Лекція 5. Опріснення і знесолення природних вод. Технологічні схеми пом’якшення і знезараження води.

План лекції

1. Опріснення природних вод електродіалізом.

2. Знесолення природних вод зворотним осмосом.

3. Принципова установки вапняно-катіонітового пом’якшення води.

4. Принципові технологічні схеми установки для пом’якшення і знезараження води.

1. У практиці знесолювання води широко застосовують елекродіалізний спосіб водопідготовки, який ґрунтується на явищі переносу іонів розчинених речовин через селективні іонітові мембрани під дією електричного поля. Якщо у ємність, із водою для знесолення, опустити катод і анод та розділити простір проникними для катіонів і аніонів мембранами на три частини (катодну, робочу та анодну), увімкнути постійний струм, то з часом більша частина катіонів буде перенесена електричним струмом у катодне, аніонів – у анодне відділення. Вода, яка знаходиться в робочому просторі електродіалізера буде опріснюватись. Принцип роботи електродіалізних установок ґрунтується на використанні іонообмінних мембран катіонного, аніонного, гетерогенного, інтерполімерного та біополярного типів, які володіють високою електропровідністю, селективністю високим дифузійним опором, достатньою міцністю, стійкістю у воді та концентрованих водних середовищах.

Схема багатокамерного електродіалізного апарату приведена на рис. 11.

Цей метод електродіалізної очистки води називають класичним одностороннім, оскільки полярність постійного електричного поля є стала, іони не змінюють напрямку руху, а відділення для збору очищеної води та концентрату залишаються постійними. Недоліком однонаправленого електродіалізу є висока концентрація солей у воді у відділенні концентрату.

Рис. 11. Схема багатокамерного електродіалізного апарата:

1 – секція ропи; 2 – дилюатна камера; 3 – відведення аноліту; 4 – анод;

5 –приелектродна камера; 6 – катод; 7 – відведення католіту;

8 – прокладка турбулізатора

Принцип зворотного електродіалізу (ЗЕД) ґрунтується на зміні напрямку руху забрудненої води через певні інтервали часу. За цих умов нерозчинні та погано розчинні речовини не відкладаються на мембранах, процес їх видалення протікає якісніше. ЗЕД відбувається під тиском 5–6МПа, джерело електричного струму обладнане автоматикою для зміни полярності..

Електродіалізні установки для знесолення поділяють на прямотечійні, циркуляційні порційні, циркуляційні неперервної дії. Схему електродіалізної установки вибирають на підставі техніко-економічного обґрунтування, вихідними даними для якого є продуктивність, якісний і кількісний вміст солей у оброблюваній воді, вартість електроенергії та експлуатаційні витрати.

Рис. 12. Схема електродіалізної установки зворотної полярності:

1 – фільтр попередньої очистки; 2 – ротаметри; 3 – електродіалізний апарат;

4 – збірник прісної води; 5 – збірник концентрату.

Воду подають на фільтр попередньої очистки 1, звідки через ротаметр 2 спрямовують на елекродіалізний апарат 3, у двох трактах якого відбувається знесолення і концентрування води в режимах прямої та зворотної полярності. Опріснену до заданих параметрів воду збирають у збірнику 5 і надалі використовують у технологічних цілях.

Використання елекродіалізного способу підготовки води дозволяє вилучати небажані домішки на рівні іонів, знизити її лужність у 2–3, а твердість у 2,5–3 рази.

 

2. Спосіб водопідготовки з використанням зворотного осмосу передбачає фільтрування неочищеної рідини під тиском, який перевищує осмотичний. Якщо у ємність з прісною та соленою водою помістити напівпроникну перегородку, здатну пропускати воду та затримувати молекули гідратованих іонів, то прісна вода починає перетікати у відділення зі соленою водою. Перетік води відбувається за рахунок різниці концентрацій рідини по обидві сторони мембрани. За деякий час рівень прісної води стане нижчий за рівень соленого розчину, а далі встановиться рівновага, яка характеризує осмотичний тиск соленого розчину. Процес перетікання менш концентрованого розчину в більш концентрований через напівпроникну перегородку називають осмосом. Якщо у соленому розчині створити тиск, що перевищує осмотичний, то молекули води рухатимуться у напрямку зворотному до природного, тобто вода з розчину перетікає у прісну воду. Такий процес називають зворотним осмосом.

 

 

а) б) в)

Рис. 13. Схема руху молекул води крізь напівпроникну мембрану:

а) початок осмотичного переносу; б) рівноважний стан; в) зворотний осмос під зовнішнім тиском

Рис. 14. Технологічна схема підготовки води з використанням установки зворотного осмосу:

1 – резервуар для вихідної води; 2 – глибинний фільтр; 3 – насос; 4 – блок рулонних зворотно-осмотичних розділювачів; 5 – збірник опрісненої води; 6 – збірник технічної води

Його переваги, порівняно з іншими методами підготовки води: ефективне вилучення з води мікроорганізмів та органічних речовин; обробка води з різним вмістом солей; можливість повної автоматизації процесу. Технологічна схема підготовки води з використанням зворотного осмосу наведена на рис. 14.

