СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/42 B01J49/00 

Изобретение относится к обессоливанию природных и сточных вод ионитами и может быть использовано в теплоэнергетике, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен способ обессоливания воды, предусматривающий последовательное фильтрование ее через водород-катионит и анионит. Солесодержание обессоленной воды по способу составляет 20 мг/л. Регенерацию катионита осуществляют по двухстадийной схеме смесью углеаммонийной соли и аммиака, а затем раствором азотной кислоты. Отработанный раствор углеаммонийной соли упаривают, отделяют осадок, а летучие компоненты, образующиеся при упаривании поглощают водой и используют для приготовления новых порций регенерационного раствора катионита. Маточный раствор, представляющий собой концентрат соды с примесями гидрокарбоната натрия и ионов аммония применяют для регенерации анионита. Отработанный регенерационный раствор азотной кислоты, содержащий ее избыток, нитрат аммония, магния и кальция, нейтрализуют и используют для получения азотных удобрений. При обессоливании воды по способу суммарный объем отработанных регенерационных растворов катионита и анионита подлежащих переработке (величина в значительной степени определяющая энергоемкость технологии обессоливания воды) составляет около 10 м³ на 1 м³ ионита.

Недостатками способа являются достаточно высокое солесодержание обессоленной воды и значительные энергозатраты при утилизации отработанных регенерационных растворов ионитов.

Цель изобретения повышение степени обессоливания воды за счет снижения содержания ионов Mg²⁺, Na⁺, Cl^-, уменьшение энергоемкости и упрощение процесса.

Цель достигается тем, что исходную воду NH₄ ⁺- катионируют и HCO₃ ^-- анионируют, после анионирования воды ее подвергают деаэрации при нагревании с поглощением летучих компонентов водой, регенерацию катионита осуществляют последовательно концентратом солей и отработанным регенерационным раствором анионита, содержащим углеаммонийные соли и аммонийные соли сильных кислот; концентрат солей получают концентрированием жидкой фазы после термообработки смеси отработанных регенерационных растворов катионита, полученной при его регенерации указанными реагентами, причем отработанный при регенерации катионита концентрат солей предварительно обрабатывают щелочным реагентом, в качестве которого применяют гидроксиды щелочных металлов, регенерацию анионита осуществляют раствором углеаммонийных солей, полученным поглощением летучих компонентов водой со стадий переработки смеси отработанных регенерационных растворов катионита и деаэрации воды.

Введение щелочного реагента (гидроксида щелочного металла) в отработанный при регенерации катионита концентрат солей изменяет состав смеси отработанных регенерационных растворов катионита таким образом, что увеличивается глубина умягчения смеси за счет удаления ионов магния в виде гидроксида магния и ионов кальция в виде малорастворимой соли сульфата кальция, и изменяется соотношение ионов щелочных металлов и анионов сильных кислот так, что все анионы сильных кислот связаны ионами щелочных металлов и нет условий для образования аммонийных солей сильных кислот в растворе подвергаемом термообработке. Последнее обеспечивает повышение степени рекуперации аммиака при переработке отработанных регенерационных растворов, а следовательно, и повышение концентрации регенерационного раствора углеаммонийной соли без дополнительного расхода аммиака, что увеличивает глубину регенерации ионитов и приводит к снижению содержания солей в обессоливаемой воде.

Увеличение глубины умягчения отработанных регенерационных растворов катионита, а следовательно, и получающегося при их переработке концентрата солей, с одной стороны, и проведение последовательной регенерации катионита глубоко умягченным концентратом солей и отработанным регенерационным раствором анионита, с другой, повышают степень регенерации катионита и обеспечивают увеличение степени обессоливания воды за счет снижения содержания катионов Mg²⁺, Na⁺.

Применение отработанного регенерационного раствора анионита непосредственно для регенерации катионита, совмещение процессов глубокого умягчения отработанных регенерационных растворов катионита и удаление летучих компонентов существенно упрощает технологический процесс обессоливания воды.

Кроме того, исключение стадии переработки отработанного регенерационного раствора анионита, использование воды отмывки анионита для отмывки катионита от регенерирующего агента приводит к уменьшению энергозатрат.

