СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/46 C02F5/00 

Предлагаемое изобретение относится к области обработки воды и может быть использовано для умягчения питьевой и технологической воды путем перевода растворимых солей бикарбонатов кальция и магния в нерастворимые соединения.

Известны термический и химический способы умягчения воды [1].

Термический способ основан на разложении солей карбонатной жесткости - бикарбонатов кальция и магния при нагревании воды до 85-110^oС. В результате термообработки образуется труднорастворимый карбонат кальция, выпадающий в виде твердого осадка. При этом содержание растворенных в воде солей магния не изменяется. Этот метод требует сравнительно высоких энергетических затрат. К примеру, на нагрев 1 м³ воды до 80^oС необходимо около 0,3 МДж или 93 кВт•ч энергии.

Химический способ умягчения воды основан на использовании методов осаждения или катионного обмена.

Способ умягчения воды методом катионного обмена основан на способности некоторых нерастворимых в воде веществ (например, уголь, иониты) заменять свой обменный катион на катионы воды в процессе ее фильтрования через слой катионита. Находящиеся в воде ионы Са²⁺ и Mg²⁺ поглощаются катионитом, а вместо них в воду переходят Na⁺ или Н⁺. Вместо сульфатов и хлоридов кальция и магния в умягченной воде образуются соответствующие соли натрия, а при обмене с солями карбонатной жесткости - бикарбонат натрия. При термической обработке умягченной таким способом воды бикарбонат натрия переходит в карбонат, который подвергается гидролизу с образованием гидроокиси натрия. В результате чего в воде образуется сравнительно высокая концентрация ионов ОH^-, которые характеризуют общую щелочность умягченной воды и способствуют химическому загрязнению воды. Общее солесодержание в умягченной этим способом воде не изменяется. Кроме того, в результате истощения катионита необходима его периодическая регенерация, что также способствует химическому загрязнению воды и характеризует невысокую производительность метода при сравнительно высокой жесткости природной воды.

Недостатками химических способов является их невысокая производительность и химическое загрязнение воды.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ умягчения воды методом осаждения [2], основанный на переводе содержащихся в воде растворимых солей кальция и магния в малорастворимые соединения, выделяющиеся в осадок. Это достигается введением в воду извести, едкого натра, кальцинированной соды и тринатрийфосфата.

Обычно для умягчения воды методом осаждения применяется известково-содовый способ с использованием в качестве реагентов извести и кальцинированной соды. Известь переводит в осадок соли кальция карбонатной жесткости воды и соли магния. Сода является реагентом на кальциевые соли некарбонатной жесткости воды. При взаимодействии соды и извести образуется едкий натр, что характеризует высокую щелочность умягченной таким способом воды. Выпадение осадков замедляется при наличии в воде органических веществ. Для интенсификации процесса умягчения используют подогрев воды до температуры 70-80^oС и введение избыточного количества реагентов. Все это приводит ко вторичному химическому загрязнению воды (едким натром) и высоким энергетическим затратам, соизмеримыми с затратами в термическом способе. Энергозатраты на 1м³ воды составляют около 50 кВт•ч.

Задача изобретения - повысить производительность способа умягчения воды при невысоких энергетических затратах и исключить химическое загрязнение воды.

Задача решена за счет того, что в известном способе умягчения воды путем перевода содержащихся в воде растворимых солей в малорастворимые соединения создают поток воды со средней скоростью от 0,05 до 0,15 м/с, параллельно потоку устанавливают питающие и заземляющие электроды длиной от 1,0 до 1,5 м, межэлектродное расстояние выбирают равным 0,05-0,07 м. На питающие электроды подают переменное электрическое поле напряжением от 120 до 150 В и частотой от 0,5 до 1,0 Гц и воздействуют этим полем на воду в течение 10-15 с. В результате этого воздействия растворимые соли переходят в малорастворимые соединения, выделяющиеся в осадок.

Выбор количественных характеристик в способе определяется получаемыми техническими результатами по умягчению и видом физических процессов обрабатываемой воде. В основе способа лежит процесс вытеснения в электромагнитном поле солей из воды как частиц, имеющих дипольный момент, отличный от дипольных моментов молекул воды. Скорость потока и длина электродов выбираются, исходя из времени обработки воды, которое должно составлять 10-15 с. При скорости потока меньшей, чем 0,05 м/с, растворимые соли переходят в малорастворимые соединения, при этом возникают дополнительные энергетические потери, связанные с нагревом воды. При скорости потока более 0,15 м/с происходит лишь частичное осаждение солей жесткости и метод становится малоэффективным. Исходя из этого определяется также и длина электродов. Разность потенциалов между питающими электродами и время обработки определяют межэлектродное расстояние, равное 0,05-0,07 м. При напряжении на электродах менее 120 В и более 150 В значительно снижается эффективность метода, общая жесткость воды в результате обработки снижается лишь на 10%. В результате воздействия на воду переменным электрическим полем с частотой менее 0,5 Гц наряду с умягчением воды идет процесс электролиза, который вызывает химическое загрязнение воды и приводит к значительным тепловым потерям. При частотах более чем 1 Гц возрастают тепловые потери и общая жесткость обрабатываемой воды снижается лишь на 8-10%.

