Что из себя представляет обессоливание воды и какие существуют методы

Обессоливание и опреснение воды

Под обессоливанием воды понимают процесс снижения содержания растворенных в ней солей до требуемой величины прокаленного растворенного остатка.

Различают частичное и полное обессоливание. Частным случаем обессоливания воды является опреснение , в результате которого величина солесодержания в очищен­ной воде не превышает 1000 мг/л.

Полное обессоливание обеспечивает получение в процессе обработки воды, близ­кой по качеству к дистиллированной, используемой в большинстве случаев для питания барабанных и прямоточных паровых котлов ТЭЦ и ГРЭС.

К наиболее распространенным методам обессоливания воды относятся: ионный обмен, электродиализ, обратный осмос и дистилляция. Выбор метода обессоливания определяется производительностью установки, качеством исходной и очищенной воды и осуществляется на базе технико-экономического сравнения вариантов. Ориентировоч­но, при общем солесодержании воды до 1,5-2 г/л, рекомендуется применять ионообмен­ный метод, 1,5-15 г/л – электродиализ или обратный осмос, более 10 г/л – дистилляцию и до 40 г/л – обратный осмос.

Ионообменный метод обессоливания воды основан на способности ионитов обме­нивать ионы Н + и ОН – , С0₃ 2- , НС0₃ – соответственно на катионы (Са 2+ , Mg 2+ и Na + ) и анионы (S0₄ 2- , Сl – , Si0₃ 2- ) растворенных в воде солей и реализуется путем последова­тельного пропуска обрабатываемой воды через Н-катионитовые фильтры:

H[K] + NaCl ↔ Na[K] + HCl,

и ОН, C0 ₃ или НС0₃ -анионитовые фильтры, в которых процесс обмена может быть представлен следующими уравнениями реакций:

[А] ОН + NaCl ↔ [А]Сl + Н₂0,

Схема установки для обессоливания воды

1 – Н-катионитовые фильтры; 2 – анионитовые фильтры; 3 – буферный Ыа-катионитовый фильтр; 4 – дегазатор; 5 – вентилятор; 6 – промежуточный бак; 7 – насос.

Схема установки для полного обессоливания воды с двухступенчатым катионированием и анионированием

1 – Н-катионитовые фильтры; 2 – анионитовые фильтры первой ступени (со слабоосновным ани­онитом); 3 – Н-катионитовые фильтры второй ступени; 4 – анионитовые фильтры второй ступени (с сильноосновным анионитом); 5 -дегазатор; 6 – вентилятор; 7 – бак для сбора частично обессо­ленной воды; 8 – насос.

Условия применения технологических схем обессоливания ионным обменом

Схема ионитового обессоливания воды

общее солесодержа- ние, мг/л

S0 2 _A + + Сl – , мг – экв / л

взвешен­ные веще­ства, мг/л

перманганат- ная окисляе- мость, мг0₂/л

общее солесо- держание, мг/л

кремнекис- лота, мг/л

Н-катионитовый фильтр, анионитовый фильтр со слабоосновным анионитом, дегазатор

I ст., анионитовый фильтр со слабоосновным аниони­том I ст., Н-катионитовый фильтр II ст., дегазатор; анионитовый фильтр с сильноосновным анионитом

Трехступенчатая: дополни­тельно к двухступенчатой схеме фильтр со смешанной загрузкой из высококислот­ного катионита и высокоос­новного анионита (ФСД)

В зависимости от требований , предъявляемых к очищенной воде, раз­личают одно-, двух- и трехступенчатые схемы ионитового обессоливания воды. Кроме фильтров, являющихся основным оборудованием ионитовых установок, в состав по­следних входят дегазаторы для удаления избыточной углекислоты, баки для взрыхления катионитовой и анионитовой загрузки, бак для сбора воды после дегазатора, насосное и воздуходувное оборудование и реагентное хозяйство для обеспечения регенерации ио­нитовых фильтров. Вода, подаваемая на обессоливающие установки, должна быть пред­варительно очищена от механических примесей и органических веществ. При окисляе­мости воды более 7 мг 0 ₂/л в технологической схеме должно быть предусмотрено уст­ройство фильтра с активированным углем. Суммарное содержание в такой воде сульфа­тов и хлоридов не должно превышать 5 мг-экв/л.

Расчет Н-катионитовых фильтров I и II ступени производится по данным таблицы ранее аналогично, как и для водоумягчительных установок.

Технологические параметры Н-катионитовых фильтров

Высота слоя катионита, м

Полная обменная емкость по паспортным данным, г-экв/м 3 , либо при их отсутствии при загрузке фильтра:

Рабочая обменная емкость, г-экв/м 3

Скорость фильтрования, м/ч

-интенсивность подачи воды, л/с м 2

-продолжительность промывки, мин

-удельный расход серной кислоты, г-г/экв

-скорость фильтрования, м/ч

-концентрация регенерационного раствора, %

-при загрузке сульфоуглем

при загрузке катионитом КУ-2

-удельный расход отмывочной воды, м 3 /м 2 катионита

-продолжительность отмывки, мин

-продолжительность регенерации и отмывки, ч

Отмывку фильтров II ступени следует производить водой, прошедшей через анионитовые фильтры I ступени.

Воду от отмывки катионитовых фильтров II ступени следует использовать для взрыхления Н-катионитовых фильтров I ступени и приготовления для них регенерационного раствора.

Для анионитовых фильтров II ступени величину рабочей обменной емкости, г-экв/м 3 , определяют по формуле

Фильтр смешанного действия

1- подача обрабатываемой воды; 2- отвод обрабатываемой воды; 3 – подвод раствора щелочи; 4 – подвод раствора кислоты; 5 – подвод осветленной воды; 6- подвод сжатого воздуха; 7 – дренаж; 8- отвод воздуха.

