Электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод Российский патент 2024 года по МПК B01D61/46 

Изобретение относится к области обессоливания воды путем электродиализа в электродиализаторе с ионообменными мембранами и может быть использовано в водоподготовке.

Известен способ обессоливания воды в электродиализаторе с периодическим изменением полярности электродов и одновременным с ним переключением камер обессоливания и концентрирования (Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М., «Химия», 1980, с. 29). Периодическая смена направления электрического тока предотвращает или сводит к минимуму выпадение солей жесткости как на самих электродах, так и на анионитовых мембранах. Известный метод позволяет уменьшить негативный эффект от отложений солей на мембранах за счет распределения солевой нагрузки на обе стороны мембраны, что улучшает режим работы мембран, но не устраняет главную проблему - увеличение концентрации солей при электрохимической очистке воды, что приводит к образованию твердого нерастворимого осадка из концентрированного раствора. Эта проблема тем более актуальна, чем выше содержание солевого раствора, усложняющее работу по очистке высокоминерализованных вод.

Известен способ обессоливания воды в электродиализаторе с периодическим изменением полярности электродов и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования, вывода диализата из камер обессоливания в емкость для обессоленной воды и вывод воды из камер концентрирования в дренаж и/или в емкость для рассола, при этом после переключения потоков воду, подаваемую в камеры обессоливания в течение 3-5 мин, подкисляют до pH 0,5-1 и диализат в течение 6-15 мин сбрасывают в дренаж и/или в емкость для рассола (авторское свидетельство SU 982712, МПК B01D 13/02, 31.03.1981 г., 23.12.1982 г., https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=982712&TypeFile=html). Недостатком известного способа является устранение уже образовавшихся отложений на мембранах внутри электродиализного аппарата, что приводит к достаточно длительному (6-15 мин) циклу промывки аппарата с применением кислоты. Поскольку указанные солевые отложения уже превратились в твердую фазу, то для их растворения используется раствор с очень низким значением уровня рН<1. Причем необходимы очень точное соблюдение этого показателя и постоянный его контроль, так как при увеличении уровня рН>1 процесс растворения солевых отложений замедляется и теряет свою эффективность, а снижение уровня рН<0,5 приводит к ухудшению механических свойств самих мембран.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ асимметричного электродиализа, включающий подачу раствора электролита в пространство между ионоселективными мембранами вертикально расположенного пакета мембран, наложение электростатического поля, разделение обрабатываемого раствора на обессоленный диализат и соленый концентрат, проведение процесса до конечной концентрации, реверс полярности электродов по окончании интервала времени обработки раствора в рабочем режиме и промывку мембран во время реверса, при этом электростатическое поле накладывают так, чтобы его вектор совпадал с вектором гравитационного поля, а при реверсе полярности электродов одновременно изменяют на противоположное расположение вертикального пакета мембран относительно направления гравитационного поля (патент на изобретение RU 2238136, МПК B01D 61/50, 18.08.2003 г., Бюл. №29, 20.10.2004 г., https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2238136&TypeFile=html). Основным недостатком известного изобретения является конструктивная сложность механического опрокидывателя, используемого для изменения вертикальной ориентации аппарата на противоположную, т.к. вес промышленного электролизера составляет несколько сотен килограмм, а в процессе работы, когда электролизер заполнен водой, его вес превышает тонну. Также на конструктивные особенности опрокидывателя влияет подключение к электролизеру подводящих и отводящих трубопроводов: с учетом линий питания электролита к одному электролизному аппарату подводится восемь трубопроводов, замена которых на гибкие шланги существенно снижает надежность всей установки.

Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а технический результат заключается в увеличении ресурса электродиализного устройства, повышении надежности и эксплуатационных характеристик оборудования водоочистки при работе в условиях высокого содержания солей минеральных источников.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод состоит из двух электролизеров: электролизера обессоливания и электролизера коррекции pH, а также из емкости-отстойника для отделения выпадающего осадка, при этом электролизер обессоливания содержит источник тока, электродные камеры с установленными в них анодом и катодом и чередующиеся между ними катионообменные и анионообменные мембраны, образующие чередующиеся камеры обессоливания и камеры концентрирования, электролизер коррекции pH содержит источник тока, электродные камеры с установленными в них анодом и катодом и чередующиеся между ними катионообменные, анионообменные и биполярные мембраны, разделенные сепарирующими вставками, образующие чередующиеся камеры обессоливания, камеры щелочного потока и камеры кислого потока.

Важным преимуществом заявляемого изобретения является отсутствие необходимости применения дополнительных агрессивных химикатов (кислота, щелочь) в процессе работы, так как необходимые реагенты синтезируются непосредственно в процессе работы из исходной насыщенной солями минеральной воды. Возможность синтеза реагентов, в частности HCl, в процессе работы установки без дополнительных затрат позволяет упростить техническое обслуживание электролизеров. Так наличие запаса кислотного раствора в объеме, достаточном для заполнения двух электролизеров, обеспечивает возможность оперативного реагирования на различные нештатные ситуации: вынужденные простои из-за поломки насосного или энергетического оборудования, нестабильная подача исходной воды или забор очищенной воды потребителями. В случае длительного простоя электролизеров с ионообменными мембранами содержание в аппарате высокоминерализованной воды приводит к отложению нерастворимых солей жесткости на поверхности мембран, что сильно ухудшает рабочие характеристики электролизеров при последующем включении. Для предотвращения этого в случае нештатной ситуации или штатного длительного простоя для заявляемого изобретения достаточно слить из электролизеров высокоминерализованную воду и заполнить их кислотным раствором из резервной емкости. Простой оборудования в кислом растворе не оказывает негативного воздействия на ионообменные мембраны, что позволяет сократить время выхода на рабочий режим оборудования при запуске после вынужденного простоя, а также увеличить ресурс электродиализного устройства.

Образование твердого осадка из нерастворимых солей не внутри электролизеров, что впоследствии требует нескольких циклов технологической чистки и промывки оборудования с применением кислот, а в специально оборудованной емкости-отстойнике с конусом сбора осадка предотвращает попадание осадка в электролизеры и упрощает сбор осадка для последующей утилизации.

Заявляемая электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод схематично представлена на фиг. 1 с использованием следующих обозначений:

1 - корпус;

2 - анод;

3 - катод;

4 - камера обессоливания;

5 - камера концентрирования;

6 - электродная камера;

7 - катионообменная мембрана;

8 - анионообменная мембрана;

9 - биполярная мембрана;

10 - камера кислого потока;

11 - камера щелочного потока;

12 - емкость-отстойник;

13 - конус сбора осадка;

14 - электролизер обессоливания;

15 - элеткролизер коррекции pH;

16 - тракт обессоливания;

17 - тракт концентрирования;

18 - выходной поток обессоленной воды;

19 - выходной поток концентрата;

20 - щелочной поток;

21 - кислый поток;

22 - обессоленный поток;

23 - осадок.

В корпусе 1 электролизера обессоливания 14 расположены: электродные камеры 6 с установленными в них анодом 2 и катодом 3, чередующиеся камеры обессоливания 4 и камеры концентрирования 5, разделенные катионообменными 7 и анионообменными 8 мембранами.

В корпусе 1 электролизера коррекции pH 15 расположены: электродные камеры 6 с установленными в них анодом 2 и катодом 3 и чередующиеся камеры обессоливания 4, камеры щелочного потока 11 и камеры кислого потока 10, разделенные катионообменными 7, анионообменными 8, а также биполярными 9 мембранами.

Электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод согласно схеме на фиг. 1 функционирует следующим образом. На анод 2 и катод 3 электролизера обессоливания 14 подается напряжение от источника тока, под действием создаваемого электрического поля находящиеся в растворенном состоянии в поступающей по тракту обессоливания 16 исходной воды для очистки ионы начинают движение в сторону электродов. Так как камеры обессоливания 4 и камеры концентрирования 5 разделены полупроницаемыми катионообменными 7 и анионообменными 8 мембранами, которые пропускают только ионы определенного знака и не пропускают ионы противоположного знака, то из камер обессоливания 4 ионы обоих знаков беспрепятственно уходят, а камеры концентрирования 5 принимают все ионы из камер обессоливания 4 и не пропускают их наружу. Таким образом осуществляется процесс удаления солей из очищаемого исходного потока, поступающего по тракту обессоливания 16, и перенос их в поток концентрата, который перемещается по тракту концентрирования 17

В процессе работы электролизера обессоливания 14 происходит засорение катионообменных 7 и анионообменных 8 мембран отложениями нерастворимых солей и прочими загрязнениями. Проблема отложения солей жесткости (Ca, Mg) на мембранах особенно актуальна при обессоливании высокоминерализованных вод минеральных источников ввиду высокого солесодержания. Для уменьшения количества отложений и их негативного влияния на процесс обессоливания необходимо контролировать значение водородного показателя pH очищаемого исходного потока. При высоких значениях pH10 происходит активное образование нерастворимых солей жесткости и их отложение на катионообменных 7 и анионообменных 8 мембранах, низкие же значения уровня pH5 препятствуют образованию нерастворимых солей и продлевают ресурс оборудования. Для решения этой проблемы в составе электрохимической установки обессоливания высокоминерализованных вод используется электролизер коррекции pH 15.

В таблице 1 приведен химический состав воды типичного природного минерального источника с общим уровнем минерализации около 8 г/л. Из таблицы 1 видно, что основными химическими элементами, содержащимися в высокоминерализованной воде, являются ионы Na и Cl, которые составляют более 90% всех содержащихся в минеральной воде солей, поэтому при дальнейшем описании работы электролизера коррекции рН 15 содержанием остальных химических элементов можно пренебречь.

Выходной поток обессоленной воды 18, содержащей, например, NaCl, поступает из электролизера обессоливания 14 сразу во все камеры электролизера коррекции pH 15. На анод 2 и катод 3 подается напряжение от источника тока, под действием создаваемого электрического поля находящиеся в растворенном состоянии ионы начинают движение в сторону электродов. В то же время на биполярной мембране 9 происходит разделение молекул воды H₂O на ионы H⁺ и OH^-. Биполярная мембрана 9 сориентирована таким образом, чтобы положительная сторона мембраны была направлена в сторону анода 2, а отрицательная в сторону катода 3. Таким образом в камере щелочного потока 11 образуется высокая концентрация анионов ОН^- с биполярной мембраны 9 и катионов Na⁺, перешедших под действием электрического поля из камеры обессоливания 4 через катионообменную мембрану 7. Аналогичным образом в камере кислого потока 10 образуется высокая концентрация катионов Н⁺ с биполярной мембраны 9 и анионов Cl^-, перешедших под действием электрического поля из камеры обессоливания 4 через анионообменную мембрану 8. Таким образом в электролизере коррекции pH 15 осуществляется процесс разделения выходного потока обессоленной воды 18 на три потока: щелочного 20, кислого 21 и обессоленного 22.

