1 корпуса 1,5% раствора серной кислоты в течение 30 минут, 3 - 5% раствором серной кислоты в течение 20 минут при расходе кислой воды повторного использования70-90м3/час [8].
Таблица 2 - Расход воды на собственные нужды при регенерации Н-фильтров I ступени
| № п/п | Наименование операции | Вода, реагент | Расход воды, реагентов | Время операции, мин | |
| на одну операцию, м3 | максим. часовая, м3/час | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1. 2. 3. | Взрыхление со сбросом отработанных вод в резервуар поз.Е-37 Регенерация со сбросом отработанных вод в резервуар поз.Е-37 Отмывка а) сброс отработанных вод в резервуар поз.Е-37 б) сброс отработанных вод в резервуар поз.Е-34 | Кислая вода повторного использования 1,5% раствор H2SO4 3÷5% раствор H2SO4 кислая вода повторного использования осветленная вода после поз.60 (1÷6) | 130 54 90 90 | 130 90 90 90 | 30х2=60 30 20 60 60 |
Na – катионирование
Na - катионирование применяют для умягчения воды при водоподготовке путем фильтрации через слой катионита в натриевой форме. Ионы жёсткости воды Ca2+ и Mg2+ задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na2+.
Остаточная жесткость фильтрата при Na - катионировании = 5 - 10 мкг-экв/дм3.
Процесс умягчения при Na - катионировании заканчивается по наступлению проскока жесткости, после чего истощенный катионит в фильтре регенерируют. В связи с доступностью и небольшой стоимостью хлорида Na, он стал основным реагентом для восстановления фильтров с ионообменными смолами, используемых при водоподготовке. Образующиеся после восстановления поваренной солью MgCl2 и CaCl2 полностью растворяются в воде, в отличие от CaCO3, образуемом при регенерации карбонатом Na, или CaSO4 при применении сульфата Na .
Регенерацию проводят 6 - 10% раствором NaCl. Из-за относительно большой концентрации ионов Na+ в регенерационном растворе происходит замена ими поглощаемых ранее катионов Ca2+ и Mg2+.
Регенерация катионита осуществляется путем пропуска последовательно через второй и первый корпуса фильтра 8÷12%-ного раствора хлорида натрия в течение 1÷1,5ч
Таблица 3 - Расход воды на собственные нужды при регенерации Nа-фильтров
| № п/п | Наименование операции | Вода, реагент | Расход воды, реагентов | Время операции, мин | |
| на одну операцию, м3 | максим. часовая, м3/час | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1. 2. 3. | Взрыхление со сбросом отработанных вод в резервуар поз.Е-37 Регенерация со сбросом отработанных вод в резервуар поз.Е-37 Отмывка сброс отработанных вод в резервуар поз.Е-37 | Осветлённая вода после поз.60 (1÷6) 8÷12% раствор NaСl осветленная вода после поз.60 (1÷6) | 130 50 80÷90 | 130 50 80÷90 | 30х2=60 60÷90 при достижении качества отмывочной воды |
Особенности Na – катионирование:
- Оптимальная эффективность регенерации
- Высокая производительность, высокие показатели умягчения воды (общая жесткость снижается до 5 мкг·экв/дм3);
- Снижение потребления реагентов до 50%;
- Уменьшение расхода воды на собственные нужды примерно вдвое и, следовательно, уменьшение в два раза количества сточных вод.
Достоинства:
- значительным преимуществом являются малые затраты на эксплуатационные расходы;
- длительный срок службы ионообменных смол при своевременной регенерации;
- достаточно простой способ регенерации системы, при котором можно использовать насыщенный раствор поваренной соли или таблетированную соль;
- доступная цена, многообразие выбора для различных нужд и потребностей;
- высокая степень умягчения жесткой воды и качество ее очистки;
- уменьшение в первоначальной воде не только солей жесткости, но и различных вредных веществ, бактерий и микроорганизмов;
- преимуществом является легкость использования и обслуживания.
Недостатки:
- экономические расходы, связанные с проведением регенерации смол высоко насыщенными растворами соли;
- выполнение требований по утилизации использованных умягчающих смол. [4],[5]
ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР
В данной работе рассмотрено несколько методов обработки воды. На основании чего проанализируем патенты найденные на сайте ФИПС, который издает официальный материал по всем объектам промышленной собственности РФ и предоставляет пользователям несколько отличающих друг от друга по наполнению и составу полей информационных массивов.
