Обессоливание воды: назначение, методы и схемы установок

Способы обессоливания воды

Метод обработки жидкости с примесью минеральных солей подбирается в зависимости от первоначального показателя по концентрации примесей, общих возможностей мастера/промышленного производства, целесообразности затрат на обслуживание той или иной установки.

Ионный обмен

Принцип обработки жидкой среды заключается в её прогоне через специальные ионообменные смолы. При этом анионы и катионы растворенных в жидкости минеральных примесей удаляются и замещаются ионами фильтрующего материала. При таком способе обессоливания удается почти полностью убрать из жидкой среды минеральные растворенные примеси.

Ионообменная установка представляет собой резервуар, заполненный картриджами с фильтрующим материалом. Кассеты подлежат регулярной замене, а сама смола должна быть утилизирована особым образом.

Обратный осмос

Установки часто состоят из нескольких колб, заполненных полупроницаемыми синтетическими мембранами. Принцип обессоливания жидкости заключается в том, что вода под высоким давлением проходит через поры барьера. При этом мембрана пропускает сквозь себя лишь молекулы подготавливаемой среды, но не солей. Для всех остальных примесей барьер непроницаем. Установки обратного осмоса удаляют из обрабатываемой среды растворенные соли и некоторые газы: углекислота, хлор, др.

Электрохимический метод

Суть электродиализа заключается в том, что водная среда подвергается воздействию электрического поля – её пропускают через него. В этот момент происходит перенос ионов растворенных солей: анионы распределяются к анодам, катионы — к катодам.

Установка для электродиализа имеет три камеры, образованные анодной и катодной диафрагмами. Срединный отсек — это резервуар, через который проходит обрабатываемая жидкость. Сквозь неё пропускают ток, который затем делит ионы солей на катоды и аноды.

2.4. Технологические показатели режима работы осветлителя

2.4.1. Эксплуатация осветлителя заключается в поддержании оптимальных дозировок реагентов (коагулянта, полиакриламида, щелочи, кислоты), температуры подогрева обрабатываемой воды, границ уровня шламового фильтра, размеров продувки. Для нормальной работы осветлителя (получения коагулированной воды нужного качества) необходимо соблюдение постоянства нагрузки осветлителя и температуры подогрева исходной воды.

2.4.2. Оптимальные дозы реагентов устанавливаются в химической лаборатории перед пуском осветлителя в соответствии с методикой, изложенной в (приложение ). Выбранные дозы реагентов проверяются и корректируются в процессе наладки осветлителя. Оптимальная доза коагулянта зависит в основном от качества исходной воды (щелочности, содержания взвешенных и органических веществ, цветности, солевого состава) и может изменяться для различных вод в диапазоне 0,5 — 1,5 мг-экв/кг.

Доза коагулянта может меняться в течение года из-за сезонного изменения качества воды. В период паводка она достигает наибольших значений. Точных способов расчета оптимальной дозы коагулянта в настоящее время нет.

Оптимальная доза полиакриламида меняется в основном в зависимости от мутности исходной воды и дозы коагулянта и находится обычно в пределах 0,1 — 1,0 мг/кг.

Максимальные дозы соответствуют, как правило, плохо коагулируемым водам. Оптимальная доза ПАА устанавливается также в лабораторных условиях.

Доза щелочи D_щ (мг-экв/кг) для подщелачивания исходной воды в случае недостаточной ее щелочности (обычно в период паводка) может быть приближенно вычислена по формуле:

D_щ = D_к + 0,4 — щ, (2-4)

где D_к — доза коагулянта, мг-экв/кг;

,4 — необходимая минимальная щелочность коагулированной воды, мг-экв/кг;

щ — щелочность исходной воды, мг-экв/кг.

Обычно максимальная доза NaOH не превышает 0,4 — 0,5 мг-экв/кг.