Способ осуществляют следующим образом. Создают поток воды со средней скоростью от 0,05 до 0,15 м/с, который обрабатывают переменным электрическим полем напряжением от 120 до 150 В и частотой от 0,5 до 1,0 Гц. Для этого параллельно потоку устанавливают питающие и заземляющие электроды. Межэлектродное расстояние выбирают равным 0,05-0,07 м. Количество устанавливаемых электродов зависит от расхода воды. Питающие электроды изолированы друг от друга заземляющими электродами. Исходную воду обрабатывают в течение 10-15 с. При общей жесткости исходной воды не более 2 мг-экв/л процесс проводят в одну стадию, а при жесткости более 2 мг-экв/л - в несколько стадий.

Пример конкретного выполнения способа
Умягчение воды осуществляли в установке, которая представляет собой заземленную емкость длиной 3 м и высотой 0,4 м с трубопроводами для подачи, слива и регулирования расхода воды. Внутри емкости устанавливали пять электродов: 2 питающих и 3 заземляющих. Межэлектродное расстояние выбрали равным 0,05 м. Питающие электроды изолировали друг от друга заземляющими электродами.

Для обработки была использована питьевая вода с исходной общей жесткостью 5 мг-экв/л и речная вода с р. Яйва (Пермской обл.) с исходной общей жесткостью 1,0 мг-экв/л. На питающие электроды подавали переменное электрическое поле с частотой 0,7 Гц и напряжением 150 В. Обработка воды проводилась в проточной установке в течение 10 с при скорости потока воды 0,1 м/с. В результате обработки содержание растворимых солей бикарбонатов в воде р. Яйва было снижено на 100%, в питьевой воде на 60% по отношению к первоначальному содержанию. При проведении второй стадии обработки питьевой воды содержание бикарбонатов кальция и магния снизилось еще на 20%. В процессе обработки образовавшиеся малорастворимые соединения выпали в осадок. На основании данных сравнительного химического анализа обработанной и исходной питьевой воды получены следующие результаты по химическому составу: общая жесткость исходной питьевой воды равна 5 мг-экв/л, после обработки 2 мг-экв/л; содержание ионов Са²⁺ в исходной воде 3,75 мг-экв/л, после обработки - 1,75 мг-экв/л; содержание ионов Mg²⁺ в исходной воде 1,25 мг-экв/л, после обработки - 0,75 мг-экв/л; щелочность исходной воды равна 3,7 мг-экв, после обработки -3,4 мг-экв; содержание железа в исходной воде составило 0,05 мг-экв/л, после обработки - 0,04 мг-экв/л. В обработанной воде отсутствует едкий натр. Энергетические затраты на переработку 1 м³ воды в обоих случаях не превышает 0,1 кВт•ч энергии (в прототипе -50 кВт•ч).

Таким образом, преимущество заявленного изобретения по сравнению с прототипом состоит в снижении энергозатрат и исключении химического загрязнения воды.

Источники информации
1. Теплотехнический справочник, Изд. 2-е, перераб. Под ред. В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева, т. 1. М.: Энергия, 1975, 743 с.

2. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии. Под ред. О.Н.Багрова и З.Л.Берлина. М.: Металлургия, 1982, 456 с.

Изобретение относится к обработке воды и может быть использовано для умягчения питьевой и технологической воды путем перевода растворимых солей бикарбонатов кальция и магния в нерастворимые соединения. Для этого создают поток воды со средней скоростью от 0,05 до 0,15 м/с. Параллельно потоку устанавливают питающие и заземляющие электроды длиной от 1,0 до 1,5 м, межэлектродное расстояние выбирают равным 0,05-0,07 м. На питающие электроды подают переменное электрическое поле напряжением от 120 до 150 В и частотой от 0,5 до 1,0 Гц и воздействуют этим полем на воду в течение 10-15 с. В результате этого воздействия растворимые соли переходят в малорастворимые соединения, выделяющиеся в осадок. При общей жесткости исходной воды не более 2 мг-экв/л процесс проводят в одну стадию, при жесткости более 2 мг-экв/л - в несколько стадий. Технический эффект - повышение производительности способа умягчения воды при невысоких энергетических затратах и исключение химического загрязнения воды.

Способ умягчения воды путем перевода содержащихся в воде растворимых солей в малорастворимые соединения, отличающийся тем, что для этого создают поток воды со средней скоростью 0,05-0,15 м/с, параллельно потоку устанавливают электроды длиной 1,0-1,5 м, межэлектродное расстояние выбирают равным 0,05-0,07 м, на электроды подают переменное электрическое поле напряжением 120-150 В и частотой 0,5-1,0 Гц и воздействуют этим полем на воду в течение 10-15 с.