V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время на предприятиях малого и среднего бизнеса всё большее распространение находят энергоэффективные технологии производства дистиллированной воды.

Дистиллированная вода - этовода, очищенная от растворенных в ней минеральных солей, организмов и других примесей путем дистилляции. Согласно ГОСТ 6709-96 дистиллированная вода должна соответствовать следующим требованиям. [3]

Таблица 1 - Показатели качества дистиллированной воды

Показатель	Значение
рН	5.4 - 6.6
Сухой остаток, мг/л. не более	5,0
Железо общее, мг/л. не более	0,05
Сульфаты, мг/л. не более	0,5
Хлориды, мг/л. не более	0,02
Свинец, мг/л. не более	0,05
Перманганатная окисляемость, мгО2/л	0,08

Область применения дистиллированной воды достаточно широка, её используют в: промывке и заполнении систем отопления (домов, промышленных зданий), пищевой промышленности, приготовлении различных химических составов (в т.ч. электролитов), в парогенераторах (бытовых и промышленных). Одним из основных преимуществ дистиллированной воды является ее низкая электропроводимость.

В современной промышленности для получения дистиллированной воды применяют следующие методы: термический, ионообменный, мембранный, обратный осмос, электродиализ.

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.

Однако, 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. На рисунке 1 представлена схема прямоточной многокорпусной выпарной установки. [2]

Рис. 1. Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки: 1 - подогреватель; 2 - выпарные аппараты; 3 - конденсатор; 4- барометрическая труба.

Наиболее часто обессоливание воды производят методом ионного обмена. Это наиболее отработанный и надежный метод.

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, т.е. 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 (имеющие 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, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.

Мембранные технологии в современности получают все большее распространение. Уровень обессоливания воды 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 показателям. В реальных условиях не всегда возможно осуществить предварительную подготовку воды, следствием чего является снижение производительности установок.

Ещё одним активно используемым методом обессоливания воды становится электродиализ, процесс мембранного разделения, в котором ионы растворенного вещества переносятся через мембрану под действием электрического поля. Движущей силой процесса является градиент электрического потенциала. Под действием электрического поля катионы перемещаются по направлению к отрицательному электроду (катоду). Анионы движутся по направлению к положительно заряженному электроду (аноду). Электрическое поле не оказывает влияния на незаряженные молекулы. При использовании проницаемых для ионов неселективных мембран можно разделять электролиты и неэлектролиты. Применяя катионообменные или анионообменные мембраны, при помощью электродиализа можно повысить или понизить концентрацию раствора электролита. Матрица анионообменной мембраны имеет катионные группы. Заряд катионов нейтрализован зарядом подвижных анионов, находящихся в порах мембраны. Анионы раствора электролита могут внедряться в матрицу мембраны и замещать первоначально присутствующие в ней анионы. Проникновению в мембрану катионов препятствуют силы отталкивания их фиксированными в матрице мембраны катионами. Аналогичным образом действуют и катионообменные мембраны, содержащие фиксированные анионные группы. В многокамерном электродиализаторе чередуется большое число (до нескольких сотен) катионообменных и анионообменных мембран, расположенных между двумя электродами (Рис. 2). Электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану, расположенную со стороны катода. Катионы задерживаются в этом потоке анионообменной мембраной со стороны катода. Направление движения анионов является противоположным. Они переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. Со стороны анода анионы задерживаются в потоке концентрата катионообменной мембраной.

Рисунок 2. Схема многокамерного электродиализного опреснителя: 1 - анод; 2 - катод; 3 - анионитовая мембрана; 4 - катионитовая мембрана; В - опресняемая вода; Р - рассол.

Таким образом, общий результат процесса заключается в увеличении концентрации ионов в чередующихся камерах при одновременном уменьшении их концентрации в других камерах. На электродах протекает процесс электролиза. В многокамерном аппарате неизбежные непроизводительные затраты электроэнергии, обусловленные этим процессом, распределяются на большое число камер. Поэтому в расчете на единицу продукции эти затраты сводятся к минимуму.

В таблице 2 приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).[4]

Таблица 2. Оценочное сравнение методов обессоливания.

Параметр	Ионный обмен	Обратный осмос	Электро-диализ	Выпаривание
Надежность	Макс.	Ср.	Мин.	Макс.
Степень обессоливания	Макс.	Ср.	Мин.	Ср.
Удаление органики	Мин.	Макс.	Мин.	Ср.
Удаление микрофлоры	Мин.	Макс.	Ср.	Макс.
Удаление взвесей	Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
Удаление растворенных газов	Мин.	Мин.	Мин.	Макс.
Требования к предподготовке	Мин.	Макс.	Макс.	Ср.
Энергозатраты	Мин.	Макс.	Макс.	Макс.
Расход реагентов	Макс.	Мин.	Мин.	Мин.
Расход питающей воды	Мин.	Макс.	Макс.	Мин.
Объем отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.
Возможность переработки отходов	Макс.	Мин.	Мин.	Макс.
Возможность сброса отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.

Ионный обмен даёт возможность получить сверхчистую воду, сохранить режим работы при резко меняющихся параметрах питающей воды. Так же существует возможность обеспечить переработку вторичных отходов.

Преимуществом обратного осмоса является возможность получения высокого качества воды с минимальным количеством реагентов и суммарным сбросом солей в окружающую среду, возможность сброса концентрата без обработки в канализацию. У данного метода относительно низкие эксплуатационные затраты.

При термическом методе обеспечивается возможность получения отходов минимального объема, вплоть до сухих солей. Кроме того, можно использовать избыточное тепло, при удалении из воды растворенных газов.

В некоторых случаях существуют объективные препятствия применения того или другого метода.

При ионном обмене существует необходимость обработки регенератов и возникают сложности с их сбросом.

При обратном осмосе необходима тщательная предподготовка. Непрерывная работа обратноосмотической установки сопутсвтует большие капитальные затраты, большой расход питающей воды и объем сбросных вод, а так же высокие энергозатраты.

При термическом методе существуют большие энергозатраты и капитальные вложения.

В конечном итоге применение того или иного метода очистки воды обуславливается необходимостью обеспечения заданных показателей качества. Однако наилучшие экономические, экологические и технологические показатели имеют комбинированные схемы водоподготовки, когда первая стадия обессоливания воды осуществляется безреагентным методом – обратным осмосом или выпаркой, а глубокая доочистка воды – ионным обменом. Такая схема позволяет сократить по сравнению с «чистым» ионным обменом расход реагентов и объем солевых стоков примерно в 10 раз при максимальном качестве очистки воды. Именно такой вариант наиболее часто употребляется во всех разрабатывающихся и строящихся в России и за рубежом схемах получения высокочистой воды для энергетики, электроники и медицины.

Необходимо отметить, что в настоящее время энергосберегающие технологии очистки воды широко применяются на смоленских предприятиях. Одним из динамично развивающихся предприятий является ОАО «Аква – сервис». Они планируют производство дистиллированной воды, как одно из перспективных направлений своей деятельности, для укрепления позиции на рынке.

Литература.

1. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчёты: Учебное пособие для вузов. – 4-е издание - М.: ООО «БАСТЕТ», 2008 г. - 304с.

2. Яковлев С.В. Инженерное оборудование зданий и сооружений: Энциклопедия. — М.: Стройиздат, 1994. — 512 с.

3. http://www.kontur-aqua.ru/ Промышленная водоподготовка и водоочистка.

4. http://www.mediana-filter.ru/index.html «НПК Медиана-Фильтр».

Код для цитирования: Скопировать