Дозирование кислоты применяется в периоды максимальной щелочности исходной воды (обычно зимой) и позволяет создать требуемые значения рН процесса без увеличения дозы коагулянта. Как правило, доза кислоты не превышает 0,15 — 0,20 мг-экв/кг.

Точные дозы щелочи, кислоты, а также оптимальные значения рН процесса уточняются при наладке и эксплуатации осветлителя.

2.4.3. Оптимальная температура исходной воды при коагуляции выбирается с учетом термостойкости ионитов и антикоррозионного покрытия оборудования (фильтров, трубопроводов, баков) и принимается равной 30 °С.

Решающее значение для работы осветлителя имеет постоянство выбранной температуры. Колебания температуры подогрева воды приводят к возникновению местных тепловых потоков в осветлителе, нарушению режима шламового фильтра, выносу шлама в зону осветления и попаданию его в коагулированную воду. Колебания температуры не должны превышать ± 1 °С.

2.4.4. Оптимальные границы уровня шламового фильтра устанавливаются таким образом, чтобы при всех нагрузках, в том числе при максимально допустимой, обеспечивались необходимая защитная зона осветленной воды (она составляет не менее 0,8 — 1,0 м) и своевременное и достаточное отведение избыточного количества осадка из зоны шламового фильтра в шламоуплотнитель и далее в дренаж.

Уровень шламового фильтра при выбранной дозе реагентов регулируется в процессе эксплуатации путем изменения величины непрерывной продувки шламоуплотнителя и «отсечки» на шламоуплотнитель.

Оптимальный режим продувок осветлителя, а также параметры контактной среды (условный объемный вес взвеси, скорость свободного осаждения частиц, коэффициент уплотнения) устанавливаются при наладке. Обычно размер продувки составляет 1,5 — 2,0 % производительности осветлителя.

2.4.5. Наряду с соблюдением всех перечисленных условий (дозы реагентов, температуры подогрева исходной воды, границы шламового фильтра, размера непрерывной продувки) необходимо поддерживать на осветлителе стабильную нагрузку, как можно более редко и плавно изменяя ее; рекомендуется менять нагрузку (особенно при ее увеличении) не более чем на 10 % в течение каждых 15 — 20 мин.

Методы

Полное обессоливание проводится следующими способами:

Дистилляция, термический способ.
Методом ионного обмена.
Методом электродиализа.
Мембранным обратным осмосом.

Частичное удаление соли достигается при применении таких способов:

Известкование.
Баритовое умягчение.
Н-катионирование.
Вымораживание.

Методы обессоливания воды требуют затрат как финансовых, так и энергетических. Выбор способа обработки зависит от степени содержания соли в первоначальной жидкости, производительности установки, затрат на составляющие процесса (тепло, электроэнергия, реагенты). Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и происходит при помощи технических средств.

Почему опресняют воду?

Вода всегда считалась одним из важнейших элементов здоровой жизни, сегодня от ее наличия и качества зависит рост благосостояния, уровень образования, развития целого общества и стран. По данным Всемирной организации здравоохранения, у 2,1 млрд. человек нет постоянного доступа к чистой питьевой воде. Из них 1,3 млрд человек может добраться до благоустроенного (читай, чистого) источника воды в течение 30 минут, 263 млн человек для того же потребуется больше времени, 423 млн. берут воду из открытых источников (колодцы), 152 млн. используют неочищенную воду (озера, реки, ручьи), а значит, миллионы людей вместо того, чтобы заниматься развитием собственных идей, получением образования, полноценной работе должны тратить свое время и силы для добычи воды.

Кстати, ошибочно мнение, что дефицит пресной воды – удел засушливых регионов. Перебои с водой могут быть связаны с несколькими причинами:

в США и Японии количество потребляемой воды для сельского хозяйства, промышленности и бытовых нужд превышает имеющиеся запасы;
имеющиеся реки и водоемы загрязняются мусором. Это касается не только Китая или Индии, о которых сказано немало. Итальянская река Сарно или устья Миссисипи (США) отравлены различными отходами и мусором;
неравномерное распределение ресурсов. Например, в России, которая занимает одно из лидирующих мест по объемам поверхностных пресных вод, большая часть ресурсов сконцентрирована в районах Дальнего Востока, Севера или Сибири, в то время как наибольшая плотность населения и промышленных объектов приходится на центральную и южную ее часть.

