СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/42 C02F103/02 C02F103/04 C02F103/08 

Изобретение относится к области обработки воды, в частности к технологии получения глубоко умягченной воды с низкой щелочностью реагентным умягчением и ионным обменом, и может быть использовано в теплоэнергетике для подготовки воды для питания паровых, водогрейных котлов, а также в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен способ получения воды реагентным умягчением [1. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - С.108]. Согласно способу [1] вода обрабатывается известью или известью и содой. В случае обработки известью остаточная жесткость воды на 0,4-0,8 экв/м³ больше постоянной жесткости исходной воды, а щелочность составляет 0,8-1,2 экв/м³. При обработке воды известью и содой остаточная жесткость составляет 0,5-1 экв/м³, а щелочность 0,8-1,2 экв/м³.

Недостатками способа [1] являются большая жесткость и значительная щелочность полученной воды.

Известен способ получения умягченной воды ионным обменом [2. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - С.111, 113]. Согласно способу [2] вода обрабатывается в ионообменном фильтре, загруженном слабокислотным, например, карбоксильным катионитом КБ-4, который регенерируют раствором кислоты. Остаточная жесткость обработанной воды на 0,7-1,5 экв/м³ превышает постоянную жесткость исходной воды, щелочность составляет 0,7-1,5 экв/м³, удельный расход кислоты 1 экв/экв удаленных катионов жесткости, рабочая емкость карбоксильного катионита 500-600 экв/м³.

Как следует из сущности способа [2], он предназначен для обработки природных вод, значение рН которых находится в пределах 6,6-8,13, а отношение мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости составляет 0,4-1,0 [3. Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976. - С.12-13].

Недостатками способа [2] являются большая жесткость и значительная щелочность полученной воды, низкая рабочая емкость карбоксильного катионита.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения воды, включающий реагентную обработку исходной воды, например, гидроксидом кальция и/или карбонатом натрия и ее последующую корректировку на катионите [4. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - С.44, 108-111].

Согласно известному способу [4] исходная вода обрабатывается известью или известью и содой. В случае обработки известью остаточная жесткость воды на 0,4-0,8 экв/м³ больше постоянной жесткости исходной воды, а щелочность составляет 0,8-1,2 экв/м³. При обработке воды известью и содой остаточная жесткость составляет 0,5-1 экв/м³, а щелочность 0,8-1,2 экв/м³.

Следовательно, согласно известному способу [4] отношение мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости в обработанной реагентами воде составляет 0,12-2,4, поскольку величина постоянной жесткости природных вод достигает значения 6,6 экв/м³ [3].

Величина рН обработанной реагентами воды находится в пределах 9-10,3 [3, стр.18] Избытки реагентов (извести и соды) по сравнению с минимально необходимыми количествами по стехиометрии реакций составляют 0,3-1 экв/м³ воды [4] , что соответствует для пресных вод относительному избытку реагента 5-30% или удельному расходу реагента 1,05-1,3 экв/экв удаленных ионов жесткости.

Глубокое умягчение воды (до остаточной жесткости 0,01 экв/м³) достигается ее последующим корректированием на сульфокатионите в натриевой форме. Щелочность воды на этой стадии обработки не изменяется и равна щелочности реагентно умягченной воды (0,8-1,2 экв/м³). Истощенный катионит регенерируют раствором хлорида натрия. Удельный расход хлорида натрия устанавливают в зависимости от требуемой жесткости умягченной воды. Он составляет 100-300 г/экв удаляемых катионитом ионов жесткости, что эквивалентно удельному расходу соли 1,7-5,1 экв/экв удаленных ионов жесткости. Рабочая емкость катионита составляет 460-1400 экв/м³.

