УДК 66.074
А. С. Джунусбеков , М.И. Сатаев, В.Г. Голубев, Л.М. Сатаева.
Южно-Казахстанский государственный университет им.
М.Ауезова
Очистка вод с повышенным солесодержанием
Снижение солесодержания
воды до лимитов ГОСТа 2874-82 «Вода питьевая» или до концентрации близкой к
содержанию солей в дистиллированной воде называют соответственно опреснением и
обессоливанием. Существующие методы опреснения и обессоливания воды
подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного
состояния воды. К первой группе методов относят дистилляцию, нагрев воды до
сверх критической температуры (350оС), замораживание, газогидратный
метод; ко второй – ионообмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрация),
ультрафильтрация, экстракцию и др. Наиболее распространены в практике
дистилляция, ионообмен, электродиализ и обратный осмос.
В последнее время при подготовке обессоленной воды широко
используются мембранные методы, в частности обратный осмос. Метод обратного
осмоса является одним из наиболее перспективных способов очистки и глубокого
обессоливания воды с различной минерализацией. Он основан на разделении
растворов фильтрованием через полупроницаемые мембраны, поры которых пропускают
молекулы воды, но не пропускают гидратированные соли или молекулы
недиссоциированных соединений. Если в сосуде между пресной и соленой водой
поместить полупроницаемую перегородку, способную пропускать воду и задерживать
гидратированные ионы растворимых в воде солей, то можно наблюдать, как пресная
вода начинает поступать в отсек с соленой водой. Переток чистой воды происходит
вследствие разницы концентрации жидкости по обеим сторонам перегородки. Через
некоторое время уровень пресной воды станет заметно ниже уровня соленого
раствора. Разница уровней после установившегося равновесия характеризует
осмотическое давление растворенного вещества. Если создать в соленом растворе
давление, превышающее осмотическое, то возникает перетекание молекул пресной
воды в направлении, обратном ее естественному движению, т.е. вода из раствора
начинает перетекать через перегородку в пресную воду. Такой процесс известен
под названием обратного осмоса. Опреснение соленой воды методом обратного
осмоса основывается как раз на процессе перетекания молекул чистой воды из
раствора при создании давления, превышающего осмотическое, в направлении от
раствора к пресной воде через полупроницаемую перегородку. Полупроницаемая
перегородка выбирается с таким расчетом, чтобы через ее поры могли проходить
молекулы воды, но не могли проходить ионы солей, растворенных в соленой воде.
Поскольку ионы солей, в размере примерно в 1,5 раза больше, чем молекулы воды,
то это осуществить (в техническом смысле) вполне возможно.
Предлагаемый нами метод
обратного осмоса в мембранном аппарте с неподвижными мембранными элементами по
сравнению с традиционными методами обладает существенными преимуществами:
затраты энергии на процесс относительно невелики, установка конструктивно проста
и компактна, работа мало зависит от колебаний качества исходной воды, для
эксплуатации не требуется высококвалифицированного персонала, работа установки
может быть легко автоматизирована. Основной особенностью обратного осмоса
является практическое отсутствие расхода каких-либо химических реагентов для
обработки воды (кислоты, щелочи и др.), если не считать небольших затрат для
корректировки рН, ингибирования солеотложений и периодической промывки мембран.
Воды установки (концентрат) содержат практически только те соли, которые
находились в исходной воде, тогда как при ионировании общее количество солей в
стоках, по крайней мере, вдвое, а то и втрое превышает их содержание в
очищенной воде. Объем исходных вод, хотя и с меньшим солесодержанием, остается
примерно таким же, как и при ионитном обессоливании.
Метод обратного осмоса
отличается тем, что разделение на мембране происходит без фазовых превращений
веществ и требует затрат энергии только на прокачку раствора вдоль мембраны и
продавливание через мембрану растворителя (воды). При этом полупроницаемая
мембрана работает не как фильтр, на котором скапливаются задержанные вещества.
Она лишь разделяет исходный поток на два. Первый поток - прошедшая сквозь
мембрану вода (пермеат) - содержит меньше солей, чем исходная вода. Второй
поток - исходная вода - по мере продвижения вдоль мембраны становится все более
концентрированным, унося с собой задержанные мембраной соли. Поток, покидающий
разделительный элемент, называется концентратом.
Рабочее давление в
аппарате зависит от солесодержания исходной воды и осмотического давления
раствора. Для обессоливания водопроводной воды, как правило, достаточно 0,7-1,2
МПа, для обессоливания морской – 5-7 МПа. В зависимости от рабочего давления
мембраны могут быть низкого, среднего и высокого давления. Разработка новых
высокоселективных и высокопроизводительных обратноосмотических мембран,
работающих при давлениях 0,7-1,0 МПа дают возможность применять их эффективно
при обессоливании маломинерализованных вод. При этом энергозатраты составляют
0,5-1,5 кВт/м3 очищенной воды.
Выбор метода
обессоливания обуславливается качеством исходной и требованиями к качеству
обработанной воды, производительностью установки и технико-экономическими
соображениями. Оценка экономических показателей встречает определенные
трудности, так как они зависят от многих факторов природного, технического и
экономического характера. Однако существуют общие рекомендации по использованию
того или иного способа обессоливания.
Стоимость обессоливания
воды ионообменом сильно возрастает с увеличением содержания соли в воде;
одновременно снижается глубина обессоливания воды. Поэтому обессоливание
ионообменом (ионный обмен смешанного действия, обычный или с непрерывной
регенерацией) предпочтительно для большой суточной потребности вод с низкой
степенью минерализации менее (до 100 мг/л).
Учитывая новые разработки
в области обратного осмоса, а именно разработка низконапорных,
высокопроизводительных и высокоселективных мембран (энергосберегающих), резко
расширилась область использования мембранной технологии (обратного осмоса). В
широком диапазоне солесодержания (0,15-50 г/л) опреснительные мембранные
установки по экономическим показателям соизмеримы с электродиализаторами, и
выгодно отличаются от ионного обмена.
Для оценки
производительности мембранного аппарата определена ее зависимость от
количества жидкой фазы, проходящей при постоянной температуре
через единицу поверхности материала в единицу времени, и от перепада давления
на фильтре. На рисунке 1 приведена характеристика
мембранной очистки вод с
повышенным солесодержанием.
Из рисунка видна линейная
зависимость производительности от давления.
Срок работы,
определяется количеством жидкой фазы, прошедшей через мембрану до достижения
предельно допустимого перепада давлений или продолжительностью
работы фильтра до заданного предельного перепада давления. Эффективность
фильтрования вод с
повышенным солесодержанием за период работы мембраны
не должна ухудшаться.
Выбор рабочего давления зависит от вида
процесса, природы и концентрации разделяемого раствора, типа используемой
мембраны, конструкции аппарата, гидравлического сопротивления мембранного
канала [1]. Воздействие высокого давления на
мембраны приводит к остаточным деформациям.
|
Производительность Q, м3/с |
Давление Р, МПа
Рисунок 1 – Зависимость производительности от давления при очистке вод с повышенным солесодержанием
На рисунке 2 показано изменение концентрационной поляризации при различных
скоростях потока. При увеличение скорости
потока до 3 м/с значения
концентрационной поляризации значительно уменьшаются.
|
Концентрационная поляризация, КП |
Скорость
потока w, м/c
Рисунок 2 – Изменение
концентрационной поляризации
при
различных скоростях потока
Идея конструирования заключалась в том, что максимально энергия должна тратиться на локальную турбулизацию жидкости, а не на ее объемное перемещение.
Литература.
1. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы
разделения жидких смесей. - М.: Химия, 1975. - 229 с.