Устройство и принцип работы опреснительной установки

Устройство опреснителя можно разобрать на примере тех, что устанавливаются на судах:

Дистилляционные установки. Суть состоит в том, что морскую воду нагревают до температуры кипения, потом собирают сконденсированный пар и получают дистиллированную воду. Это трудоемкий процесс, который отнимает много времени.
Электродиализные устройства. Они основаны на химическом методе опреснения. Применяют их только в крайнем случае, и полученная таким способ вода редко используется в качестве питьевой, поскольку химические реагенты токсичны.
Установки обратного осмоса. Они являются наиболее распространенным типом корабельных установок для получения пресной воды. Эти устройства состоят из нескольких блоков. Суть метода заключается в том, что забортная вода проходит предварительную обработку, а затем содержащая соли вода проходит под высоким давлением через специальную мембрану и остается в накопителе, а загрязненная вода через какое-то время сливается за борт.

1.2. Применяемые схемы

1.2.1. Общая схема ВПУ для современных ГРЭС и ТЭЦ наиболее часто встречается в двух вариантах:

а) коагуляция в осветлителе, фильтрация на механических фильтрах, двух- или трехступенчатое обессоливание на ионитовых фильтрах;

б) известкование с коагуляцией в осветлителе, фильтрация на механических фильтрах, двух- или трехступенчатое обессоливание на ионитовых фильтрах.

В обоих вариантах этих схем, как правило, имеется установка Na-катионирования для подпитки теплосети, вода на которую поступает после механических фильтров.

1.2.2. Наилучшее качество воды, пригодное для подпитки котлов до- и закритических параметров, достигается при обработке воды по схеме трехступенчатого обессоливания: содержание натрия (в пересчете на NaCl) не превышает 10 мкг/кг, содержание кремнекислоты – не более 20 мкг/кг, жесткость – не более 0,2 мкг-экв/кг.

Принципиальная схема ВПУ с предочисткой и трехступенчатым обессоливанием приведена на рис. .

Рис. 1-1. Схема обработки воды методом трехступенчатого обессоливания:

– осветлитель; 2 – бак коагулированной воды; 3 – насос коагулированной воды; 4 – механический фильтр; 5 – Н-катионитовый фильтр I ступени; 6 – анионитовый фильтр I ступени; 7 – декарбонизатор; 8 – бак частично обессоленной воды; 9 – насос частично обессоленной воды; 10 – Н-катионитовый фильтр II ступени; 11 – анионитовый фильтр II ступени; 12 – фильтр смешанного действия

1.2.3. В настоящей Инструкции приводятся устройство и принцип работы основного оборудования, а также порядок его обслуживания на всех стадиях обработки воды по схемам двух- и трехступенчатого обессоливания с предочисткой, включая относящееся к ним реагентное хозяйство.

Инструкция рассчитана на персонал ВПУ, прошедший теоретический курс обучения по теме: «Подготовка воды для тепловых электростанций». Список литературы, рекомендуемой для использования при обучении, приведен в приложении .

Для наглядности и удобства обслуживания на схемах, имеющих несколько технологических потоков, задвижки, помимо нумерации, имеют буквенные индексы, обозначающие наименование потоков, протекающих в соответствующих трубопроводах: О – вода; К – кислота; Щ – щелочь; Г – коагулянт; К – известь; Ф – флокулянт; В – воздух; Др – дренаж.

Анализы, необходимые для ведения химического контроля при обслуживании водоподготовительных установок, проводятся в соответствии с «Инструкцией по анализу воды, пара и отложений в теплосиловом хозяйстве» («Энергия», 1967).