Это подтверждается и нашими данными при получении по известному способу [4] из природной воды (состав: щелочность 4,0; жесткость 5,3; содержание анионов сильных кислот 1,5; в том числе хлориды 0,5; сульфаты 1 экв/м³) глубоко умягченной до остаточной жесткости 0,01 экв/м³ воды. Так, остаточная щелочность воды после реагентного умягчения составляет 0,8-2,9 экв/м³ при значениях рН 9,8-11,6 (минимальные величины щелочности достигаются при рН реагентно умягченной воды 10,2-10,3). Жесткость реагентно умягченной воды состаляет 0,7-2,7 экв/м³. Отношение мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости в обработанной реагентами воде составляет 0,4-4,1. Корректирование состава реагентно умягченной воды на сульфокатионите приводит к получению глубоко умягченной воды с остаточной жесткостью 0,01 экв/м³ и щелочностью, равной щелочности реагентно умягченной воды. Рабочая емкость катионита составляет 656-850 экв/м³ (таблица, примеры 9-12).

Таким образом основными недостатками способа [4] являются значительная щелочность полученной воды и невысокая рабочая емкость катионита.

Из вышеизложенного следует, что проблема улучшения качества полученной воды за счет снижения ее щелочности при одновременном глубоком умягчении воды актуальна и важна.

Действительно, например, предельно допустимая относительная щелочность воды (отношение щелочности воды к сумме щелочности и содержания солей сильных кислот), предназначенной для питания паровых котлов, в зависимости от типа котла составляет 20-50% при жесткости не более 5 или 10 мг-экв/м³ в зависимости от вида топлива [5. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С.147, 149]. Для указанного выше состава природной воды предельно допустимая величина относительной щелочности 20% соответствует щелочности полученной воды 0,66 экв/м³. В случае применения воды для подпитки теплосети щелочность и жесткость воды регламентируются исходя из условий, исключающих образование карбонатных отложений [3, с.154-155], которые определяются в зависимости от режима эксплуатации.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ получения воды, который обеспечил бы за счет подбора режима реагентной обработки воды и типа применяемого катионита достижение технического результата - повышения качества полученной воды вследствие уменьшения щелочности при ее глубоком умягчении с одновременным повышением рабочей емкости катионита.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения воды, включающий реагентную обработку исходной воды, например, гидроксидом кальция и/или карбонатом натрия и ее последующую корректировку на катионите, в котором согласно изобретению реагентную обработку осуществляют до достижения рН воды 8,5-11,6 и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности к ионам жесткости в интервале 1,2-4,1, а в качестве катионита применяют карбоксильный катионит.

Нами установлено, что реагентная обработка воды до значения рН в интервале 8,5-11,6 и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности (суммы бикарбонат и карбонат ионов) и жесткости 1,2-4,1 с последующей корректировкой на карбоксильном катионите обеспечивает получение глубоко умягченной воды с низкой щелочностью при повышении рабочей емкости катионита. Полученный результат является неожиданным.

Действительно, известно, что обработка природной воды сульфокатионитом позволяет снизить ее жесткость до значений в интервале 0,05-0,1 экв/м³ [4, с. 109]. Согласно [2, с.111, 113] обработка природной воды карбоксильным катионитом КБ-4 позволяет получить воду с жесткостью, на 0,7-1,5 экв/м³ превышающую постоянную жесткость исходной воды, т.е. с большей жесткостью, чем при применении сульфокатионита. Рабочая емкость карбоксильного катионита (500-600 экв/м³ [2. с.113]) близка к минимальной рабочей емкости сульфокатионита в способе [4] (460-1400 экв/м³). Следовательно, заведомо нельзя было предположить, что обработка карбоксильным катионитом (вместо сульфокатионита) воды, полученной реагентным умягчением, состав которой характеризуется заявляемыми пределами значения рН и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости, позволит получить воду с остаточной жесткостью 0-0,01 экв/м³ при повышении рабочей емкости катионита до 880-2406 экв/м³.

Таким образом, получение глубоко умягченной воды с низкой щелочностью и повышение рабочей емкости катионита при реализации предлагаемого способа не являются следствиями использования известных приемов, а гарантируются реагентной обработкой воды до значения рН в интервале 8,5-11,6 и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости в интервале 1,2-4,1 с последующей корректировкой состава воды на карбоксильном катионите.