Для обслуживания Н-катионитовых и анионитовых фильтров обессоливающих ус­тановок предусматривают устройство кислотного и щелочного (содового) хозяйства.

Для анионитовых фильтров в составе одноступенчатой схемы обессоливания реко­мендуется использовать в качестве реагента кальцинированную соду, гидрокарбонат на­трия или гидроксид натрия, а для фильтров в составе двухступенчатой схемы обессоли­вания возможно использование одного гидроксида натрия.

Технологические параметры работы фильтров ФСД

Скорость фильтрования, м/ч

Количество фильтров, шт, не менее

-удельный расход 100%-ной серной кислоты, кг, на 1 м 3 катионита

-удельный расход 100%-ного едкого натрия, кг, на 1 м 3 анионита

-удельный объем воды, тыс. м 3 , на 1м 3 смеси ионитов, профильтрованной через загрузку, при достижении которого следует предусматривать регенерацию ФСД

Подбор ионитов осуществляют таким образом, чтобы во влажном состоянии насыпная масса анионита была меньше, чем катионита.

Отмывку катионита следует сочетать с регенерацией анионита.

В состав щелочного хозяйства входят: бак для растворения твердого гидроксида на­трия или для приема раствора из контейнеров; цистерна для хранения запаса концент­рированного раствора гидроксида натрия; расходный бак раствора NaOH; мерник; на­сосное оборудование.

Схема щелочного хозяйства

1 – бак для растворения твердого едкого натра и для приема раствора едкого натра из контейне­ров; 2 – воронка для слива раствора едкого натра из контейнеров; 3 – подвод воды для растворе­ния едкого натра; 4 – насос; 5 – цистерна для хранения запаса концентрированного раствора ед­кого натра; 6 – сифон для заполнения цистерны; 7 – расходный бак раствора едкого натра; 8 – мер­ник; 9 – насос; 10 – насос-дозатор; 11 – трубопровод с водой, в котором образуется раствор едко­го натра; 12 – вакуум-насос; 13 – расходомер.

Вода, подаваемая на установки, должна характеризоваться следующими показате­лями: мутность – менее 0,3 мг/л; общее содержание гуминовых веществ (по перманганатной окисляемости) – не более 10 мг0 ₂ /л; железо (Fe 3+ ) – не более 0,05 мг/л.

Для обеспечения требуемого качества воды и предотвращения снижения произво­дительности вследствие забивания пор мембран взвешенными частицами, коллоидами и солями, выпавшими в осадок в процессе обессоливания, необходимо предусматривать предварительную обработку природных вод.

Выбор технологической схемы предподготоьки воды зависит от производительно­сти установки, источника водоснабжения, характеризующегося определенным составом примесей, и частично – от типа применяемых мембранных модулей.

Возможные варианты предподготовки воды рассмотрены ниже.

хлорирование → коагуляция → осаждение → фильтрование через зернистую за­грузку.

1. Вода повышенной жесткости:

известково-содовое умягчение → фильтрование через зернистую загрузку;

1. Вода с низким содержанием солей жесткости:

фильтрование через песчаную загрузку → фильтрование через цеолитовую загрузку.

В состав обратноосмотических установок, помимо мембранного аппарата, входят: насос; оборудование для предварительной и последующей обработки воды; баки для рас­твора и фильтрата; датчики и приборы автоматического управления и контроля; механи­ческий фильтр; соединительная и регулирующая арматура; элементы крепления и т.д.

Технологические характеристики существующих мембранных аппаратов для обратного осмоса, применяемых в водоподготовке, в частности для обессоливания и опреснения морских и солоноватых вод, приведены в таблице.

Технологические характеристики мембранных аппаратов

удельная поверхность мембран (плотность упаковки), м 2 /м 3

Аппарат с плоскокамерными фильтрующими элементами (ПФЭ)

Аппарат с трубчатыми фильтрующими элементами (ТФЭ)

Аппарат с фильтрующими элементами рулонного типа (РФЭ)

Аппараты с плоскими волокнами (ФЭВ)

20000-30000, наружный диа­метр волокон – 45-200 мкм

Основным элементом аппаратов для осуществления процесса обратного осмоса яв­ляются полупроницаемые мембраны (пористые и непористые), для получения которых используют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др.

Широкому промышленному использованию электродиализного метода мешает ряд ограничений эксплуатационного характера. К этим ограничениям относятся: «от­равление» анионообменных мембран органическими веществами, содержащимися в природных водах; «отравление» катионообменных мембран железом, марганцем, при­сутствующими в природных водах; выпадение в осадок карбоната кальция, гидрата оки­си магния и (реже) гипса в результате работы электродиализного аппарата в условиях поляризации; работа установки при предельных плотностях тока ниже оптимальных, что приводит к повышению себестоимости деминерализации воды; высокие капиталь­ные затраты и эксплуатационные расходы на отдельные компоненты промышленных электродиализных установок, включая заменяемые прокладки и мембраны.

Обработка воды производится в электродиализаторах – аппаратах, представляю­щих собой систему рабочих ячеек (дилюатных и рассольных камер), каждая из которых содержит мембраны противоположной полярности, разделенные лабиринтно-сетчатыми перегородками-прокладками или корпусными рамками с закладкой либо вваривае­мой сеткой. Прокладки и корпусные рамки с сеткой выполняют двойную функцию: на­правляют течение жидкости между мембранами и создают турбулентность потока, по­вышающую эффективность процесса.

Эта система находится между двух электродов, погруженных в электролит. Они поддерживают постоянное напряжение. На электродах происходит электрохимическая реакция, которая трансформирует электронный ток в ионный: ионы водорода Н + восста­навливаются на катоде до молекулярного водорода Н ₂ и выделяются в виде газа, а ионы гидроксила ОН – и хлор-ионы Сl – окисляются на аноде до хлора Сl ₂ и кислорода 0 ₂ и также выделяются в виде газов.