При обслуживании ВПУ, помимо требований настоящей Инструкции, обязательно соблюдение «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей» («Энергия», 1968) и «Правил техники безопасности при обслуживании оборудования химических цехов электростанций и сетей» (Атомиздат, 1973).

Характеристики ионообменных смол

Отметим основные характеристики ионообменных смол, характеризующие их эксплуатационные свойства.

Обменная емкость ионообменных материалов – это масса ионов, которые могут быть извлечены единицей объема (или, в исключительных случаях, единицей массы) рассматриваемого ионообменного материала. Она выражается в грамм-эквивалентах на дм3 смолы в плотном состоянии или в градусах на единицу объема; эквивалент градуса, выраженный в грамм-эквивалентах, различен в различных странах (французские градусы, немецкие и т.д.).

Существуют различия между понятиями «полная обменная ёмкость» (величина, представляющая собой массу ионов, которые могут быть обменены) и «полезная ёмкость» (которая представляет собой часть полной обменной емкости и изменяется в зависимости от гидравлических и химических условий работы ионитов в течение фильтроцикла).

В практике водоподготовки обменную ёмкость катионита выражают в г-экв задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набухшем состоянии в рабочем фильтре.

Полной обменной ёмкостью называется то количество Са2+, Mg2+, которое может задержать 1 м3 вещества в рабочем состоянии, до того момента, когда жёсткость фильтрата сравняется с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной ёмкостью катионита называется то количество катионов кальция и магния, которое задерживается 1 м3 до момента «проскока» в фильтрат солей жёсткости. Пренебрегая остаточной жёсткостью умягчённой воды, рабочую обменную емкость фильтра Е_р (г-экв/м3) можно выразить так:

Е_р= QЖ_o или Е_р=е_р V_к,

где Q – количество умягченной воды, м3, Ж_o – жёсткость исходной воды, г-экв/м3; е_р – рабочая обменная ёмкость катионита г-экв/ м3; V_к – объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии.Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии определяется по формуле:

V_к = fh,

где f – площадь катионитового фильтра, м2; h – высота слоя катионита, м.

Формула для определения рабочей обменной емкости катионита (г-экв/м3):

е_р= QЖ_o/fh.

Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре С_ф, количество умягченной воды можно найти по формуле:

Q = С_фfT_k = е_рfh/Ж_o.

Откуда длительность работы катионитового фильтра T_k (межрегенерационный период) находят по формуле:

T_k = е_рh/С_фЖ_o.

Необходимый объём катионита в фильтре вычисляется по формуле:

V = 24QЖ_o/nе_р,

где n – число регенераций каждого фильтра в сутки (принимается равным 1–3).

Объемная нагрузка – это отношение объема жидкости, обрабатываемой за 1 час, к объему смолы. Нагрузка по ионам – объемная нагрузка, умноженная на солесодержание воды (число ионов в мг-экв, поступивших на 1 дм3 смолы в 1 час).

Регенерационное отношение – масса реагента, используемого для регенерации единицы объема ионообменного материала.

Эффективность регенерации выражается отношением количества использованного регенерирующего реагента (г-экв) к количеству реагента (г-экв), соответствующему стехиометрическому количеству удаленных ионов, а эффективность удаления ионов представляет собой отношение концентрации удаляемых ионов в жидкости после и до обработки, она выражается в %.

