КОМПОЗИЦИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ, УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ Российский патент 2012 года по МПК B01D39/18 B01D39/00 C02F1/42 B01J49/00 

Изобретение относится к области очистки воды, преимущественно, от солей жесткости, с использованием метода ионного обмена с противоточной регенерацией ионитов.

Одним из наиболее распространенных методов снижения жесткости воды для промышленного, хозяйственного и бытового водоснабжения является ионный обмен. При этом выбор ионитов. получение новых ионообменных материалов, а также разработка устройств и способов для осуществления ионного обмена являются основными задачами, решение которых приводит к повышению эффективности водоподготовки.

Известен способ непрерывной ионообменной очистки воды в установке, содержащей контур из последовательно соединенных между собой ионитных фильтров и соединительных магистралей, путем взрыхления загрузки, умягчения воды, промывки фильтра и регенерации загрузки раствором хлорида натрия, при этом для уменьшения числа переключений запорно-регулирующей арматуры подачу в каждый фильтр воды на стадию взрыхления ионита осуществляют с входа последующего в контуре фильтра, после взрыхления воду отводят с входа фильтра на выход предыдущего фильтра по соединяющей их магистрали, а далее направляют в сливную магистраль (SU 1433902 А1, 30.10.1988).

Однако известные способ и устройство не обеспечивают высокой степени очистки воды от солей жесткости.

Известен способ очистки воды с использованием противоточной регенерации, в установке, содержащей фильтр, по оси которого установлена цилиндрическая перегородка, делящая объем фильтра на периферийную и центральную камеры, заполненные ионитом на высоту упомянутой перегородки, при этом в фильтре образованы основной слой ионита, вспомогательный слой ионита, слой инертного материала с гранулометрическим составом не менее 1,5 мм и плотностью менее 1 г/см³, и свободное пространство между слоем ионита и слоем инертного материала. Согласно известному способу подачу воды осуществляют двумя потоками, один из которых направляют снизу вверх во вспомогательный слой ионита, а второй поток направляют сверху вниз в основной слой ионита, при этом регенерацию осуществляют противотоком с зажатием основного слоя ионита (RU 2121873 С1, 20.11.1998).

Однако известное техническое решение имеет следующие недостатки: неэффективность применения способа в установках малой производительности, необходимость применения дополнительного насосного оборудования для поджатия слоя, что приводит к увеличению капитальных затрат.

Известна фильтрующая загрузка для комплексной очистки воды, в том числе для ее умягчения, которая содержит слой сильнокислотного катионита, два слоя низкоосновного анионита, один из которых импрегнирован гумусовыми веществами, а также нижний и верхний слои инертных материалов, каждый из используемых материалов характеризуется определенной плотностью, а слои составлены в определенной последовательности относительно прохождения потока очищаемой воды. Фильтрующая загрузка помещена в вертикальный цилиндрический корпус с трубой для подачи воды и регенерационного раствора, установленной по оси и снабженной нижним и верхним дренажными устройствами. Способ очистки, осуществляемый в известном устройстве, предусматривает подачу очищаемой воды сверху вниз через предложенную загрузку с последующей противоточной регенерацией загрузки (RU 29672, U1, 27.05.2003).

Недостатками известного технического решения являются невозможность достижения требуемой глубины умягчения воды и высокий расход регенерирующего агента.

Известны способы ионообменного умягчения воды с противоточной регенерацией, осуществляемые в установках, содержащих фильтры, заполненные ионитами, и емкости для приготовления регенерационных растворов, причем в верхней части фильтров установлены управляющие клапаны, обеспечивающие изменение направления потоков воды и регенерационного раствора по истечении заданного промежутка времени или после прохождения определенного объема воды (например, WO 01/60516 А1, 23.08.2001, WO 2007/ 036634. 05.04.2007).

Однако в известных способах и устройствах не раскрывается ни фильтрующая загрузка, ни характеристики ионитов, необходимые для обеспечения глубокой очистки от солей жесткости при небольшом расходе реагентов на регенерацию.