Схема обессоливания воды по предлагаемому способу представлена на чертеже, где 1 катионитовый и 2 анионитовый фильтры; 3 деаэратор; 4 - абсорбционная колонна; 5 и 6 емкости; 7 и 8 аппараты, соответственно для термообработки (7) и концентрирования (8).

Способ осуществляют следующим образом.

Исходную воду последовательно фильтруют через катионитовый 1 и анионитовый (2) фильтры. Ионированная вода поступает в деаэратор 3. Летучие продукты из деаэратора поглощаются водой в абсорбционной колонне 4, а обессоленная вода направляется потребителю.

На стадии NH₄-катионирования воды (1) происходит обмен катионов металлов, содержащихся в ней на NH₄ ⁺ ион. Катионитовый фильтр отключают и выводят на регенерацию при проскоке ионов натрия (1 мг-экв/л).

Анионы сильных кислот извлекают из воды в процессе ее фильтрования через анионит (2) в гидрокарбонатной форме. При проскоке в фильтрат Cl-ионов (0,5 мг-экв/л) анионит выводят на регенерацию.

Проведение завершающей технологической операции деаэрации NH₄ - HCO₃-ионированной воды путем нагревания в деаэраторе (3) позволяет получить обессоленную воду и реагент для регенерации анионита углеаммонийную соль. Обессоленная вода со средним содержанием ионов, мг-экв/л: Na⁺ - 0,08 0,10; жесткости 0,04 0,06, в т. ч. Mg²⁺ 0,02 0,03; Cl^- 0,12 0,16 и солесодержанием 6,7 8,9 мгл после деаэратора (3) направляется потребителю. Неустойчивая углеаммонийная соль при нагревании разлагается с образованием NH₃ и CO₂. Газообразные летучие продукты поглощают водой в адсорбционной колонне 4. В систему вводится дополнительное количество углекислоты для получения углеаммонийной соли в виде бикарбоната аммония. Полученный раствор направляют в емкость 5 и далее используют для регенерации анионита.

Регенерацию катионита осуществляют последовательно концентратом солей, полученным при переработке отработанных регенерационных растворов катионита предыдущего цикла обессоливания воды, и отработанным регенерационным раствором анионита, содержащим углеаммонийные соли и аммонийные соли сильных кислот.

Отработанный в результате регенерации катионита раствор концентрата солей обрабатывают щелочным реагентом (гидроксидом щелочного металла) до рН 10,5 12,0 в емкости 6. При этом происходит умягчение раствора за счет удаления ионов магния в виде малорастворимого гидроксида магния и в зависимости от состава исходной воды (содержания кальция) частичного удаления ионов кальция в виде сульфата кальция. После отделения осадка отработанный раствор концентрата солей смешивают с отработанным регенерационным раствором анионита, пропущенным через катионит при его регенерации, присоединяют воду отмывки и смесь перерабатывают путем термообработки 7 с поглощением летучих компонентов (СО₂, NH₃) водой и концентрированием жидкой фазы после удаления NH₃ и CO₂ одним из известных методов (упариванием, электродиализом) [8] с получением концентрата солей, используемого для регенерации катионита в следующем цикле обессоливания воды.

При смешении отработанных регенерационных растворов катионита и последующей термообработки смеси происходит ее дальнейшее умягчение за счет образования малорастворимого осадка карбоната кальция. После отделения осадка перед концентрированием жидкой фазы избыточную щелочность удаляют нейтрализацией раствора кислотой до рН 5. Нейтрализация раствора может осуществляться и после стадии концентрирования.

Регенерацию анионита осуществляют раствором углеаммонийной соли, полученным поглощением летучих компонентов (NH₃, CO₂) водой со стадий переработки отработанных регенерационных растворов катионита и стадии деаэрации воды. Применение всего количества углеаммонийной соли, образующейся при NH₄ ⁺ HCO₃ ^--ионировании воды и переработке отработанных регенерационных растворов катионита для восстановления емкости анионита позволяет без дополнительных затрат реагентов увеличить глубину регенерации анионита, что, в свою очередь, приводит к повышению степени обессоливания воды за счет снижения средней концентрации хлорид-ионов в обессоленной воде.