Важной характеристикой ионообменных смол является их механическая прочность – износ гранул в процессе их использования, а также химическая стойкость в разных кислотах и щелочах, к растворённому в воде хлору и другим окислителям, термическая стойкость. При высокой температуре обрабатываемой воды, повышенной кислотности или щелочности катиониты способны пептизироваться – переходить из нерастворимого состояния в состояние коллоидного раствора и в таком виде вымываться из фильтра

При высокой температуре обрабатываемой воды, повышенной кислотности или щелочности катиониты способны пептизироваться – переходить из нерастворимого состояния в состояние коллоидного раствора и в таком виде вымываться из фильтра.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ:

Преимущества обратного осмоса по сравнению с традиционными методами очистки и обессоливания:

Универсальность метода – «чистит» все сразу – растворенные соли, органику, микробиологические загрязнения.
Цветность, мутность, окисляемость снижается в разы. – вода «блестит».
Надежность метода.
Компактность.
Экологичность – не нужны ни соль, ни кислоты, ни щелочи для регенерации.
Невысокая энергоемкость по сравнению с другими методами обессоливания.
Низкие эксплуатационные затраты.
Ремонтопригодность.

Недостатки обратного осмоса по сравнению с традиционными методами очистки и обессоливания:

Для питьевых целей – излишняя степень обессоливания.
Снижение рН пермеата.
Необходимость предподготовки.
Необходимость строгого контроля исходного и трансмембранного давления для исключения порывов (обычно автоматически).
Возможность снижения производительности и селективности (процента удаления солей) из-за забивания мембран при неправильном расчете технологической схемы.
Потребность в сбросе концентрата (15-30% в зависимости от состава воды и требований к пермеату).
Необходимость установки бака пермеата, чтобы избежать избыточного противодавления.

Замораживание

Ещё одним направлением получения опресненной воды с использованием фазового перехода является процесс замораживания (вымораживания). Данный метод основан на процессе перехода пресной воды в твердую фазу с последующим плавлением полученного льда.

Разновидностью метода вымораживания можно считать метод опреснения с использованием газовых гидратов. Данный метод является разновидностью метода замораживания с использованием вторичного теплоносителя, в роли которого выступает газ, способный образовывать с водой соединения клатратного типа — газогидраты. В роли такого газа используют некоторые углеводороды (пропан, бутан и т.д.). Для получения опресненной воды полученные газогидраты сепарируют от рассола (отделяют) и подвергают плавлению, выделяемый при этом газ возвращается в процесс.

Следующие методы основаны на физико-химических методах без изменения агрегатного состояния вещества.

Способы обессоливания воды

Ионный обмен

Обратный осмос

Электрохимический метод

Суть электродиализа заключается в том, что водная среда подвергается воздействию электрического поля её пропускают через него. В этот момент происходит перенос ионов растворенных солей: анионы распределяются к анодам, катионы — к катодам.

Электрохимический метод

Суть метода заключается в пропуске воды через электрическое поле, при этом происходит перенос ионов солей – катионы распределяются в сторону катода, а анионы — к аноду. Система имеет три отсека, которые образуются при помощи катодной и анодной диафрагм. В срединном отсеке находится вода, подготовленная к обессоливанию.

Через поток пропускают постоянный электрический ток, при помощи которого происходит сортировка солей на катодную и анодную диафрагмы. Метод является очень дорогостоящим по затратам на оборудование и издержкам на электроэнергию, в связи с чем не получил распространения.

Бытовые установки

Для бытовых нужд чаще всего необходимы системы для доочистки воды. Фильтрация воды может проводиться несколькими способами:

Самый простой и доступный – кувшин со сменными фильтрами.
Насадка с фильтром на кран.
Настольные фильтры для воды.
Встраиваемые системы, осуществляющие очистку жидкости в зависимости от места размещения (только на кухне, в точке входа подачи воды в дом, многоступенчатые фильтры для очистки воды из артезианской скважины и т. д.).

Ни одна из бытовых систем не может полностью устранить соли из жидкости, но смягчить жесткую воду в состоянии. В этом случае необходимо знать, какими элементами она насыщена, чтобы подобрать систему, картриджи для воды, фильтры или реагенты. Процесс обессоливания требует габаритных аппаратов, большой площади для установки, крупных финансовых инвестиций и доступность обслуживания системы, что недоступно для широкого круга потребителей.

Плюсы и минусы методов

Каждый из способов обессоливания отличается рядом преимуществ и недостатков. Особенно их должны учесть те, кто хочет апробировать методы для домашнего применения.