Для осуществления электродиализа требуется только электрический ток и незначи­тельное количество реагентов (кислоты, щелочи, фосфатов).

Перед электродиализными аппаратами необходима глубокая очистка воды от орга­нических веществ, соединений железа и других загрязнений. Очистка воды от взвешен­ных веществ осуществляется известными методами (коагуляцией, отстаиванием, филь­трованием, содоизвесткованием и др.). Особенно эффективно применение перед элек­тродиализными установками ультрафильтрации и фильтрования воды через специаль­ные фильтровальные патроны.

Принцип устройства электродиализной ячейки

1 – рассольная камера; 2 – камера обессоливания; 3 – анионообменная мембрана; 4 – катионообмен­ная мембрана.

На рисунке показана схема электродиализного аппарата. Камеры 1 и 2 образованы мембранами – анионооб­менными А и катионообменными К. Анионообменные мембраны пропуска­ют только анионы, катионообменные – только катионы. Катионы перемещают­ся по направлению электрического то­ка, поэтому они могут выйти из камер 2, проходя через катионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1, так как встречают анионообменные мембраны. Анионы перемещаются по направлению, противоположному на­правлению электрического тока; они тоже могут выйти из камер 2 , проходя через анионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1 , так как катионообменные мембраны преграждают им путь. Таким образом, камеры 2 получили название дилюатных, а камеры 1 , обогащающиеся солями, – рассольных.

На рисунках ниже представлены различные технологические схемы электродиа­лизных установок.

В состав таких установок входят ионитовые мембраны, получаемые из ионообмен­ных смол (ионитов). В зависимости от технологии изготовления различают гомогенные, гетерогенные и проточные мембраны.

Технологическая циркуляционная схема электродиализной установки

трубопроводы: I – исходной воды; II — дилюата; III — рассола; IV — промывного раствора; V — опресненной во­ды; VI – кислоты; VII – сжатого воздуха. 1 – фильтр предварительной обработки воды; 2 – мерник; 3 – бак ре­агента (кислоты); 4 – компрессор; 5 – фильтр с АУ; 6 – электродиализатор; 7-9 – насосы; 10 – рассольный бак; 11 – питательный бак.

Мембраны с селективной проницаемостью, используемые для электродиализа, со­держат ионогенные группы положительных ионов (анионообменные мембраны) или ионогенные группы отрицательных ионов (катионообменные мембраны). В электриче­ском поле в водном растворе анионообменная мембрана обеспечивает прохождение только анионов, а катионообменная мембрана – только катионов.

Технологическая прямоточная схема электродиализной установки

трубопроводы: I — исходной воды; II – дилюата; III — рассола; IV — сбросной воды; V — опресненной воды; VI – электрическая сеть. 1 – металлокерамический фильтр; 2 – выпрямитель; 3 – узел переполосовки; 4 – электродиалезный аппарат; 5 – фильтр с АУ; 6 – ротаметр

Мембраны должны обладать высокими селективностью, электропроводностью, диффузионным сопротивлением, достаточной механической прочностью и стойкостью по отношению к рабочей среде.

Ионообменные селективные мембраны выпускает небольшое число предприятий и фирм России, Японии, США и других стран. Изготавливают мембраны трех типов: гете­рогенные, гомогенные, биполярные. Характеристики отдельных мембран, выпускаемых отечественной промышленностью и зарубежными фирмами, приведены в таблице.

Удельное поверхностное сопротивление в 0,1 н. растворе NaCl

Установки обессоливания воды

С каждым годом объемы пресной воды быстро сокращаются, а нехватка в ней растет. Это обусловлено антропогенным вмешательством в природные процессы, ростом населения и сильным загрязнением среды. Решать проблемы нужно уже сейчас. Применение установок для обессоливания воды – наилучший вариант решения вопроса нехватки пресной воды.

Что такое полное обессоливание воды

Воды из любого источника: водопровода, реки, грунтовых вод или океана, имеют в своем составе большое количество растворенных солей и часто не пригодны для использования в хозяйстве. Под процессом обессоливания воды из скважины подразумевают полное или частичное удаление минеральных солей из жидкости. Для морских и соленых вод применяют термин опреснение воды. Нормами СанПиН 2.1.4.1074-01 установлено максимальное солесодержание в питьевой воде на отметке 1000 мг/л. Для получения дистиллированной воды это значение не должно превышать 5 мг/л. В других различных процессах требуется вода и с более низким содержанием солей менее 1 мкСм/см.

Где необходимо применять установки обессоливания воды

Пресная вода нужна в различных областях экономики страны: для питьевого водоснабжения населения, в сельском хозяйстве, в химической и пищевой промышленностях, для санаториев и оздоровительных центров, в медицине, в микроэлектронике, для приготовления лекарств и т.д. Пресная вода должна отвечать строгим требованиям ГОСТов, СанПиНов, технических инструкций на предприятиях. Обессолить огромные объемы воды можно только с помощью профессионального оборудования для опреснения и обессоливания подземных вод и поверхностных источников.

Процессы обессоливания для получения воды с низкой электропроводностью широко применяется в фармацевтике, медицине, электронной промышленности и для многих других технологических процессов. Отдельно стоит упомянуть необходимость применения установок обессоливания воды на ТЭЦ. У паровых котлов очень жесткие требования к качеству подаваемой воды, поэтому требуется оборудования для получения обессоленной воды для ТЭЦ.

Как выбрать систему для обессоливания и воды

Выбор установки по обессоливанию воды зависит от нескольких факторов:

• Солесодержание в исходной воде;
• Требуемый объем очищенной воды в час/сутки;
• Необходимые показатели после системы получения обессоленной воды.

Также учитывается режим водопотребления, косвенные показатели, предпочтения клиентов и выделенный бюджет. В химическом анализе исходной воды должны быть представлены основные показатели, такие как мутность, цветность, запах, pH, жесткость, сухой остаток, содержание ионов, радиоактивное и бактериальное загрязнение.