Мембранный способ очистки может быть использован в процессах разделения, концентрирования и очистки сточных вод, содержащих металлы. Данный метод используется с применением фильтрующих элементов.
Организация качественного способа очистки фильтрующих элементов создается с помощью растворов, имеющих в своем составе сильные безопасные экологически комплексообразующие вещества, не влияющие на качество обработанного раствора на окружающую среду. В качестве этого сильного экологически безопасного комплексообразующего вещества представляется использование динатриевой оли. Этот комплексонат, показывает высокие комплексообразующие качества как со щелочноземельными металлами, так и с иными металлами.
Недостатком данного метода высокие экономические затраты на фильтрующие материалы. [8]
Способ водоподготовки включает фильтрацию воды через загрузку ионообменными свойствами, регенерацию и промывку загрузки восходящим потоком реагента и подготовленной воды в направлении сверху -вниз и седиментацию загрузки. Фильтрацию проводят с использованием фильтровального комплекса, содержащего не менее двух последовательно установленных фильтров первой и второй ступеней. Фильтрацию в фильтре первой и второй ступени проводят в направлении сверху вниз.
Недостатком данного способа является недостаточная степень очистки природных и грунтовых вод от двухвалентного железа вследствие незначительных окислительных и ионообменных свойств загрузки и ограниченная сфера применения данного способа. Также при обратной промывке будет происходить гидравлическая сортировка загрузки вследствие различий гранул слоев по гранулометрическому составу и плотности, что приведет к нарушению расположения слоев и соответственно снижению надежности технологического процесса [9].
Таким образом, за счет pеализации предложенного способа водоподготовки достигается насыщение воды макро и микроэлементами, умягчение и обезжелезивание воды, повышение степени очистки воды от грубо и тонкодисперсных примесей, в том числе тяжелых металлов, радионуклидов, солей, органических и биологических загрязнений и иных токсичных веществ, повышение надежности и экологической безопасности технологического процесса.
Водоподготовительный способ фильтрации через гранулированные природные материалы и может быть используется в системе бытового, хозяйственного и питьевого водоснабжения, а также для приготовления питьевой воды высшей категории качества. Данный способ заключается в фильтрации воды через слой гранулированного серпентинита с гранулами размером 0,15-2 мм и предварительной обработкой слоя серпентинита для изменения в анионообменный материал щелочным раствором.
Недостатком этого способа медленное снижение сорбционной активности серпентинита из-за непоправимого загрязнения поверхности гранул сорбента из-за взаимодействия гидроксисиликата магния с веществами очищаемой воды. Есть еще один недостаток это ограниченность компонентов извлекаемых из воды, загрязняющихся из-за низкой сорбционной активностью природного серпентинита, очищенного только водой и воздухом, к тяжелым металлам, а также соединениям бора и фтора.
Технический результат гарантирует потребителя снабжением свежеочищенной водой, требования соответствия которых достигается сразу же в процессе очистки, без смешения ее состава и необходимости запаса очищенной воды. Данным методом улучшается качество очищенной воды и удешевляется процесс водоподготовки за счет повышения сорбционной активности серпентинита, в увеличении продолжительности эксплуатации единовременной загрузки гранулированного материала. [10].
Способ водоподготовки нанофильтрацией отличающийся тем, что очищаемая вода последовательно подвергается механической фильтрации, обработке озоном, получаемым в барьерном разряде из кислорода, повторной механической фильтрации, деструкции остаточного озона на углеродном волокнистом материале одновременной сорбцией растворенных в очищаемой воде органических веществ и обратному осмосу [11].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Цель работы было найти пути совершенствования эффективности процесса обессоливания речной воды.
В ходе исследования были рассмотрены способы очистки воды.
Термический метод, является простейшим способом умягчения воды. Его использования оправдано только при наличии крупного источника тепла с низкой стоимостью и большого водоема. Кроме того, образование накопи увеличивает расходы на тепло и электроэнергию, уменьшает производительность установки дистилляции.
Метод обратного осмоса позволяет получать воду очень высокой степени очистки, но к сожалению обратный осмос удаляет из воды и более 20-ти полезных веществ, он является самым низко производительным методом водоподготовки.
При очистке воды ионным методом готовый продукт получается более чистым, имеет преимущество, возврат очищенной воды до 95% в оборот и объем вторичных отходов, обеспечивающий возможность их переработки.
После рассмотрения и сравнения способов очистки воды можно прийти к выводу, что самый эффективный и менее затратным является ионообменный метод.
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 611; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!