Воду із збірника 1 насосом подають в блок глибинних фільтрів 2 для очистки від механічних домішок, а потім насосом 3 спрямовують в установку зворотного осмосу 4, яка складається з блоків зворотно-осмотичних розділювачів. Звідти опріснена вода (пермеат) надходить у збірник 5 для икористання у виробництві безалкогольних напоїв. Концентрат збирають у збірнику 6 і використовують для технологічних потреб.

3. Вапняно-катінітовний спосіб пом’якшення води належить до реагентно-катіонітового змішаного способу водопідготовки, технологічна схема якого наведена на рис.15.

Рис.15. Технологічна схема установки вапняно-катіонітового пом’якшення води:

1, 9 – подача вихідної та відведення підготованої води; 2 – апарати для коагулювання води; 3 – дозатор вапняного молока; 4 – реактор змішування розчину коагулянта та вапняного молока; 5 – освітлювач із шаром завислого осаду; 6 – освітлювальний фільтр; 7, 8 – натрій–катіонітовий фільтр І та ІІ ступеня; 10 – проміжний резервуар; 11 – насос; 12 – фільтр для освітлення соленого розчину; 13 – бак для зберігання розчину кухонної солі; 14 – бак з гідравлічним перемішуванням для зберігання вапняного молока

Карбонатну твердість води усувають вапнуванням в апараті 4, куди попередньо задають вихідну воду після видалення колоїдів у апаратах 2 та розчин вапняного молока з дозатора 3.

Утворений осад карбонату кальцію та новоутворених пластівців зруйнованих колоїдів видаляють на освітлювачі 5 та фільтрі 6. За наявності у пом’якшуваній воді натрію більш як 20% від сумарної кількості кальцію та магнію, рН > 10,2–10,3 вапнуванням можна усувати і некарбонатну твердість. Для цього варто додатково до вапнування використовувати Na-катіонування на фільтрах 7, 8.

4. Технологічна схема установки для пом’якшення і знезараження води (рис. 16) дозволяє знизити до необхідної межі концентрацію у воді солей твердості, феруму, алюмінію і мангану.

Воду, яку піддають очистці, трубопроводом, обладнаним манометром, водоміром та витратоміром, подають на один з Н-катіонітових фільтрів 5 для пом’якшення. При необхідності воду перед цим можна направити на освітлюючий фільтр 3 для її очистки від твердих домішок. Пом’якшену воду хлорують у потоці в контактному резервуарі 6. Для цього в баці 7 готують водний розчин хлорного вапна, який дозатором 8 безперервно подають у трубопровід за напрямком руху пом’якшеної води. Витрату розчину хлорного вапна встановлюють, щоб концентрація активного хлору у воді становила 8–10 мг/дм³.

Хлорована вода з контактного резервуару надходить на вугільний фільтр 9 для дехлорування, а далі на патронні керамічні фільтри для освітлення 10.

Рис.16. Технологічна схема пом’якшення і знезараження хлором води:

1 – збірник для зберігання сульфатної кислоти; 2 – збірник–дозатор сульфатної кислоти; 3 – освітлювальний фільтр; 4 – ежектор; 5 – Н–катіонітові фільтри; 6 – контактний резервуар; 7 – бак для розбавлення хлорного вапна; 8 – дозатор хлорного вапна; 9 – вугільний фільтр; 10 – керамічні патронні фільтри

Н-катіонітовоий фільтр регенерують розчином сульфатної кислоти концентрацією 1,5–2,0%. Для приготування робочого розчину кислоту, яка надходить на завод у цистернах, подають насосом із збірників 1 у мірник 2, звідки вона всмоктується ежектором 4. Приготований розчин кислоти надходить на катіонітові фільтри для промивки. Введення кислоти у потік води триває 3 год.

Технологічна схема наведена на рис.16.

Робочі поверхні обладнання і трубопроводів, які контактують з водним розчином сульфатної кислоти і хлорного вапна, виготовляють з матеріалу, який не піддається корозії.

У безалкогольній промисловості для покращення хімічного та мікробіологічного складу води використовують знезалізнення в поєднанні з іонним обміном, хлоруванням, знезараженням, мікрофільтруванням і іншими способами

Рис.17. Технологічна схема знезараження води з мікрофільтруванням:

1 – хлоратор; 2 – кварцовий фільтр; 3 – аератор; 4 – пісочний фільтр;

5 – іонообмінний фільтр; 6 – бактерицидна установка; 7 – деаератор;

8 – рамний фільтр; 9 – збірник підготованої води

водопіготовки. На рис.17 наведена схема пом’якшення і знезалізнення води помірної твердості, попередньо очищеної від механічних домішок.

Вода надходить у хлоратор 1, куди автоматично подають розрахункову дозу рідкого хлору. Хлоровану воду фільтрують крізь кварцовий фільтр 2, звідки подають в аератор 3 для окиснення сполук феруму (ІІ), знежирення та видалення розчинених у ній газів. Осад, який утворюється під час окиснення видаляю на пісочному фільтрі 4. Пом’якшення води відбувається на іонообмінному фільтрі 5. Д алі вода надходить у бактерицидну установку 6 і деаератор 7, де з неї вилучають гази. Після фільтрування на рамному фільтрі 8 воду подають у збірник готової технологічної води 9.