Методы обессоливания пресной воды

Для небольшого объема воды применяются методы замораживания или выпаривания воды, однако они не способны гарантировать достижение нужных клиентам показателей. К основным методам подготовки обессоленной воды относят:

Каждый из методов имеет свои достоинства и находит практическое применение на производстве.

Обратноосмотическое обессоливание воды

В конце 20 века ученые открыли метод для обессоливания воды осмосом. Развитие мембранных технологий выделяет этот метод среди других, как наиболее эффективный и выгодный. Широкий модельный ряд установок обратноосмотического обессоливания воды позволяет применять эту технологию в любой сфере жизни. Непрерывный режим работы также позволяет использовать установки для получения обессоленной воды на любом производстве, где требуется круглосуточная подача подготовленной воды. Вода, подаваемая на обратноосмотическую установку для обессоливания воды, должна быть предварительно очищена и подготовлена.

Метод обессоливания воды обратным осмосом основан на мембранном разделении потока на очищенную воду и воду, где сконцентрированы все загрязняющие вещества. Специальные мембраны из синтетического волокна задерживают соли, взвешенные вещества, газы и микроорганизмы. После установки обессоленной воды поток на 99% очищается от всех примесей. Срок службы мембранных элементов достигает года при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании. Получения ультрачистой воды осуществляется на двухступенчатых обратноосмотических установках полного обессоливания воды.

Ионообменные фильтры обессоливания воды смешанного действия

Данный метод подготовки воды для обессоливания основан на работе специальных ионообменных смол – ионитов для обессоливания воды. Система обессоленной воды на основе ионообменных фильтров смешанного действия возможна в 2-х вариантах: один фильтр со смолой смешанного действия либо 2 фильтра, следующих друг за другом, со смолами в H+ и OH- форме.

В первом случае ионообменная смола задерживает все ионы и насыщается ими. После снижения эффективности в работе смолы и изменения показателей воды в худшую сторону требуется ее полная замена. Во втором случае, после насыщения фильтров аниона и катионами регенерация осуществляется с помощью реагентов: фильтр H+ – кислотным раствором, фильтр ОH- – раствором щелочи. Основными недостатками такого метода являются загрязнение окружающей среды промывными водами, большой расход реагентов и необходимость утилизации стоков после регенерации. Управление фильтрами для обессоливания воды осуществляется с помощью управляющих блоков, которые контролируют процесс работы и регенерации.

Промышленное обессоливание воды с помощью установки электродеионизации

Установка электродеионизации – эффективный метод мембранного обессоливания воды, основанный на пропускание потока через электрическое поле. Данная установка получения обессоленной воды состоит из 3 модулей: один блок для очищенной воды и два блока для рассола. Растворенные в воде вещества под действием электрического тока распределяются к полюсам и задерживаются на специальных мембранах. Отрицательно заряженные ионы идут к аноду, а положительно заряженные – к катоду. Вода в среднем отсеке имеет высокую степень очистки и может использоваться в микроэлектронике и медицине. Метод электродеионизации не получил широкого распространения за счет огромных энергозатрат на очистку большого объема воды.

Выбор оборудования для обессоливания воды – дело специалистов

Все вышеперечисленные методы обессоливания воды для производства напрямую зависят от исходного солесодержания, чем больше количество солей в воде, тем больше необходимо затратить энергии и ресурсов на ее очистку. С увеличением минеральных солей в воде возрастает расход реагентов, мембраны требуют частой химической промывки.

Если вам требуется очистить воду до нужных показателей, мы поможем правильно подобрать промышленную установку обессоливания воды. Для этого вам потребуется ответить всего на пару вопросов от наших специалистов и в ближайшее время система обессоливания воды будет у Вас. Узнать цену на установки обессоливания воды и сроки поставки можно обратившись к нашим специалистам.

Мы работаем по всей РФ, доставляем и монтируем станции обессоливания воды, а также осуществляем шеф-монтаж в любой точке страны (Москва, Санкт-Петербург, Сочи, Омск, Владивосток, Челябинск, Смоленск, Новороссийск, Ростов-на-Дону, Казань и т.д.).

Посмотреть наши контакты и оставить заявку Вы можете здесь.

Способы обессоливания воды для безопасного употребления

В настоящее время существуют многие способы и системы водоочистки и водоподготовки. Но при этом использовать тот или иной способ можно только в том случае, когда будет проведен лабораторный анализ воды и определены ее качества. Одним из эффективных методов водоочистки являются способы обессоливания воды и опреснения. Данные способы позволяют получать качественную питьевую воду из соленой морской воды, очищая ее от соли. При этом происходит значительное уменьшение находящейся в растворенном виде в воде соли, что делает воду полностью пригодной для употребления, и при этом она в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к качеству питьевой воды. Как свидетельствуют последние данные, полученные от специалистов, в последнее время получили распространение пять способов обессоливания – ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, вымораживание и дистилляция. Вода после обратного осмоса становится гораздо чище, из нее удаляются вредные вещества и микроорганизмы.

В принципиальном отношении обессоливание воды можно осуществить способом удаления из нее избыточных солей или способом сепарации. В случае применения сепарации агрегатное состояние воды меняется на парообразное или твердое (она превращается в лед).

Способ дистилляции основывается на изменении агрегатного состояния жидкостей. Продуктивность установок, осуществляющих дистилляцию, в большинстве случаев зависит от максимальной температуры, до которой следует нагреть воду или другую жидкость, которую требуется обессолить или опреснить, а также от степени рекуперации. По степени рекуперации, а также по способам использования тепловой энергии, которые используют различные способы обессоливания воды, дистилляционные установки делятся на несколько типов – одноступенчатые, многоступенчатые и паро-компрессорные.