За прототип предложенного технического решения выбраны фильтрующая загрузка, установка и способ глубокой очистки воды от солей жесткости, описанные в кн. Б.Е.Рябчиков «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования», Москва. ДеЛи принт, 2004, стр.153-163.

Известная композиция фильтрующих материалов для глубокой очистки воды от солей жесткости содержит слой сильнокислотного катионита и внизу слой инертного материала-гравия, при этом рекомендовано использовать сильнокислотный стиролдивинилбензольный катионит типа КУ-2 или его импортные аналоги.

Известная установка, описанная в данном источнике информации, содержит вертикально установленный фильтр с загрузкой и с расположенной по его оси центральной трубой, снабженной нижним и верхним дренажными устройствами, блок управления, снабженный эжектором и сливом, бак-солерастворитель, связанный с эжектором, счетчик очищенной воды, подводящий и отводящий трубопроводы и запорно-регулировочную арматуру.

Известный способ очистки воды, осуществляемый на этой установке, включает пропускание потока очищаемой воды сверху вниз через фильтрующую загрузку. взрыхление загрузки, эжекционное смешивание воды с насыщенным раствором соли с получением регенерационного раствора, противоточную регенерацию загрузки приготовленным регенерационным раствором и ее промывку. При подаче воды со скоростью 20-40 м/час этот способ позволяет умягчать воду с исходной жесткостью 5-10 мг-экв/л до жесткости 0,05-0,1 мг-экв/л. Регенерацию загрузки производят автоматически по сигналу счетчика объема очищенной воды.

Недостатками технического решения, принятого за прототип, являются недостаточная степень умягчения воды, невысокая емкость фильтрующей загрузки по солям жесткости, высокий расход соли для ее регенерации, низкая производительность установки и, следовательно, высокие затраты на очистку воды.

Задачей настоящего изобретения является разработка технологии очистки воды от солей жесткости, обеспечивающей одностадийную очистку со снижением жесткости воды до концентрации менее 0,01 мг-экв/л, снижение расхода соли для регенерации и снижение объема образующихся сточных вод.

Поставленная задача решается описываемой композицией фильтрующих материалов для глубокой очистки воды от солей жесткости, которая содержит сульфокислотный стиролдивинилбензольный катионит, размещенный между слоями инертных материалов, причем катионит характеризуется содержанием дивинилбензола 6,0-7,2 мас.%, эффективным размером гранул 0,55±0,1 мм, коэффициентом однородности не более 1.3, содержанием влаги 50-60 мас.% и удельным объемом 2,5-2,9 см³/г, в качестве инертного материала, размещенного перед слоем катионита по ходу очищаемой воды, композиция содержит гранулированный материал, выбранный из полиэтилена, полипропилена, полистирола, с размером гранул 3,0-5,0 мм и плотностью не более 1,0 г/см³, а в качестве инертного материала, размещенного после слоя катионита по ходу очищаемой воды, композиция содержит материал на основе кремнезема с плотностью 1,6-4,0 г/см³, с эффективным размером зерна 2,0-4,0 мм, и коэффициентом однородности 1,3-1,7, при этом композиция содержит упомянутые материалы при следующем соотношении (об.%):

инертный материал, размещенный перед катионитом, 4-6;

катионит 82-88;

инертный материал, размещенный после катионита, 8-12.

Поставленная задача решается также описываемой установкой для глубокой очистки воды от солей жесткости, которая содержит вертикально установленный фильтр с зернистой загрузкой и расположенной по его оси центральной трубой, снабженной нижним и верхним дренажными устройствами, блок управления, выполненный в виде управляющего клапана, обеспечивающего автоматическое переключение потоков жидкости, связанного с микропроцессором, и снабженного эжектором и сливом, связанным с канализационным коллектором, бак-солерастворитель, связанный с эжектором, счетчик очищенной воды, подводящий и отводящий трубопроводы и запорно-регулировочную арматуру, при этом фильтр содержит загрузку, охарактеризованную в п.1, размещенную таким образом, что нижнее дренажное устройство центральной трубы погружено в слой нижнего инертного материала на 1/12-1/15 от общей длины центральной трубы фильтра, а над слоем верхнего инертного материала образовано свободное пространство, составляющее 10-40% от объема фильтра.