Характеристика материалов и реагентов, используемых при обессоливании воды: гидроксид натрия ГОСТ 11078 78; гидроксид калия ГОСТ 9285 78; углекислота ГОСТ 8050 76; анионит АВ 17 8 ГОСТ 20301 74; катионит КУ 2 8 ГОСТ 20298 74.

Пример конкретного выполнения. Обессоливанию подвергали воду, содержащую ионы, мг-экв/л: Ca²⁺ 6,4; Mg²⁺ 1,6; Na⁺ 4,0; HCO₃ ^- 6,0; Cl^- 3,0; SO₄ ² 3,0 и свободную углекислоту 1,20 ммоль/л.

Воду указанного состава фильтровали через катионит (смола КУ 2 в NH₄ форме). При проскоке в фильтрат ионов натрия (1 мг-экв/л) фильтр отключали на регенерацию.

Анионы сильных кислот из воды удаляли фильтрованием NH₄ ^- - катионированной воды через анионит АВ 17 в HCO₃ ^- форме. Анионит отключали на регенерацию при проскоке в фильтрат 0,5 мг-экв/л хлорид-ионов.

Объем ионитов составил, см³: катионита 66; анионита 82.

В результате последовательного катионирования и анионирования было обработано 6 л воды.

Затем ее нагревали до 100^oC. После отгонки летучих компонентов (аммиак, углекислота) получали обессоленную воду, содержащую ионы, мг-экв/л: Na⁺ 0,09; Ca²⁺ 0,02; Mg²⁺ 0,03; Cl^- 0,14. Среднее солесодержание обессоленной воды 7,8 мг/л.

Летучие компоненты поглощали водой смешанной с отработанным раствором предыдущей регенерации и получали раствор объемом 100 мл следующего состава, ммоль/л: NH₃ 1080; CO₂ 1080.

Анионит регенерировали 100 мл полученного раствора летучих компонентов (углеаммонийной соли) с концентрациями, ммоль/л: NH₃ 1080; CO₂ 1080. Фильтр отмывали дистиллированной водой объемом 220 мл. Отработанный регенерационный раствор анионита и отмывают воду использовали соответственно для регенерации и отмывки катионита. Процесс осуществляли без разрыва потока между анионитовым и катионитовым фильтрами.

Катионит регенерировали последовательно раствором концентрата солей объемом 200 мл следующего состава, мг-экв/л: Na⁺ 957; Ca²⁺ 1,0; Mg²⁺ 2,0; Cl^- 84,6; SO₄ ² 114 и отработанным регенерационным раствором анионита объемом 100 мл. Затем катионит отмывали 220 мл отмывочной воды анионита. Отработанный концентрат солей объемом 220 см³ и смесь отработанного раствора анионита, пропущенного через катионит и отмывочной воды собирали раздельно. Отработанный при регенерации катионита концентрат солей обрабатывали 3,1 мл раствора гидроксида натрия концентрацией 3000 ммоль/л до рН раствора 12,0 и после отделения осадка смешивали с пропущенным через катионит при его регенерации отработанным регенерационным раствором анионита и водой отмывки. Смесь перерабатывали путем термообработки, нагревая до 100^oC. Летучие компоненты (аммиак, углекислота) улавливали водой и раствор собирали в емкость содержащую раствор углеаммонийной соли со стадии деаэрации воды. После проведения повторного цикла обессоливания 6 л воды, ее деаэрации и поглощения летучих компонентов было получено 100 мл раствора углеаммонийной соли содержащего ммоль/л: NH₃ 1080; CO₂ 1080, который использовали для регенерации анионита в следующем цикле обессоливания воды.

После отгонки летучих компонентов (CO₂, NH₃) маточный раствор отстаивают, отделяют осадок, концентрируют жидкую фазу упариванием и нейтрализуют соляной кислотой до рН 5. Затраты соляной кислоты составляют 11,8 мг-экв/л. Получают 234 мл концентрата солей следующего состава, мг-экв/л: Na⁺ 957; Ca²⁺ 1,0; Mg²⁺ 2,0; Cl^- 846; SO₄ ^2- 114. 200 мл концентрата использовали для регенерации катионита в следующем цикле обессоливания воды, а остаток сбрасывают.