Схема любой дистилляционной установки, выполняющей опреснение и обессоливание воды, довольно проста, и состоит из двух теплообменников – испарителя и конденсатора, которые обслуживаются арматурой и трубопроводами. В свои очередь подобные установки обессоливания делятся на два типа – с постоянным давлением (в которых жидкость может кипеть) и расширительные (в которых жидкость не кипит).

Применение для обессоливания воды многокорпусных испарителей является очень эффективным методом. Они также различаются по типу теплообменной аппаратуры, которая в них установлена. Современные установки для опреснения и обессоливания в большинстве случаев оборудуются тонкопленочными аппаратами, которые расположены горизонтально или вертикально. Это дает возможность в значительной степени увеличить их производительность, а также намного уменьшить расход энергии при выполнении процесса дистилляции.

Способ паро-компрессорной дистилляции отличается от метода прямого выпаривания тем, что при его выполнении происходит сжатие полученного водяного пара с помощью специального компрессора, который намного увеличивает давление пара и его температуру таким образом, чтобы пар был на несколько градусов горячее воды, которую требуется обессолить. При этом происходит конденсирование пара и превращение его в обычную дистиллированную воду, а избыточное тепло применяют для обессоливания новой порции воды.

Способы обессоливания воды также предусматривают ее вымораживание, при котором происходит разделение исходной воды на две фазы. Данный способ основывается на том, соленая вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная, следовательно, вначале происходит образование кристаллов пресного льда, который плавает в рассоле. Для получения пресной воды их отделяют от рассола, моют, а затем расплавляют. Обессоливание с применением такого метода можно выполнять с использованием искусственного и природного холода.

В том случае, если требуется осуществить обессоливание воды, которая содержит небольшое количество соли, наиболее эффективным будет применение современных мембранных способов – ионного обмена, электродиализа или обратного осмоса. Примечательно, что установки для обессоливания воды, которые работают по принципу обратного осмоса воды, не требуют установки дополнительного оборудования для обработки исходной воды.

Что из себя представляет обессоливание воды и какие существуют методы

Фильтры H-катионирования, OH-анионирования

Фильтры смешанного действия

Для начала разделим два понятия: «опреснение воды» и «обессоливание воды», которые часто путают.
Под опреснением воды обычно понимается процесс снижения содержания солей в воде (общего солесодержания) до норм, указанных СанПиН 2.1.4.1074-01, т.е. до 1000 мг/л.
Обессоливание воды – это процесс снижения общего содержания солей до значений, рекомендованных для дистиллированной воды (ГОСТ 6709-96) и ниже, т.е. до 5 мг/л и ниже. И если опреснение используется для получения воды питьевого качества из морской или солоноватой вод, то обессоливание применяется для получения чистой и ультрачистой воды для фармацевтики, медицины, микроэлектроники, теплоэнергетической, химической и других отраслей промышленности.
Существующие методы опреснения и обессоливания воды подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды.
К первой группе относят: дистилляцию, нагрев воды до критического состояния (до 350 о С), замораживание, газогидратный метод, а ко второй группе – ионный обмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрацию), электродеионизацию.
Выбор метода обессоливания, прежде всего, обусловлен качеством исходной воды, требованиями к качеству обработанной воды, производительностью установки и технико-экономическими соображениями ( см. диаграмму ).
Как видно из диаграммы стоимость обессоливания воды ионным обменом сильно возрастает с увеличением общего солесодержания. При этом степень обессоливания воды уменьшается. Потому обессоливание воды методом ионного обмена целесообразно проводить для вод, имеющих исходную степень минерализации 800 – 1000 мг/л. При более высокой минерализации более выгодными экономически становятся методы дистилляции и обратного осмоса. Надо отметить, что указанное выше заявление априорно. При выборе метода обессоливания необходимо рассматривать все аспекты и экономические, и экологические, и технические.

Термические методы обессоливания воды

Старейшими методами получения обессоленной воды (дистиллята) являются термические методы – 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.

Обессоливание воды ионным обменом

Наиболее часто обессоливание воды производят ионным обменом. До некоторых пор ионным обмен считался наиболее отработанным и надежным методом обессоливания воды.
Частичное обессоливание воды происходит при ее умягчении методами Н-Na-катионирования, Н-катионирования с голодной регенерацией, Н-катионирования на слабокислотном катионите. В этих процессах происходит извлечение солей жесткости и частичная их замена на катион водорода, который разрушает бикарбонат-ионы с последующим удалением образовавшегося газа из воды. Степень обессоливания соответствует количеству удаленного СаСО₃.
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 степени 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 (процесс ОН-анионирования).
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. н. 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 (они, как правило, имеют некоторое различие по плотности). Разделение может производиться гидродинамическим методом или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ым 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, когда регенерация проводится редко, либо иониты применяют для получения сверхчистой воды с сопротивлением, близким к 18 МОм/см, в энергетике и микроэлектронике – там, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.
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, применяемых для регенерации ионитов, в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в соотношении 1,1:1 – 2, 0:1 к исходному количеству солей. Следует учитывать, что эти соли находятся в небольшом объеме регенератов, соответственно, в высокой концентрации. Прямой сброс таких отходов запрещен, т.к. регенераты, как правило, имеют значение рН отличное от нормативов, что требует дополнительных затрат на их нейтрализацию. Чаще всего используется метод разбавления регенератов другими стоками с низком солесодержанием и значением рН близким к нейтральному. Кроме того, очень часто при проектировании канализационных сетей, отводящих стоки от установок ионного обмена, забывают о промывных водах, которые, как правило, трудно направить в голову технологического процесса для последующей обработки.