По известному способу [4] умягченную воду такого же качества получить невозможно (щелочность воды составляет 0,8-2,9 экв/м³); рабочая емкость катионита по ионам жесткости находится в пределах 656-850 экв/м³.

Предлагаемый способ получения воды обеспечивает достижение следующих технических показателей: щелочность 0,05-0,66 экв/м³; жесткость не более 0,01 экв/м³; рабочая обменная емкость катионита 880-2406 экв/м³; удельный расход кислоты 0,19-0,72 экв/экв; удельный расход извести и соды 0,57-1,34 экв/экв, сумма удельных расходов реагентов 1,29-1,69 экв/экв.

Таким образом, совокупность существенных признаков является необходимой и достаточной для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - повышения качества полученной воды вследствие уменьшения щелочности при ее глубоком умягчении с одновременным повышением рабочей емкости катионита.

Использование предложенного способа позволяет улучшить экологические показатели процесса умягчения воды - уменьшить сброс солей в окружающую среду за счет сокращения удельных расходов реагентов.

Способ реализуется следующим образом.

Исходную воду подвергают реагентной обработке, например, известью и/или содой. В качестве реагентов для такой обработки могут использоваться и другие вещества, например, гидроксид натрия (как самостоятельно, так и совместно с известью). В исходную воду реагенты дозируют в таких количествах, чтобы обеспечить получение реагентно обработанной воды с рН в интервале 8,5-11,6 и отношением мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости в интервале 1,2-4,1. Полученную воду отделяют от выпавшего осадка и пропускают через ионообменный фильтр с загрузкой карбоксильным катионитом, отрегенерированным кислотой после предыдущего цикла обработки воды. В результате получают фильтрат - глубоко умягченную воду с жесткостью и щелочностью на уровне требуемых показателей (жесткость не более 0,01 экв/м³, щелочность не более 0,66 экв/м³).

После достижения заданной предельно допустимой жесткости или щелочности фильтрата (умягченной воды) катионит регенерируют с целью десорбции двухзарядных катионов кальция и магния (ионов жесткости) раствором, содержащим заданное количество кислоты. Отрегенерированный кислотой катионит отмывают водой и используют в следующем цикле получения воды.

Жесткость и щелочность воды определяют по общепринятым методикам [6. Справочник химика-энергетика. Под общей редакцией С.М.Гурвича. - М.: Энергия, 1972. - Т.1. - С.391-397].

Пример реализации предложенного способа.

Исходную воду состава: щелочность 4,0; жесткость 5,3; содержание анионов сильных кислот 1,5; в том числе хлориды 0,5; сульфаты 1 экв/м³ обрабатывают известью (ГОСТ 8677-76) и содой (ГОСТ 10689-75). Дозы реагентов составляют 4,8 и 1,7 экв/м³ исходной воды. Выделившийся осадок отделяют от жидкой фазы и получают реагентно обработанную воду со следующими показателями: рН 10,3; жесткость 0,8 экв/м³; щелочность 1,2 экв/м³. Отношение мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости в реагентно обработанной воде (Щ/Ж) равно: 1,2/0,8=1,5.

Реагентно обработанную воду пропускают через стеклянную колонку, в которую загружено 100 см³ карбоксильного катионита Lewatit CNP 80 (в пересчете на кислую форму), отрегенерированного раствором кислоты после предыдущего цикла обработки воды. Обработанную в колонке воду собирают в емкость и периодически анализируют на содержание ионов жесткости (Ж) и щелочность (Щ): каждый из этих параметров в фильтрате не должен превышать предельно допустимого значения. Пропускание воды прекратили после достижения значения величины жесткости 0,01 экв/м³. Щелочность фильтрата оказалась равной 0,2 экв/м³.

Получено 280 дм³ умягченной воды. Катионит поглотил 280•(0,8-0,01)=221,2 мг-экв ионов жесткости. Качество кондиционированной воды соответствует требованиям к получаемой воде: жесткость не более 0,01 экв/м³; относительная щелочность (Щ_отн.) не более 0,2 (20%), что соответствует для указанного состава исходной воды щелочности не более 0,66 экв/м³.