Предпочтительно, установка содержит от двух до четырех параллельно соединенных между собой фильтров и соответствующее им количество баков-солерастворителей, при этом каждый фильтр соединен с одним баком-солерастворителем с помощью гибкого трубопровода.

Предпочтительно, на подводящем и отводящем трубопроводах установлены электромагнитные клапаны.

Предпочтительно, управляющий клапан установлен в верхней части фильтра и выполнен с обеспечением переключения потоков жидкости сверху-вниз и снизу-вверх по центральной трубе, эжекционного смешивания потоков солевого раствора из бака-солерастворителя с исходной или умягченной водой и слива стоков в канализационный коллектор.

Поставленная задача решается также описываемым способом глубокой очистки воды от солей жесткости, который включает пропускание потока очищаемой воды сверху вниз через фильтрующую загрузку, взрыхление загрузки, эжекционное смешивание воды с насыщенным раствором соли с получением регенерационного раствора, противоточную регенерацию загрузки приготовленным регенерационным раствором и ее промывку, причем процесс осуществляют при использовании композиции фильтрующих материалов, охарактеризованной в п.1, на установке, охарактеризованной в пунктах 2-5, при этом очищаемую воду пропускают сверху вниз через фильтрующую загрузку с линейной скоростью 30-50 м/час, регенерационный раствор подают снизу вверх через фильтрующую загрузку со скоростью 2-3 м/час, промывку фильтрующей загрузки осуществляют в два этапа, вначале подают воду снизу вверх со скоростью 2-3 м/час, а затем сверху вниз со скоростью 30-50 м/час.

Регенерацию можно осуществлять водным раствором, содержащим соли натрия и/или калия, или аммония, выбранные из хлоридов, нитратов, ацетатов или цитратов, при их концентрации 5-8 мас.%, при этом регенерационный раствор готовят на воде с содержанием солей жесткости не более 5 мг-экв/л.

Согласно предложенному способу, взрыхление и промывку загрузки осуществляют исходной очищаемой водой, если концентрация ионов жесткости в ней не превышает 5 мг-экв/л, либо взрыхление и промывку загрузки осуществляют умягченной водой, если концентрация ионов жесткости в исходной воде превышает 5 мг-экв/л.

Для иллюстрации изобретения на фигуре 1 приведена схема очистки воды на установке, содержащей два параллельно соединенных фильтра.

Представленная на фигуре 1 установка содержит следующие элементы: 1- подводящий трубопровод; 2, 2-а - электромагнитный клапан; 3, 3-а - управляющий клапан; 4, 4-а - корпус фильтра; 5 - верхнее дренажное устройство; 6 - инертный материал, размещенный перед слоем катионита; 7 - катионит; 8 - инертный материал, размещенный после слоя катионита; 9 - нижнее дренажное устройство; 10 - центральная труба; 11 - отводящий трубопровод; 12 - регулировочный клапан; 13 - канализационный коллектор: 14, 14-а - бак-солерастворитель; 15 - свободное пространство, находящееся над слоем верхнего инертного материала в статике (заполняется водой и соответственно перемещается под этот слой при заполнении установки водой); 16, 16-а, 16-б, 16-в, 16-г - краны шаровые; 17, 17-а - манометры; 18, 18-а - пробоотборники; 19 - микропроцессор (блок согласования управляющих клапанов); 20 - соль таблетированная.

Установка, описанная выше, снабжена управляющими клапанами, изготовленными в соответствии с патентами US 6776901; 6444127; 6402944.