Ионообменные установки отличаются такими достоинствами:

получение максимально чистой воды;
высокая надежность;
отсутствие реакции на степень минерализации обрабатываемой среды;
невысокие расходы на оборудование.

К минусам ионообменного метода относятся:

сложность утилизации отходов фильтровального материала;
загрязнение окружающей среды;
необходимость регулярной замены фильтров.

Для обратноосмотической установки характерны такие плюсы:

инертность к начальному составу жидкости;
простота обслуживания установки;
отсутствие необходимости использования сложных реагентов;
возможность сбрасывать отработанные концентраты в канализацию;
высокое качество нейтрализации минеральных примесей;
низкие расходы на обслуживание системы.

Минусами обратного осмоса являются:

необходимость предварительной обработки жидкости;

высокий объем сбросов;
необходимость непрерывной работы установки;
относительно высокие энергозатраты при промышленных масштабах очистки.

Установки обратного осмоса монтируют в частных домах и квартирах под кухонную мойку.

Электролиз в быту не применяется, поскольку расходы на электроэнергию и саму установку нецелесообразны.

Опреснение высокоминерализованных вод

При помощи ионообменных технологий можно получать опреснённую и глубоко обессоленную воду. Сущность метода заключается в последовательном пропускании воды через H-катионитовый, а затем – анионитовый фильтр с загрузкой в форме OH–, СО₃2– или НСО₃–. Процессы, протекающие в H-катионитовом фильтре, описаны выше.

В OH-анионитовом фильтре анионы образовавшихся кислот обмениваются на OH–:

АnOH +НСl ⇌ АnСl + H₂O,2АnOH +H₂SO₄ ⇌ Аn2SO₄ +2H₂O.

В зависимости от требуемой степени обессоливания проектируются одно-, двух- или трёхступенчатые установки, причём для непрерывной работы в каждой группе должно быть не меньше двух взаимозаменяемых фильтров. Для регенерации анионитовых фильтров первой ступени применяют раствор кальцинированной соды с удельным расходом на 1 г-экв поглощённых анионов 100 г Na₂СО₃ с концентрацией порядка 4%. Фильтры первой ступени отмывают H-катионированной водой.

Для регенерации второй ступени применяют раствор едкого натра, приготовленный на H-катионированной воде.

Раствор едкого натра и промывка фильтров третьей ступени после регенерации производят обессоленной водой после анионных фильтров второй ступени. Удельный расход NaОH равен 2000г/г-экв поглощённой кремневой кислоты.

Общим недостатком умягчения и обессоливания воды при помощи ионообменных смол является большой объём сточных вод – порядка 15–20% производительности установки, – так как после регенерации ионитов необходима тщательная их отмывка от следов регенерирующих растворов.

Для экономии при регенерации используют отходящие промывные воды одних фильтров для промывки других ступеней умягчения и обессоливания воды. Для опреснения исходной воды с содержанием растворенных солей 1,5–2,5 г/дм3 требуется сравнительно высокий расход реагентов, поэтому метод приемлем, когда себестоимость воды не играет особой роли.

Ионообменный способ опреснения и умягчения воды имеет и ряд достоинств – простота стандартного оборудования, относительно малый расход электроэнергии, отработанные схемы и технологии ведения процесса обессоливания практически любых необходимых объёмов воды, большой выбор видов ионообменных смол с необходимыми свойствами для конкретных технологических целей и свойств фильтрата.

Просмотрено: 14 826

Описание процесса умягчения воды

Удаление из воды кальция и магния можно описать уравнением:

Ме(HCO₃)₂ + 2NaR⇌МеR₂ + 2NaHCO₃.

Регенерация поваренной солью происходит следующим образом:

МеR₂ + 2NaCl ⇌2 NaR+ МеCl₂,

где R – обозначение радикала смолы (Ме-катиона двухвалентного металла).