Рабочая емкость катионита составила 221,2/0,1=2212 экв/м³. Отработанный катионит регенерируют, для чего через колонку пропускают 2,8 дм³ 0,1 н. серной кислоты (ГОСТ 4204-77) и отмывают 1 дм³ воды. Отработанный регенерационный раствор объемом 3,8 дм³ анализируют на содержание ионов жесткости. В растворе оказалось 222 мг-экв ионов жесткости. Таким образом, в раствор вытеснено то же количество ионов жесткости, что поглощено в рабочем цикле. Удельный расход серной кислоты на удаление из исходной воды 1 экв ионов жесткости равен 100•2,8/[280•(5,3-0,01)] = 0,19 экв/экв, а извести и соды - (4,8+1,7)•280/[280•(5,3-0,01)] = 1,23 экв/экв. Суммарный удельный расход реагентов составил 0,19+1,23=1,42 экв/экв удаленных из исходной воды ионов жесткости (пример 4 таблицы).

Для определения предельных значений рН и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости реагентно обработанной воды проведены опыты идентично описанному выше примеру, в которых указанные величины варьировались за счет изменения доз извести и соды. Результаты представлены в таблице.

Установлено, что заявляемые интервалы значений рН и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости реагентно обработанной воды выбраны из условий, обеспечивающих высокое качество кондиционированной воды (жесткость не более 0,01 экв/м³, щелочность не более 0,66 экв/м³) и высокую рабочую емкость катионита (880-2406 экв/м³).

При запредельном уменьшении рН реагентно обработанной воды до значения меньшего, чем 8,5 (таблица, пример 6), или при запредельном уменьшении отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости (менее 1,2) (таблица, пример 7) возрастает жесткость кондиционированной воды.

Запредельное повышение величины рН, например до 11,8 (таблица, пример 8), сопровождается запредельным повышением отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности и жесткости, которое достигает значения 4,3. Это приводит к уменьшению рабочей емкости катионита до значения, которое находится на уровне рабочей емкости катионита в известном способе.

Преимущества предложенного способа по сравнению с известным подтверждаются данными таблицы. Использование предложенного способа получения воды позволяет повысить качество кондиционированной воды за счет уменьшения ее щелочности с 0,8-2,9 до 0,05-0,66 экв/м³, т.е. в 1,2-58 раз при достижении глубокого умягчения на уровне, не превышающем 0,01 экв/м³ с одновременным повышением рабочей емкости катионита с 656-850 до 880-2406 экв/м³, т.е. в 1,04-3,67 раз.

Следует подчеркнуть, что применение предложенного способа позволяет уменьшить сброс солей в окружающую среду за счет сокращения расхода реагентов на регенерацию катионита.

Изобретение относится к области обработки воды, в частности к технологии получения глубоко умягченной воды с низкой щелочностью, и может быть использовано в теплоэнергетике, а также в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Для осуществления способа проводят реагентную обработку исходной воды до достижения рН воды 8,5-11,6 и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности к ионам жесткости в интервале 1,2-4,1 с последующей корректировкой на карбоксильном катионите. Реализация способа позволяет повысить качество кондиционированной воды за счет уменьшения ее щелочности в 1,2-58 раз при достижении глубокого умягчения на уровне, не превышающем 0,01 экв/м³, с одновременным повышением рабочей емкости катионита в 1,04-3,67 раз. Применение предложенного способа позволяет уменьшить сброс солей в окружающую среду за счет сокращения расхода реагентов на регенерацию катионита, а также обеспечивает повышение качества кондиционированной воды за счет уменьшения щелочности при ее глубоком умягчении с одновременным повышением рабочей емкости катионита. 1 табл.

Способ получения воды, включающий реагентную обработку исходной воды и ее последующую корректировку на катионите, отличающийся тем, что реагентную обработку осуществляют до достижения рН воды 8,5-11,6 и отношения мольных концентраций эквивалентов ионов щелочности к ионам жесткости в интервале 1,2-4,1, а в качестве катионита применяют карбоксильный катионит.