Процесс очистки воды на установке осуществляют следующим образом. Очищаемая вода поступает по подводящему трубопроводу (1) через открытый электромагнитный клапан (2) в управляющий клапан (3) фильтра (4), который направляет поток очищаемой воды через верхнее дренажное устройство (5), инертный материал (6), размещенный перед слоем катионита, катионит (7), инертный материал (8), размещенный после слоя катионита, и нижнее дренажное устройство (9) по центральной трубе (10) обратно в управляющий клапан (3), и затем умягченная вода поступает по отводящему трубопроводу (11) через регулировочный клапан (12) потребителю.

В это же время осуществляют регенерацию ранее отработавшего фильтра (4а) водой с жесткостью менее 5 мг-экв/л из отводящего трубопровода (11), когда электромагнитный клапан (2а) закрыт.Вода с жесткостью менее 5 мг-экв/л из отводящего трубопровода (11) поступает в управляющий клапан (3а) фильтра (4а), далее в центральную трубу и нижнее дренажное устройство, взрыхляет фильтрующую загрузку и отводится через верхнее дренажное устройство и управляющий клапан (3а) в канализационный коллектор (13). Процесс регенерации осуществляют аналогично процессу взрыхления за исключением того, что воду с жесткостью менее 5 мг-экв/л подают через блок эжекции управляющего клапана (3а), который закачивает насыщенный раствор соли из бака-солерастворителя (14а) и смешивает его с водой для регенерации. Процесс отмывки фильтрующей загрузки от соли на первой стадии осуществляют аналогично процессу регенерации, за исключением закачки раствора соли из бака-солерастворителя (14а). На второй стадии процесс отмывки фильтрующего слоя производят сверху вниз: вода с жесткостью менее 5 мг-экв/л из отводящего трубопровода (11) направляется в управляющий клапан (3а) фильтра (4а), через верхнее дренажное устройство, фильтрующую загрузку и нижнее дренажное устройство по центральной трубе в сливной блок управляющего клапана (3а), а оттуда уже в канализационный коллектор (13).

Далее аналогичным образом регенерируют фильтр (4), а очистку воды проводят на фильтре (4а).

Композиция материалов для фильтрующей загрузки подобрана нами экспериментально.

Изучение ионообменной способности по отношению к ионам жесткости, а также способности к регенерации сильнокислотных стиролдивинилбензольных катионитов с различным содержанием дивинилбензола показало, что катиониты разных производителей, содержащие дивинилбензол в количестве от 6,0 до 7,2 мас.%, обладают максимальной эффективностью в циклах сорбция-регенерация. При этом другие заявленные характеристики гранул катионита являются необходимыми и достаточными для эффективного осуществления циклов сорбция-регенерация в режиме противотока. Характеристики инертных материалов и оптимальный состав фильтрующей загрузки подобраны экспериментально с учетом характеристик выбранного катионита.

Заявленные скорости подачи воды и регенерационного раствора выбраны нами из расчета обеспечения максимальной производительности установки при высокой емкости фильтра и минимальном расходе соли на регенерацию.

Ниже приведен пример с использованием оптимальной композиции фильтрующих материалов, а также результаты по умягчению воды при конкретных параметрах заявленного способа.

Пример 1

Вода, содержащая 3,4 мг-экв/л ионов жесткости, поступает для умягчения в установку, схема которой приведена на фиг.1. Процесс осуществляют в соответствии с вышеприведенным описанием при следующих параметрах:

количество параллельно соединенных фильтров - 2 шт.

высота фильтра - 1370 мм

объем загрузки - 59 л

высота слоя загрузки - 1176 мм

высота слоя катионита - 1000 мм

объем свободного пространства - 14%

линейная скорость очищаемой воды - 50 м/час

линейная скорость регенерационного раствора - 2,5 м/час

линейная скорость промывной воды, подаваемой сверху вниз, - 50 м/час

линейная скорость промывной воды, подаваемой снизу вверх, - 2,5 м/ч

направление подачи очищаемой воды - сверху вниз

направление подачи регенерационного раствора - снизу вверх

давление в отводящем трубопроводе 3,2 атм

Состав загрузки:

сульфокислотный катионит - 85%

инертный материал, размещенный перед катионитом, - 5%

инертный материал, размещенный после катионита, - 10%

Характеристики компонентов загрузки:

- катионита:

содержание дивинилбензола - 6,6%

эффективный размер гранул - 0,55 мм

коэффициент однородности - 1,23

содержание влаги - 55,2%

удельный объем - 2,62 см³/г

- инертного материала, размещенного после слоя катионита, по ходу очищаемой воды:

плотность - 4 г/см³

эффективный размер зерна - 2 мм

коэффициент однородности -1,5

- инертного материала, размещенного перед слоем катионита:

полиэтилен

эффективный размер гранул - 4 мм

плотность - 0,8 г/см³

Состав регенерационного раствора:

хлорид натрия - 6%

ионы жесткости - 3,4 мг-экв/л

жесткость воды для взрыхления и промывки - 3,4 мг-экв/л

При проведении процесса очистки по примеру 1 получены следующие результаты.

Производительность - 2,5 м³/час

Расход хлорида натрия - 100 г/л ионита (5 кг на одну регенерацию)

Время фильтроцикла - 466 минут

Жесткость умягченной воды - менее 0.01 мг-экв/л

Емкость слоя катионита- 66 г-экв

Приведенный расход хлорида натрия - 0,272 кг NaCl/м³ воды (0,08 кг NaCl/г-экв ионов жесткости).

Проведение процесса очистки воды от солей жесткости при других заявленных параметрах способа и других заявленных составах фильтрующей загрузки привело к получению аналогичных результатов.

Наиболее перспективными реагентами для противоточной регенерации являются хлорид натрия как наиболее дешевый и доступный и ацетет калия как приносящий минимальный экологический ущерб.

Таким образом, предложенное изобретение обладает следующими преимуществами перед прототипом:

- снижение жесткости ниже 0,01 мг-экв/дм³ за одну стадию;

- снижение образующихся сточных вод в 2,8 раза;

- снижение минерализации сточных вод в 1,6 раза;

- снижение расхода соли на регенерацию в 1,5 раза;

- снижение приведенных затрат на глубокую очистку 1 м³ воды в 1,5 раза.

Изобретения могут быть использованы для умягчения воды, в частности для теплоэнергетики. Композиция фильтрующих материалов содержит слой сильнокислотного стиролдивинилбензольного катионита, размещенного между двумя слоями инертных материалов. В качестве инертного материала, размещенного перед слоем катионита по ходу очищаемой воды, используют гранулированный материал, выбранный из полиэтилена, полипропилена, полистирола. В качестве инертного материала, размещенного после слоя катионита, используют материал на основе кремнезема. Композиция содержит упомянутые материалы при следующем соотношении (об.%): инертный материал, размещенный перед катионитом, 4-6, катионит 82-88, инертный материал, размещенный после катионита, 8-12. Установка содержит фильтр (4) с загрузкой (6, 7, 8) и центральной трубой (10), бак-солерастворитель (14), трубопроводы (1, 11) и запорно-регулирующую аппаратуру (2, 3, 12, 16-18). Фильтр оснащен управляющим клапаном (3), связанным с микропроцессором (19) и обеспечивающим автоматическое переключение потоков жидкости по центральной трубе (10). Способ очистки включает пропускание очищаемой воды через загрузку из композиции фильтрующих материалов, взрыхление загрузки, противоточную регенерацию загрузки солевым раствором и ее промывку. Изобретения обеспечивают одностадийную очистку при снижении жесткости воды до концентрации менее 0,01 мг-экв/л, снижение расхода соли для регенерации и снижение объема и минерализации образующихся сточных вод. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Композиция фильтрующих материалов для глубокой очистки воды от солей жесткости, содержащая слои сильнокислотного катионита и инертного материала, отличающаяся тем, что катионит размещен между слоями инертных материалов, при этом в качестве сильнокислотного катионита композиция содержит сульфокислотный стиролдивинилбензольный катионит с содержанием дивинилбензола в количестве, равном 6,0-7,2 мас.%, характеризующийся эффективным размером гранул 0,55±0,1 мм, коэффициентом однородности не более 1,3, содержанием влаги 50-60 мас.% и удельным объемом 2,5-2,9 см³/г, в качестве инертного материала, размещенного перед слоем катионита по ходу очищаемой воды, композиция содержит гранулированный материал, выбранный из полиэтилена, полипропилена, полистирола, с размером гранул 3,0-5,0 мм и плотностью не более 1,0 г/см³, а в качестве инертного материала, размещенного после слоя катионита по ходу очищаемой воды, композиция содержит материал на основе кремнезема с плотностью 1,6-4,0 г/см³, с эффективным размером зерна 2,0-4,0 мм и коэффициентом однородности 1,3-1,7, при этом композиция содержит упомянутые материалы при следующем соотношении, об.%:
инертный материал, размещенный перед катионитом 4-6 катионит 82-88 инертный материал, размещенный после катионита 8-12