Для ускорения процесса регенерации накопленных ионов кальция и магния, в систему направляют водный раствор поваренной соли (5–8% NaCl) со значительным превышением сверх необходимого стехиометрического её количества. В целях уменьшения удельного расхода соли при регенерации иногда практикуют первую половину расходного количества соли пропускать в виде 2 – 3%-го раствора, а вторую половину – в виде 6 – 7%-го раствора.

Скорости прохождения регенерирующих растворов обычно выдерживают на уровне 7 – 10 м/ч.

Расход поваренной соли Р для регенерации промышленных Na-катионитных фильтров на умягчение 1 м3 воды (г/м3) в расчете на 100% хлористый натрий определяют по нескольким формулам. Для одноступенчатого Na-катионирования или для фильтров 1 ступени:

Р₁=У₁ (Ж_об – Ж_ост).

Для Na-катионитных фильтров 2 ступени:

Р₂=У₂ (Ж_ост – Ж_норм).

Для H-, Na-катионитных фильтров:

Р₃=180 (Ж_об – Щ + а),

где У₁, У₂ – удельные расходы поваренной соли (г/г-экв), соответственно, выбирают по таблице в зависимости от применяемой технологии умягчения воды и регенерации катионита. Для одноступенчатого прямоточного процесса – 118 г/г-экв, второй ступени – 350 г/г-экв. Для прямоточного умягчения конденсатов – 350 г/г-экв. При одноступенчатом натрий-катионировании и ступенчато-противоположной системе регенерации 88 г/г-экв и противоточной технологии 90–150 г/г-экв; Жоб – среднегодовая общая жесткость исходной воды перед Na-катионитным фильтром 1-ой ступени, мг-экв/дм3; Ж_ост – средняя за фильтроцикл остаточная жесткость воды, после первой ступени Na-катионирования, мг-экв/дм3; Ж_норм – нормируемая жесткость умягченной воды, мг-экв/дм3; Щ – карбонатная щелочность исходной воды, мг-экв/дм3; а – заданная щелочность фильтрата, мг-экв/дм3.

Для эффективного взрыхления ионитов перед регенерацией необходимо предусмотреть свободное пространство в фильтре, достаточное для расширения слоя катионитов на 50–75%, слоя анионитов – на 80–100%. При этом иониты макропористой структуры требуют большей высоты расширения слоя в сравнении с ионитами гелевой структуры. В связи с этим начальная скорость потока взрыхляющей воды не должна превышать 5–7 м/ч.

Концентрированные водные растворы хлоридов СаСl₂, МgСl₂ и избыток раствора соли NаСl, оставшейся неиспользованной, затем удаляют промывочной водой из фильтра в дренаж.

При пропускании регенерационного раствора сверху-вниз, в нём нарастает концентрация вытесняемых и уменьшается концентрация регенерирующих ионов. Увеличение концентрации противоионов (при умягчении это Са2+, Mg2+), в регенерационном растворе NаСl подавляет и ослабляет замещение Са2+, Mg2+ в смоле на Nа+. Иначе говоря, это так называемый противоионный эффект тормозит реакцию регенерации. В итоге в нижних слоях катионита некоторое количество катионов жёсткости остаются незамещёнными Nа+. Для устранения этого явления можно продлить время регенерации, но это увеличивает удельный расход соли и повышает стоимость обработки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропусканием раствора соли при жёсткости умягчённой воды до 0,20 мг-экв/дм3 или двукратным при жёсткости ниже 0,05 мг-экв/дм3.

Для каждого вида ионообменных смол есть свой предел, которого он может достигнуть, после чего фильтрующий слой перестаёт работать по назначению. Возможны два варианта того, что следует делать со смолой, использовавшей свою ионообменную емкость.

В том случае, когда порция смолы использовалась в виде сменного картриджа, что практикуется в ряде бытовых устройств, его просто заменяют на новый. Подобные устройства целесообразно применять для получения небольших объёмов очищенной воды, например, для разового приготовления пищи.

