СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК C02F1/469 

Изобретение относится к обработке воды в системах водо- и теплоснабжения и может быть использовано в тех областях техники, где требуется снизить общее солесодержание используемых вод.

Известен способ ионообменного опреснения, заключающийся в последовательном пропускании исходной воды через зернистые H-катионитовые и OH-анионитовые фильтры. Первые представляют из себя полимерные нерастворимые в воде органические кислоты, вторые - полимерные нерастворимые в воде основания. При контакте воды с H-катионитом или при ее фильтровании через слой гранулированного H-катионита в результате обмена растворенных в воде солей на H-ионы, растворенные в воде соли превращаются в соответствующие кислоты. При контакте или фильтровании через гранулированный анионит (в частности, через OH-анионит) воды, прошедшей через H-катионитовый фильтр, происходит сорбция сильных кислот анионитом. Углекислота удаляется из воды предварительно (аэрированием после катионирования). Однако данный способ целесообразно использовать при солесодержании исходной воды не более 3 г/л [1].

Известен также способ [1] опреснения или обессоливания воды электроосмосом. Он основан на том, что в электрическом поле положительно заряженные катионы растворенных в воде солей движутся к погруженному в опресняемую воду катоду, а отрицательно заряженные анионы - к аноду. Таким образом, при пропускании постоянного электрического тока между анодом и катодом, погруженными в сосуд c водой, разделенный проницаемыми для катионов и анионов перегородками-диафрагмами на три части - катодную, рабочую и анодную, постепенно значительная часть катионов растворенных солей будет перенесена в катодную камеру, а эквивалентное количество анионов переместится в анодную камеру. В рабочем пространстве сосуда-электролизера вода опреснится. Данный способ целесообразно использовать при обессоливании и опреснении вод с солесодержанием более 3 г/л.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемому решению следует считать способ получения глубокообессоленной воды [2], заключающийся в том, что обессоливаемую воду в процессе обработки нагревают до температуры 40-60^oC, подвергают магнитной обработке, фильтруют через ионообменные соединения, после чего обрабатывают в электродеионизаторе.

При обработке воды по данному способу обрабатываемая вода после нагрева, магнитной обработки и фильтрации через ионообменные фильтры имеет низкое электрическое сопротивление, что ведет к увеличению энергозатрат при электродеионизации.

При нагревании обрабатываемой воды уменьшается величина произведения растворимости большинства малорастворимых соединений и увеличивается вероятность выпадения их в осадок. Магнитная обработка воды способствует формированию центров кристаллизации и увеличивает скорость образования кристаллов малорастворимых солей, которые при фильтровании выводятся из обрабатываемой воды. Общая концентрация малорастворимых солей в обрабатываемой воде понижается. При фильтровании через ионообменные фильтры общее солесодержание понижается. Однако осаждение малорастворимых солей на гранулах ионообменников снижает время эксплуатации ионообменных фильтров, через которые фильтруется вода после магнитной обработки. Практически обессоленная вода подвергается обработке в деионизаторе, при которой происходит дальнейшее снижение концентраций солей в обессоливаемой воде. Однако высокое омическое сопротивление обрабатываемой воды из-за низкой концентрации катионов и анионов ведет к неоправданному завышению удельных энергетических затрат на удаление из воды растворенных солей. Необходимы также дополнительные материальные затраты на регенерацию ионообменных фильтров.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении энергетических и материальных затрат при обессоливании обрабатываемой воды за счет использования продуктов электролиза как для регенерации ионообменных фильтров, так и нагрева обрабатываемой воды.

Для достижения этого технического результата обрабатываемую воду нагревают путем сжигания газов, затем перед фильтрованием через ионообменные фильтры подвергают обработке в диафрагменном электролизере, при этом образующиеся в результате электролиза газы направляют в камеру сгорания для нагрева воды, а образующиеся в анодной и катодной камерах электролиты направляют на регенерацию тех ионообменных фильтров, ионообменная емкость которых исчерпана.

Пример получения обессоленной воды. Например, необходимо снизить солесодержание воды хлоридного класса кальциевой группы. Обрабатываемую воду подают в нагреватель-утилизатор и нагревают за счет сжигания горючих газов. В результате нагрева воды повышается активность растворенных веществ, снижается произведение растворимости малорастворимых солей и улучшаются условия технологической обработки воды. Нагретую воду направляют для обработки в трехкамерный или многокамерный электролизер-деионизатор и подвергают деионизации под действием постоянного электрического тока. Под действием напряженности электрического поля катионы перемещаются в катодную камеру деионизатора, а аниона - в анодную камеру. В анодной камере происходит увеличение концентрации хлорид-ионов, а в рабочей камере - снижение концентраций хлорид-ионов. В катодной камере увеличивается концентрация ионов кальция, а в рабочей камере - снижение концентрации ионов кальция. В результате электродных реакций на катоде идет образование молекулярного водорода и накопление ионов гидроксила, а на аноде - образование молекулярного кислорода и ионов гидроксония, что можно упрощенно записать в следующем виде:


В воде, прошедшей обработку в электродеионизаторе, снижается концентрация растворенных солей пропорционально пропущенному через нее электричеству. В результате электролиза в приэлектродных пространствах электролизера образуются кислота и щелочь, которые направляются на регенерацию ионообменных фильтров после исчерпания ими ионообменной емкости. Образующиеся в электродных камерах горючие газы направляются в нагреватель-утилизатор для сжигания и подогрева воды.