Показатели качества воды и удельные объемы подлежащие переработке отработанных при регенерации ионитов растворов при обессоливании воды по предлагаемому способу в зависимости от качества исходной воды представлены в таблице.

Из данных таблицы следует, что независимо от содержания в исходной воде солей, связанной и свободной углекислоты, соотношений катионов (ионов натрия и ионов жесткости) и анионов (анионов сильных кислот и анионов угольной кислоты) степень обессоливания воды за счет снижения содержания ионов магния, натрия, хлорид-ионов повышена и удельные объемы отработанных регенерационных растворов, определяющие энергозатраты технологического процесса, уменьшены. Так, солесодержание обессоленной воды уменьшено в 2,0 2,3 раза, причем за счет снижения содержания катионов магния в 2,7 3,5 раз (что особенно важно при подготовке воды для котлов среднего давления в теплоэнергетике), натрия в 2,1 2,4 раз, хлорид-ионов в 2,0 2,3 раза, а объемы отработанных регенерационных растворов, и следовательно энергозатраты на их переработку сокращены в 1,1 раз.

Применение отработанного регенерационного раствора анионита для регенерации катионита исключает стадию его переработки, что снижает энергозатраты и существенно упрощает процесс обессоливания воды.

При обессоливании воды по предлагаемому способу можно уменьшить потребление реагентов (гидроксида щелочного металла) путем использования отработанных регенерационных растворов анионита II ступени в качестве щелочного реагента для случая, когда схема обессоливания согласно предлагаемому способу представляет собой схему ступени подготовки воды в общей двуступенчатой схеме получения обессоленной воды для нужд производства.

Использование: обессоливание природных и сточных вод ионитами при повышении степени обессоливания воды, уменьшении энергоемкости и упрощении процесса. Сущность изобретения: NH₄ ⁺ - HCO₃-ионирование воды, ее деаэрация с поглощением летучих компонентов водой, регенерация катионита последовательно концентратом солей и отработанным реграствором анионита, получение концентрата солей концентрированием жидкой фазы после термообработки смеси отработанных растворов катионита и предварительной обработки ее щелочным реагентом, регенерация анионита раствором, полученным при поглощении летучих компонентов водой со стадий деаэрации воды и термообработки смеси отработанных реграстворов катионита. Положительный эффект: уменьшение общего солесодержания воды в 2,0 - 2,3 раза за счет снижения содержания ионов Mg²⁺ в 2,7 - 3,5 раза; Na⁺ - в 2,1 - 2,4 раза; Cl^- - 2,0 - 2,3; уменьшение объемов реграстворов подлежащих переработке в 1,1 раз. 1 з. п. ф-лы. 1 ил. 1 табл.

1. Способ обессоливания воды, включающий NH₄ катионирование и HCO₃ анионирование, деаэрацию воды после ионирования при нагревании с поглощением летучих компонентов водой, регенерацию катионита, переработку отработанного регенерационного раствора катионита термообработкой с поглощением летучих компонентов водой и концентрированием жидкой фазы с получением концентрата солей, регенерацию анионита раствором, полученным поглощением летучих компонентов водой со стадий деаэрации воды и термообработки отработанного регенерационного раствора катионита, отличающийся тем, что, с целью повышения степени обессоливания за счет снижения содержания ионов Na⁺, Mg^2 +, Cl⁺, уменьшения энергоемкости и упрощения процесса, регенерацию катионита осуществляют последовательно концентратом солей и отработанным регенерационным раствором анионита, содержащим углеаммонийные соли и аммонийные соли сильных кислот, концентрат солей получают концентрированием жидкой фазы после термообработки смеси отработанных регенерационных растворов катионита, полученной при его регенерации указанными реагентами, причем отработанный при регенерации катионита концентрат солей предварительно отрабатывают щелочным реагентом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочного реагента применяют гидроксиды щелочного металла.