2. Установка для глубокой очистки воды от солей жесткости, содержащая вертикально установленный фильтр с зернистой загрузкой и расположенной по его оси центральной трубой, снабженной нижним и верхним дренажными устройствами, блок управления, снабженный эжектором и сливом, связанным с канализационным коллектором, бак-солерастворитель, связанный с эжектором, счетчик очищенной воды, подводящий и отводящий трубопроводы и запорно-регулировочную арматуру, отличающаяся тем, что фильтр содержит загрузку, охарактеризованную по п.1, размещенную таким образом, что нижнее дренажное устройство центральной трубы погружено в слой нижнего инертного материала на 1/12-1/15 от общей длины центральной трубы фильтра, а над слоем верхнего инертного материала образовано свободное пространство, составляющее 10-40% от объема фильтра, при этом блок управления фильтра выполнен в виде управляющего клапана, обеспечивающего автоматическое переключение потоков жидкости и связанного с микропроцессором.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что она содержит от двух до четырех параллельно соединенных между собой фильтров и соответствующее им количество баков-солерастворителей, при этом каждый фильтр соединен с одним баком-солерастворителем с помощью гибкого трубопровода.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на подводящем и отводящем трубопроводах установлены электромагнитные клапаны.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что управляющий клапан установлен в верхней части фильтра и выполнен с обеспечением переключения потоков жидкости сверху-вниз и снизу-вверх по центральной трубе, эжекционного смешивания потоков солевого раствора из бака-солерастворителя с исходной или умягченной водой и слива стоков в канализационный коллектор.

6. Способ глубокой очистки воды от солей жесткости, включающий пропускание потока очищаемой воды сверху вниз через фильтрующую загрузку, взрыхление загрузки, эжекционное смешивание воды с насыщенным раствором соли с получением регенерационного раствора, противоточную регенерацию загрузки приготовленным регенерационным раствором и ее промывку, отличающийся тем, что процесс осуществляют при использовании композиции фильтрующих материалов, охарактеризованной по п.1, на установке, охарактеризованной по пп.2-5, при этом очищаемую воду пропускают сверху вниз через фильтрующую загрузку с линейной скоростью 30-50 м/ч, регенерационный раствор подают снизу вверх через фильтрующую загрузку со скоростью 2-3 м/ч, промывку фильтрующей загрузки осуществляют в два этапа, вначале подают воду снизу вверх со скоростью 2-3 м/ч, а затем сверху вниз со скоростью 30-50 м/ч.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что регенерацию осуществляют водным раствором, содержащим соли натрия и/или калия или аммония, выбранные из хлоридов, нитратов, ацетатов или цитратов при их концентрации 5-8 мас.%, при этом регенерационный раствор готовят на воде с содержанием солей жесткости не более 5 мг-экв/л.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что взрыхление и промывку загрузки осуществляют исходной очищаемой водой при концентрации ионов жесткости в ней, не превышающей 5 мг-экв/л.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что взрыхление и промывку загрузки осуществляют умягченной водой, если концентрация ионов жесткости в исходной воде превышает 5 мг-экв/л.