После деионизатора частично обессоленная воды направляется для фильтрации на ионообменные катионитовый и анионитовый фильтры. При контакте воды с H-катионитом или при ее фильтровании через слой гранулированного H-катионита в результате обмена растворенных в воде солей на H-ионы растворенные в воде соли превращаются в соответствующие кислоты. При контакте или фильтровании через гранулированный анионит (в частности, через OH-анионит) воды, прошедшей через H-катионитовый фильтр, происходит сорбция сильных кислот анионитом, что приводит к снижению концентрации растворенных в воде солей. В связи с тем что обрабатываемая вода подверглась деионизации в многокамерном электролизере, время фильтрации обрабатываемой воды через ионообменные фильтры до исчерпания ими ионнообменной емкости многократно возрастает. Соответственно увеличивается межрегенерационный период работы ионообменных фильтров. После исчерпания ионообменной емкости фильтров последние регенерируются электролитами, образующимися в приэлектродных пространствах. Аналогично могут быть обработаны воды сульфатного класса.

Изобретение может быть реализовано при обработке воды на установке, структурная схема которой приведена на чертеже.

Установка состоит из котла-утилизатора тепла 1, соединенного трубопроводом с диафрагменным электролизером 2 c катионитовой 3 и анионитовой 4 мембранами, отделяющими камеру обессоливания 5 от катодной камеры 6 и анодной камеры 7. Камера обессоливания соединена трубопроводом c последовательно установленными H-катионитовым 8 и OH-анионитовым 9 ионообменными фильтрами. Катодная камера 6 соединена регенерационным трубопроводом 10 и OH-анионитовым фильтром 9 и газоотводящим трубопроводом 11 с котлом утилизатором тепла 1. Анодная камера 7 соединена регенерацонным трубопроводом с H-катионитовым фильтром 8 и газоотводящим трубопроводом с котлом-утилизатором тепла 1.

Установка работает следующим образом.

Исходная вода поступает в котел-утилизатор тепла 1, где нагревается в результате сгорания водорода и кислорода. Нагретая вода поступает в камеру обессоливания 5 электролизера 2. Под действием электрического поля катионы перемещаются в катодную камеру 6, а анионы перемещаются в анодную камеру 7. Солесодержание исходной воды снижается. Частично обработанная вода направляется на обработку в катионообменный фильтр 8, а затем в анионообменный фильтр 9, после которых обессоленная вода поступает к потребителю.

В результате протекания электродной реакции в катодной камере 6 электролизера 2 образуются OH-ионы и молекулярный водород, а в анодной камере 5 - ионы водорода и молекулярный кислород. По газоотводящим трубопроводам 11 газы отводятся в котел-утилизатор, где происходит их смешение и сжигание. Образующаяся вода смешивается с водой, поступающей на обработку, или может быть использована для других целей.

Электролиты, образующиеся в электродных камерах, направляются по регенерационным трубопроводам 10 на ионообменные фильтры 8 и 9 для их регенерации после исчерпания ими своей ионообменной емкости. После завершения процесса регенерации ионообменных фильтров контуры катодной и анодной камер заполняются исходной водой и цикл повторяется.

В зависимости от химического состава обрабатываемой воды могут быть использованы анионитовые фильтры двух видов: слабоосновные и сильноосновные. Слабоосновные аниониты способны к обмену ионов их активных групп на анионы сильных кислот только в растворах кислот. Поэтому для гарантированного удаления анионов сильных кислот при обработке вод гидрокарбонатного класса, обладающих определенной буферной емкостью, предлагается обрабатываемую воду перед фильтрованием на анионообменном фильтре, загруженном слабоосновным электролитом, подвергнуть электродиализу, и электролит из катодной камеры электролизера направлять на регенерацию анионообменного фильтра, а электролит из анодной камеры смешивать с обрабатываемой водой, подаваемой на анионообменный фильтр. В этом случае после фильтрования воды через катионообменный фильтр и электрохимической обработки в анодной камере электролизера гидрокарбонатные воды будут иметь кислую реакцию, что обеспечит эффективный ионообмен обрабатываемой воды и слабоосновного анионита.

Источники информации
1. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. -М.: Стройиздат, 1962.

2. Авт.св. СССР N 565883. Способ получения глубокообессоленной воды.

Изобретение относится к обработке воды в системах водо- и теплоснабжения. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении энергетических и материальных затрат при обессоливании обрабатываемой воды за счет использования продуктов электролиза как для регенерации ионообменных фильтров, так и нагрева обрабатываемой воды. Для достижения этого технического результата обрабатываемую воду нагревают путем сжигания газов, затем подвергают обработке в диафрагменном электролизере и фильтруют через ионообменные фильтры. Образующиеся в результате электролиза газы направляют в камеру сгорания для нагрева воды, а образующиеся в анодной и катодной камерах электролиты направляют на регенерацию тех ионообменных фильтров, ионообменная емкость которых исчерпана. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения обессоленной воды, путем ее нагрева, последовательного фильтрования воды через катионообменный и анионообменный фильтры, отличающийся тем, что обрабатываемую воду перед фильтрованием подвергают электродиализу, а продукты электролиза, накапливающиеся в приэлектродных пространствах электролизера, направляют для регенерации ионообменных фильтров и нагрева воды. 2. Способ получения обессоленной воды по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемую воду перед фильтрованием на анионообменном фильтре подвергают электродиализу, и электролит из катодной камеры электролизера направляют на регенерацию анионообменного фильтра, а электролит из анодной камеры смешивают с обрабатываемой водой, подаваемой на анионообменный фильтр.