Обратный осмос и нанофильтрация

Извлечение растворенных веществ из воды может производиться мембранными методами. При этом степень обессоливания воды определяется селективностью мембран. Обычно при обессоливании воды рассматривают два метода мембранного разделения: нанофильтрация и гиперфильтрацию (обратный осмос).
При нанофильтрации достигается частичное обессоливание воды (более точно умягчение воды), т.е. почти полное удаление солей жесткости (солей кальция и магния) совместно с двухзарядными анионами и частично – однозарядными катионами натрия и калия и анионами хлора.
Более полное обессоливание обеспечивает высоконапорный и низконапорный обратный осмос (гиперфильтрация). В этом случае эффективность обессоливания обеспечивается по всем компонентам (катионам и анионам). Подробное описание обратноосмотического метода обессоливания воды можно посмотреть на следующей странице нашего сайта, также в статье (“Обратный осмос. Теория и практика применения”), посвященной этому методу.
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%.
В обратном осмосе производительность мембранных элементов, расход энергии и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты незначительно зависят от солесодержания. При обратном осмосе количество солей в стоках близко к их количеству в питающей обратноосмотическую установку воде. Сброс воды после установок обратного осмоса (концентрат) имеет солесодержание в 2,5 – 4,0 раза большее, чем исходная вода, как правило, 1 – 2 г/л. Состав концентрата в стехиометрическом соотношении аналогичен составу исходной воды. Это дает возможность проводить сброс сточных вод (концентрата) без дополнительной очистки.
Однако при эксплуатации установок обратного осмоса дополнительным источником загрязнений в сбросах являются составы для химической промывки мембран обратного осмоса. Правда, суммарное количество невелико по сравнению с теми количествами, которые используются для регенерации ионообменных смол.

Сравнительная характеристика перечисленных выше методов обессоливания воды (преимущества и недостатки каждого из них) приведены в следующей таблице («Сравнительная характеристика методов обессоливания (деминерализации) воды»).
Таким образом, в настоящий момент наилучшие экономические, экологические и технологические показатели будет иметь комбинированные схемы водоподготовки, когда первая стадия обессоливания воды осуществляется обратным осмосом, а более глубокая доочистка воды – ионным обменом или электродеионизацией (в случае использования на первой стадии двухступенчатого обратного осмоса). Такая схема позволяет сократить по сравнению с «чистым» ионным обменом расход реагентов и объем сброса в канализацию вредных веществ (примерно в 10 – 15 раз) при достижении высокого качества очистки воды. Именно такой вариант наиболее часто используют при проектировании и строительстве новых и реконструкции старых технологических схем производства ультрачистой (деионизованной) воды для энергетики, электроники и медицины в России и за рубежом.

Опреснение морской воды: технологии современного мира

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Почему назрела необходимость в опреснении морской воды
• Какие существуют способы опреснения морской воды
• Как опреснить морскую воду в домашних условиях
• Какие проблемы присущи процессу опреснения морской воды

Очищение и опреснение морской воды – это промышленный процесс, в результате которого из неё удаляются соли и получается продукт, пригодный для использования в быту и употребления. Наша статья расскажет о методах и технологиях опреснения морской воды.

Насколько актуально опреснение морской воды

Земная поверхность на 60 % состоит из территорий, где источников пресной воды или нет совсем, или есть, но очень небольшое количество. Поскольку во многих засушливых областях мало пресноводных водоемов, возникают проблемы с поливом почвы. Их можно было бы решить благодаря возможности использовать для этих целей опресненную морскую воду. На Земле присутствуют значительные запасы такой воды, но из-за высокого содержания солей ее невозможно применять в хозяйственных целях.

Чтобы выращивать сельскохозяйственные культуры, необходимо поливать их водой с очень низким содержанием солей. Если растения получат с влагой более 0,25 % солей, они просто не будут расти. Также на них отрицательно скажется присутствие в воде щелочей. Многие государства, в том числе и Россия, ищут пути опреснения соленых водных источников, что помогло бы справиться с проблемами засухи в областях, расположенных недалеко от моря.

В странах с хорошо развитой промышленностью все острее ощущается нехватка пресных водных запасов. В частности, это касается США и Японии, где требуемые для промышленности, сельского хозяйства и бытовых нужд объемы воды давно превысили имеющиеся.

Количество пресной воды не соответствует потребностям и в развитых странах с низким уровнем осадков, таких как Израиль и Кувейт.

Первое место в мире по наземным пресноводным ресурсам занимает Россия. Достаточно одного только Байкала, чтобы удовлетворить сегодняшнюю потребность российского населения и промышленности в пресной воде. Это озеро настолько глубокое, что если направить в его котловину потоки всех рек земного шара, то заполняться она будет почти 300 дней.

Однако большая часть водных ресурсов России сосредоточена в практически не заселенных и не освоенных районах Сибири, Севера и Дальнего Востока. На высокоразвитые центральные и южные регионы с высоким уровнем промышленности, сельского хозяйства и плотности населения приходится только 20 % пресноводных запасов.

Определенные страны Средней Азии (Туркмения, Казахстан), а также Кавказ, Донбасс и юго-восточная часть РФ обладают огромными минерально-сырьевыми ресурсами, а пресноводных источников не имеют.

Рекомендуемые статьи по данной теме:

В России есть большое количество подземных источников, уровень минерализации которых составляет от 1 до 35г/л. Они не могут применяться для нужд населения, так как содержат большое количество солей, но после опреснения их вполне можно будет использовать.

В процессе опреснения морской воды важным параметром является её соленость, под которой понимается масса сухих солей в граммах на 1 кг вещества. Количество солей в единице объема жидкости может существенно колебаться в зависимости от моря. Например, Черное, Каспийское и Азовское моря характеризуются как слабосоленые. Средний показатель солености Мирового океана составляет 35г/кг.

Кроме поваренной соли (NaCl), морская вода содержит и ряд других химических элементов, в основном в виде ионов, которые можно получать из нее в промышленных масштабах: K+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Br-, F-, H3BO3. Всего в морских недрах обнаружено около 50 химических элементов в разной концентрации, среди которых литий (Li), рубидий (Rb), фосфор (P), йод (J), железо (Fe), цинк (Zn) и молибден (Mo).

