Методы обессоливания воды

Методы обессоливания воды

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Петрозаводский государственный университет

Карельский региональный институт управления, экономики и права

Петр ГУ при Правительстве Республики Карелия

Кафедра: энергообеспечение предприятий

Реферат

Водоподготовка

Тема: Методы обессоливания воды

Петрозаводск 2012

Введение

Водоподготовка - обработка воды, поступающей из природного водоисточника на питание паровых и водогрейных котлов или для различных технологических целей. Водоподготовка производится на ТЭС, транспорте, в коммунальном хозяйстве, на промышленных предприятиях. Водоподготовка заключается в освобождении воды от грубодисперсных и коллоидных примесей и содержащихся в ней солей, тем самым предотвращается отложение накипи, унос солей паром, коррозия металлов, а также загрязнение обрабатываемых материалов при использовании воды в технологических процессах. Водоподготовка включает следующие основные методы обработки: осветление (удаление из воды коагуляцией, отстаиванием и фильтрованием коллоидальных и суспензированных загрязнений); умягчение (устранение жёсткости воды осаждением солей кальция и магния, известью и содой или удаление их из воды катионированием); обессоливание и обескремнивание (ионным обменом или дистилляцией в испарителях); удаление растворённых газов (термическим или химическим методом) и окислов железа и меди (фильтрованием).

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.

Для многих процессов в теплоэнергетике, химии, электронике требуется вода, содержащая минимальные количества солей, вплоть до сверхчистой (дистиллята), которая практически их не содержит.

Классификация способов обессоливания:

·              термический;

·              ионообменный;

·              мембранные;

·              обратный осмос;

·              электродиализ;

·              комбинированные.

Термические методы обработки воды

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. Термический метод позволяет обессолить воду с любым солесодержанием

Опреснение вымораживанием

Этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Этот метод является крайне трудоемким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким методом сложно спрогнозировать и возможно потребуется несколько циклов замораживания-размораживания, чтобы получить действительно обессоленную воду. Кроме того, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным методом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп водорода, который является радиоактивным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующегося льда. Избежать этого можно, только если убирать первую корочку льда, образующуюся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не простую методику.

Химическое осаждение

Этот метод основан на переводе растворенных солей в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок и удаляются. Применяемые реактивы меняются в зависимости от солевого состава опресняемой воды. К примеру, избыток солей магния осаждается содой, а сульфаты могут быть удалены обработкой гидратом окиси бария.

Метод химического осаждения требует использования дорогостоящих реактивов, каждый из которых направлен на строго определенную примесь воды, реагенты не подвергаются регенерации. По этой причине данный метод имеет очень ограниченное применение.

обработка вода вымораживание электроосмос

Ионный обмен

Метод основан на свойстве некоторых веществ обратимо обмениваться ионами с растворами солей. Эти вещества называют ионообменными смолами. Это своего рода твердые электролиты, которые делятся на катиониты и аниониты.

1.      Катиониты - вещества типа твердых кислот, у которых анионы представлены в виде нерастворимых в воде полимеров.

2.      Аниониты - по своей сути твердые основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анионы (обычно это гидроксильная группа) подвижны и могут обмениваться с анионами растворов.

Химический механизм работы ионообменных смол заключается в последовательном прохождении воды через катионит и анионит. В итоге из воды удаляются катионы и анионы и она тем самым обессоливается. Обменная способность ионообменных смол (ионитов) не бесконечна, постепенно она снижается, и, в конце концов, исчерпывается вовсе. В этом случае требуется регенерация раствором кислоты (катионит) или щелочи (анионит), что полностью восстанавливает исходные химические свойства смол. Эта ценная особенность позволяет использовать их в течение длительного времени.

Сложная процедура использования ионообменных смол и их последующей регенерации требует автоматизации, сложной системы управления и необходимое оборудование является довольно громоздким, что ограничивает его применение в быту. В настоящее время данный метод часто включается как один из элементов процесса водоподготовки в частных домах с автономной системой водоснабжения.

Электроосмос

Опреснение на принципе электроосмоса производится в специальных аппаратах, представляющих собой электролитическую ванну, разделенную двумя полупроницаемыми мембранами на три отделения. Исходная вода подается в среднюю камеру. Ионы находящихся в воде солей устремляются сквозь мембраны к электроду, имеющему противоположный заряд. Чистая вода остается в средней камере.

Данный метод требует затрат электроэнергии, хотя и является достаточно эффективным. Эффективность составляет более 90%, достигая в некоторых случаях 96%. Мембраны имеют ограниченный срок службы, который максимально составляет 5 лет, а при неблагоприятных условиях эксплуатации - значительно меньше. Кроме того, этот метод, как и большинство других методов использующих полупроницаемые мембраны, требует предварительной подготовки очищаемой воды.

Есть и еще одна особенность, которая значительно ограничивает применение данного метода. Это то, что все вещества, которые не превратились при растворении в ионы, не реагируют на электрическое поле. Т.е. большинство органических веществ, бактерий, вирусов и т.п. останется в растворе.