Недостатком подобных устройств является почти полная неизвестность того момента, когда картридж исчерпал свои умягчительные свойства. Поэтому или картридж меняют, хотя он ещё работоспособен, или употребляют не умягчённую воду.

В бытовых водоумягчительных устройствах с большим объемом загрузки ионообменными смолами применяется регенерация насыщенным раствором таблетированной поваренной соли из бака, который или расположен отдельно (колонная система, рис. 1), или является частью относительно компактной установки (кабинетная система, рис. 2).

Рис. 1. Колонная система водоумягчения

Рис. 2. Кабинетная система водоумягчеиня

Фильтрация на предприятиях

Взаимосвязь между областью использования и требуемым типом системы водоподготовки отражена в таблице:

Отрасль производства	Требуемые функции основной линии подготовки
Металлургия	Обессоливание
Пищевая промышленность	Обеспечение ионного обмена, обеззараживание, умягчение
Добыча и переработка нефти и газа	Исключение посторонних примесей, обезжелезивание, обратный осмос
Энерго- и тепло- и водоснабжение	Обессоливание, УФ-фильтрация, хлорирование или озонирование
Фармацевтика	Обратный осмос, дистилляция

В целях экономии средств приведенные методы реализуются в комплексе с механическим фильтрованием.

Отдельные требования выдвигаются к системам переработки стоков предприятий химической или металлургической отрасли, отбираемый концентрат может быть ценным или нуждаться в обязательной утилизации.

1.1. Назначение водоподготовительных установок

1.1.1. Примеси природных вод различны как по степени дисперсности, так и по химическому характеру.

По степени дисперсности примеси природных вод разделяется на:

а) истинно-растворенные с размером частиц до 10-6 мм;

б) коллоидно-растворенные с размером частиц свыше 10-6 до 10-4 мм;

в) грубодисперсные с размером частиц свыше 10-4 мм.

По химическому характеру примеси природных вод разделяются на:

а) минеральные — различные растворенные в воде соли (кальций, магний, натрий и др.) и газы (углекислота, кислород, аммиак и др.);

б) органические — белковые вещества, жиры, гуминовые вещества, эфирные масла и др.

1.1.2. Для питания котлов современных тепловых электростанций пригодна вода, в которой практически отсутствуют все примеси, находящиеся в обрабатываемой воде как в истинно-растворенном, так и в коллоидном и грубодисперсном состояниях. Для этой цели исходная вода (речная, озерная, артезианская) проходит различные стадии обработки на специальных водоподготовительных установках (ВПУ).

На ВПУ вода обрабатывается двумя принципиально различными методами:

а) осаждением с последующей фильтрацией на механических фильтрах — предварительной обработкой;

б) фильтрацией через специальные ионообменные материалы-иониты — окончательной обработкой.

Обработка воды методом осаждения позволяет удалить большую часть веществ, находящихся в ней в грубодисперсном или коллоидном состоянии. При обработке воды методом ионообмена из нее удаляются вещества, находящиеся в истинно-растворенном состоянии.

1.1.3. В настоящее время на ВПУ тепловых электростанций применяются следующие основные способы обработки воды методом осаждения:

а) коагуляция в осветлителях;

б) известкование с коагуляцией в осветлителях.

Значительно реже применяются магнезиальное обескремнивание в осветлителях и прямоточная коагуляция.

Для фильтрации на механических фильтрах применяются одно-, двух- и трехкамерные вертикальные фильтры и реже — одно- и двухслойные горизонтальные фильтры.

При обработке воды методом ионообмена применяются следующие основные способы:

а) Na- катионирование;

б) Н-катионирование;

в) анионирование.

Значительно реже применяются способы аммоний-катионирования, хлор-анионирования и ряд других.

Указанные три основных способа ионообмена, как правило, применяются в различных сочетаниях один с другим и в зависимости от требуемого качества воды образуют различные схемы.