Способы опреснения морской воды

Морские водные запасы содержат в своем составе более 50 химических элементов. Концентрация каждого из них крайне мала, но их общая масса определяет соленость жидкости. Для пищи может быть пригодна только вода, в которой содержится не более 0,001г/мл солей. Для того чтобы достичь подобной концентрации, применяются различные технологии опреснения морской воды. Специалисты пытаются разработать такие системы опреснения, которые бы потребляли мало энергии, но при этом максимально очищали воду для использования населением.

Сегодня применяются следующие методы опреснения морской воды: дистилляция, обратный осмос, ионизация и электродиализ.

• Обычная, или многостадийная дистилляция – наиболее популярный способ, в основе которого лежит использование свойства воды закипать и образовывать пар при высоких температурах. Более половины пресных водных ресурсов получают именно путём дистилляционного опреснения морской воды.
• Мембранная дистилляция – метод, при котором производится нагрев воды с одной стороны мембраны, которая пропускает только пар и образует из него пресную воду.
• Метод обратного осмоса – довольно дешевая технология: один вложенный доллар позволяет получить 16 тонн пресной воды.
  Технология обратного осмоса для опреснения морской воды заключается в том, что вода под давлением проходит через мельчайшие фильтры, в результате чего содержание солей становится очень низким. Степень очищения и производительность мембраны зависят от таких факторов как количество соли в исходном сырье, солевой состав, температура и давление.
• Электродиализ – метод, при котором водный поток пропускают через камеру с электродами, в результате чего катионы и анионы распределяются на соответствующих электродах. Плюсом подобного способа опреснения морской воды является использование химически и термически стойких мембран, что дает возможность осуществлять очистку при высокой температуре.
• Газогидратный метод основывается на способности углеродных газов при определенном давлении и температуре создавать с участием воды соединения клатратного типа. Соленую воду замораживают, затем обрабатывают газом, вследствие чего формируются кристаллы. Эти кристаллы отделяют от рассола, промывают, плавят и в итоге получают чистую пресную воду.

В южных регионах активно используют солнечные опреснители, в которых происходит нагрев и испарение морской воды. Существует и противоположный способ, при котором солёную воду замораживают, а затем отделяют от нее пресную, поскольку она замерзает быстрее.

По какому принципу работают установки для опреснения морской воды

Опреснитель морской воды – устройство, которое может удалить из воды соли, растворенные в ней. После процедуры очистки получают воду, которую можно использовать не только для хозяйственных нужд, но и для питья. Конструкцию аппарата отличает удобство и практичность в эксплуатации.

Однако опреснённая вода не является вместе с этим чистой, ведь в ней сохраняются и другие компоненты, от плотности которых и зависит область ее применения. Так, на морских судах требуются разные виды водных запасов:

• питьевая, которая используется только для готовки и питья;
• вода для личной гигиены и мытья палубы;
• вода для парогенераторов, или питательная;
• техническая вода, которая применяется в качестве охлаждающей жидкости для двигателей;
• дистиллированная вода.

Для получения всех этих видов используют разные судовые опреснители.

Среди технологий опреснения выделяют следующие:

1. Дистилляционная, при которой опреснитель нагревает и испаряет морскую воду. Полученный пар «ловится» и доводится до необходимой температуры.
2. Фильтрационная, при которой устройство работает по принципу обратного осмоса. Соленая вода очищается без перехода из одного состояния в другое. Работа такого аппарата основывается на доведении концентрации растворенных примесей до оптимальной. Очень высокое давление позволяет «выдавить» лишние частицы солей.

В израильском городе Хадере находится самый большой на планете опреснитель. Этот агрегат по размеру соизмерим с целым заводом. Каждый год он опресняет около тридцати трех миллиардов галлонов морской воды. Работает опреснитель по принципу обратного осмоса, вследствие чего средиземноморские воды не подвергаются тепловой обработке.

Установка полностью герметична, в ней создается эффект парника, при этом не допускается утечка испарений наружу. В итоге чистый водный остаток сохраняется в большем объеме. В конце откручивается пробка, и очищенная жидкость сливается в какую-либо емкость.

Подобные аппараты применяются в морском флоте. Они используют тепло жидкости, которая служит для охлаждения главных и вспомогательных дизелей. Очищенная вода, подогретая до 60 °С, на входе поступает через трубы батареи нагрева. При выходе температура жидкости снижается примерно до 10 °С.

Вакуумный опреснитель вырабатывает в час порядка 800 литров дистиллированной воды. Он может удовлетворить всю потребность в пресном водном запасе без излишних трат на топливную энергию, а полная автоматизация позволяет сэкономить на сервисном обслуживании. Поскольку температура испарений довольно низкая, водоопреснитель может работать от шести до двенадцати месяцев, не требуя очистки.

Известно, что население Израиля страдает от серьезной нехватки питьевых запасов. Работа описанного выше аппарата позволяет покрыть почти две трети потребности в воде целой страны.

Сегодня для опреснения морской воды используется самое разное оборудование, в том числе уникальные опреснители, работающие на солнечной энергии. В них заливается вода, которая под воздействием солнечного тепла превращается в пар, конденсируется на стенках корпуса и затем оседает в нижней части прибора.

Какие технологии используются в промышленном опреснении морской воды

На сегодняшний день в промышленности широко применяются два метода опреснения: мембранный (механический) и термальный (дистилляционный). В первом случае используется технология обратного осмоса. Морская вода пропускается через полунепроницаемые мембраны под давлением, существенно превышающим разницу давления пресной и морской воды (для последней это 25-50 атм.).

Микроскопические поры фильтров свободно пропускают только небольшие водные молекулы, задерживая более крупные ионы соли и других примесей. Материалом для таких мембран служит полиамид или ацетат целлюлозы, выпускают их в виде полых волокон или рулонов.