Опреснение воды методом обратного осмоса

При опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого необходимо наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны заставит воду проникать через мембрану в рассол. Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При достаточно большом давлении проникновение воды через мембрану в рассол прекратится. Давление, необходимое, чтобы воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, называется осмотическим. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атм.

Если прикладываемое к рассолу давление превысит осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в обратном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану. Этот процесс, называемый обратным осмосом, схематически показан на рис. 5. Морскую или солоноватую воду накачивают под высоким давлением в камеры, стенки которых изготовлены из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стенки мембраны повышается, что приводит к повышению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтобы воспрепятствовать этому, через камеру нужно непрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Максимальное давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее собственными характеристиками. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, забиться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей.

 <http://www.o8ode.ru/image/moleg/171007-5.jpg>

Рис. 1. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.

Давление, создаваемое насосом высокого давления, превышает осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода просачивается через полупроницаемую мембрану. Чтобы предотвратить накопление соли вблизи мембраны, насос должен постоянно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы должны иметь очень малый диаметр, и поэтому установку приходится изготовлять из многих тысяч труб.

В обычных установках по опреснению воды методом обратного осмоса трубы изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны тонкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и основу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из множества таких труб, уложенных параллельно друг другу. Скорость проникновения воды через мембрану довольно невелика. Например, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм. в течение суток удается получить приблизительно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса пока еще не используется для получения больших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется многообещающим, если будут разработаны улучшенные мембраны, в особенности для опреснения соленой воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных солей по сравнению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.

При обессоливании воды ионным обменом пропорционально солесодержанию питающей воды растут объем ионитов и оборудования, а также расход реагентов, т. е. капитальные и эксплуатационные затраты. Даже при оптимально организованной регенерации (противоток) с минимальным избытком реагентов в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в количестве 1,1-2,0 от количества солей. Суммарное количество составляет 2,1-3,0. Следует учитывать, что эти соли находятся в небольшом объеме регенератов, соответственно, в высокой концентрации. Регенераты, как правило, имеют кислую реакцию, и требуют дополнительной нейтрализации. Прямой сброс таких отходов запрещен. Обычно используется метод разбавления другими стоками. Эксплуатационные расходы практически прямо пропорциональны солесодержанию исходной воды.

Обратный осмос обычно используется в системах получения воды для фармацевтических целей в следующих случаях:

·              перед установками ионного обмена для снижения расхода кислоты и щелочи, необходимой для регенерации;

·              для получения воды очищенной, и как подготовительный шаг перед дистилляцией для получения воды для инъекций;

·              как конечный этап для получения воды для инъекций (двухступенчатый осмос)

Следует отметить преимущества каждого из методов.

Ионный обмен:

·              возможность получения сверхчистой воды;

·              отработанность и надежность;

·              способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;

·              минимальные капитальные и энергозатраты;

·              меньший расход питающей воды;

·              минимальный объем вторичных отходов, обеспечивающий возможность их переработки.

Обратный осмос:

·              высокое качество воды по взвесям, биологическим и органическим загрязнениям;

·              минимальные количество реагентов и суммарный сброс солей в окружающую среду;

·              возможность сброса концентрата без обработки в канализацию;

·              относительно низкие эксплуатационные затраты;

·              отсутствие агрессивных реагентов и необходимости их обработки.

Термический метод:

·              минимальные количество реагентов и сброс солей в окружающую среду;

·              высокое качество воды по взвесям;

·              возможность получения отходов минимального объема, вплоть до сухих солей;

·              возможность использования избыточного тепла;

·              удаление из воды растворенных газов.

Ионный обмен:

·              высокий расход агрессивных реагентов;

·              эксплуатационные расходы, растущие пропорционально солесодержанию воды;

·              необходимость обработки регенератов и сложности с их сбросом.

Обратный осмос:

·              необходимость тщательной предподготовки;

·              желательность непрерывной работы обратноосмотической установки;

·              большие капитальные затраты;

·              большой расход питающей воды и объем сбросных вод;

·              большие энергозатраты.

Термический метод:

·              необходимость предподготовки;

·              большие энергозатраты;

·              большие капзатраты.

В следующей таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания воды по трем уровням: минимальный - Мин, максимальный - Макс и средний - Ср.

Таблица 1. Оценочное сравнение методов обессоливания

Список литературы

1. Ю.И.Дытнерский. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия, 1978.

. Ю.А. Ситняковский, О.Ф.Парилова. Внедрение обратноосмотического обессоливания воды на электростанциях // Тяжелое машиностроение. - 1997. - №8.

. Сийрде Э. К., Теаро Э. Н., Миккал В. Я. Дистилляция. Издательство «Химия», 1971

. Слесаренко В. Н. Дистилляционные опреснительные установки. - М.: Энергия, 1980

. Интернет ресурсы.