Метод глубокого обратноосмического опреснения воды обладает рядом плюсов по сравнению с другими способами. Во-первых, аппараты просты и компактны, а во-вторых, не требуют больших затрат энергии. К тому же, управление системой обратного осмоса происходит в полуавтоматическом и автоматическом режиме.

Но все же данный способ имеет и свои минусы. Качество очистки здесь зависит от того, насколько эффективной была предварительная обработка. Помимо этого, полученная питьевая вода всё равно содержит достаточно большое количество соли (500 мг/м3 общей концентрации солей). Также этот способ требует повышенных эксплуатационных расходов, поскольку необходима регулярная закупка сопутствующих химикатов и смена мембранных фильтров.

Wonthaggi Desalination Plant – самый большой в мире завод по опреснению воды с помощью мембранных фильтров, расположенный в Мельбурне. Он способен перерабатывать в день 440 тысяч кубометров воды. В израильском городе Ашкелоне располагается завод, где воду очищают от солей методом обратного осмоса. Он обрабатывает в день 330 тысяч кубометров воды.

Суть термального способа (дистилляции) в том, что на станции опреснения морской воды жидкость кипятят, а полученный в итоге пар аккумулируют и конденсируют. Так образуется дистиллят – пресная вода. Выпаривать воду можно и не доводя до кипения. В этом случае её нагревают при более высоком давлении, чем в камере испарения. Для образования пара используют теплоту самой воды. При этом она охлаждается до температуры насыщения оставшегося рассола. Минусы этого способа – затратность, высокая энергоемкость, наличие внешнего источника пара. Однако именно он дает самый большой объем пресной воды за единицу времени. К примеру, завод Shoaiba 3 (Саудовская Аравия) производит дистилляционным методом до 880 тысяч кубометров пресной воды в день.

Эти два метода можно сравнить по нескольким ключевым параметрам:

Как опресняют морскую воду?

Опреснение морской воды — отличный способ пополнить запасы пресной, особенно в засушливых, пустынных районах, где нет водоносных горизонтов.

Процесс подразумевает существенное уменьшение солей в составе: если соленость морской воды может составлять 35г/литр (среднее значение для мирового океана), то для питьевой эта величина не должна превышать 1 грамм на литр.

Методы опреснения морской воды

Ключевые технологии подразделяются на две основные группы. Первая — та, что не подразумевает изменения агрегатного состояния вода (она остается жидкостью на всех этапах обработки). Вторая предполагает переход жидкости в твердую или газообразную форму на определенном этапе.

Химический способ

В воду вводят реагенты, которые связывают ионы солей и способствуют их выпадению в осадок. В качестве реагентов используются соли серебра и бария, причем их нужно до 5% от общего количества опресняемой воды. Реакция проходит с выделением ядовитых веществ, поэтому этот метод практически не используется.

Электродиализ

В ванну с рассолом устанавливают 2 электрода в виде электрохимических активных диафрагм (с пластмассовым или резиновым корпусом и наполнителем из смол), после чего пропускают постоянный ток.

Проходит химическая реакция с выделением в атмосферу хлора и кислорода. Вода скапливается в промежуточных камерах и отводится, а соляной раствор остается в емкости.

Такой метод еще называют ионообменное опреснение: он применяется там, где соленость морской воды изначально невысока. Также он часто используется для мобильных установок на рыболовецких судах, траулерах.

Ультрафильтрация (обратный осмос)

В этом случае солевой раствор подают под давлением через мембрану, которая проницаема для воды, но непроницаема для соли. Такие мембраны создают из ацетилцеллюлозного волокна и пропитывают перхлоратом магния, что позволяет увеличить водопроницаемость.

Поскольку давление значительное, до 150 кгс/см2, мембраны дополняются пористыми бронзовыми плитами. Управление процессом возможно в автоматическом и полуавтоматическом режиме, при этом главное здесь — контроль стабильного давления подачи воды. Выход пресной воды из соленой — до 70%.

Вымораживание

В природных условиях лед, покрывающий океаны и моря, — пресный. Искусственно проводят медленное замораживание. что позволяет получать лед с игольчатой кристаллической структурой. Рассол при этом оседает и не попадает в толщу льда.

Полученный лед растаивают, что позволяет получить воду с соленостью не выше 500-1000 мг/л. Для замораживания используют кристаллизаторы (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку), где обеспечивается контакт воды с газообразным или жидким хладагентом.

Термическое опреснение (дистилляция)

Такой метод часто используют на морских судах для получения пресной воды из забортной соленой. В этом случае морскую воду нагревают до кипения, а выходящий пар конденсируют. Так собирается дистиллят, представляющий собой пресную воду.

Дистилляционные установки включают в себя испарители, нагревательные элементы, конденсаторы и сборники дистиллята. Сам процесс испарения может быть, как одно-, так и многоступенчатым.

При этом из первичного пара получается до 90% пресной воды за одну ступень. В установках с многоступенчатым опреснением, когда не вскипевшая вода перетекает из одной камеры в другую, и так до 50-60 раз, выход воды увеличивается в 15-20 раз. Однако такие системы гораздо сложнее в работе из-за существенной концентрации солевого раствора на последних этапах и порчи оборудования из-за отложения солей на трубопроводах.

Технологии, активно используемые в странах-лидерах по опреснению

Лидером в этой отрасли считается Израиль, где расположены крупнейшие заводы по опреснению, обеспечивающие более 15% потребности в питьевой воде, и более 50% — в технической. Один из самых крупных местных заводов производит забор воды из Средиземного моря и фильтрует ее посредством специальных мембран. Дальше осуществляется перегонка, после чего чистая вода поступает в хранилища, а соляной раствор сбрасывается в море.

А французские заводы используют несколько другие способы опреснения воды: большинство установок работают на принципе обратного осмоса. Популярной в промышленных масштабах стоит назвать и технологию выпаривания.