Обессоленный поток 22 выводится с установки для дальнейшего использования. Кислый поток 21 из камеры кислого потока 10 электролизера коррекции pH 15 поступает в тракт концентрирования 17, снижая уровень pH концентрата и предотвращая тем самым отложение нерастворимых солей на катионообменных 7 и анионообменных 8 мембранах электролизера обессоливания 14. Проходя сквозь электролизер обессоливания 14, концентрат насыщается солями, перенесенными из тракта обессоливания 16, настолько, что концентрация солей приближается к пределу концентрации, при котором начинают образовываться твердые отложения, которые портят мембраны и приводят к снижению параметров производительности оборудования. Для предотвращения этого после электролизера обессоливания 14 выходной поток концентрата 19 смешивается с щелочным потоком 20, поступающим из камеры щелочного потока 11 электролизера коррекции pH 15, и уровень pH концентрата повышается, что стимулирует образование нерастворимых солей и приводит к активному осадкообразованию твердых частиц на дно емкости-отстойника 12. Образовавшийся в конусе сбора осадка 13 осадок 23 отфильтровывается и утилизируется как твердый отход, а отфильтрованный обессоленный концентрат возвращается в тракт концентрирования 17, смешивается с кислым потоком 21, понижающим уровень водородного показателя рН до безопасного для образования на мембранах отложений уровня pH5, и цикл работы электрохимической установки обессоливания высокоминерализованных вод повторяется.

Контроль значений рН осуществляется путем периодического отбора проб и измерения уровня кислотности рН-метром с последующей коррекцией, при необходимости, объема дозируемых потоков или регулировкой таких параметров электролизеров 14 и 15, как напряжение и сила тока. Путем изменением указанных параметров регулируется общая концентрация потоков, степень обессоливания и показатели рН кислого 21 и щелочного 20 потоков. Объем дозируемых потоков регулируется с помощью ротаметров или электронных расходомеров на тракте обессоливания 16 и тракте концентрирования 17, приводя к изменению получаемых кислого 21, щелочного 20 и обессоленного 22 потоков. Применение систем автоматической регулировки с непрерывным измерением параметров в исходном и обессоленном 22 потоках и последующим управлением механизированными дозирующими устройствами позволяет повысить стабильность получаемых результатов и уменьшить работу оператора, вплоть до организации полностью автоматизированной работы электрохимической установки обессоливания высокоминерализованных вод. При этом в случае реализации автоматизированного решения следует помнить о необходимости периодического и своевременного контроля и поверки измерительных датчиков, так как при работе в условиях высокого общего солесодержания и наличия в воде больших концентраций солей жесткости возникает эффект обрастания чувствительного элемента датчика солевыми отложениями, что приводит к считыванию некорректных данных. В условиях промышленного исполнения электрохимической установки обессоливания высокоминерализованных вод со стабильными и слабоменяющимися с течением времени параметрами исходной воды, как правило, необходимость в непрерывном регулировании параметров не требуется и достаточно правильной настройки оборудования на этапе пуско-наладки с последующим периодическим контролем получаемых результатов.

Таблица 1

Изобретение относится к области обессоливания воды путем электродиализа в электродиализаторе с ионообменными мембранами и может быть использовано в водоподготовке. Электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод состоит из двух электролизеров: электролизера обессоливания и электролизера коррекции pH, а также из емкости-отстойника для отделения выпадающего осадка. При этом электролизер коррекции pH содержит источник тока, электродные камеры с установленными в них анодом и катодом и чередующиеся между ними катионообменные, анионообменные и биполярные мембраны, разделенные сепарирующими вставками, образующие чередующиеся камеры обессоливания, камеры щелочного потока и камеры кислого потока. Техническим результатом является увеличение ресурса электродиализного устройства, повышение надежности и эксплуатационных характеристик оборудования водоочистки. 1 ил., 1 табл.

Электрохимическая установка обессоливания высокоминерализованных вод, включающая электролизер обессоливания, который содержит источник тока, электродные камеры с установленными в них анодом и катодом и чередующиеся между ними катионообменные и анионообменные мембраны, образующие чередующиеся камеры обессоливания и камеры концентрирования, отличающаяся тем, что дополнительно включает емкость-отстойник для отделения выпадающего осадка и электролизер коррекции pH, который содержит источник тока, электродные камеры с установленными в них анодом и катодом и чередующиеся между ними катионообменные, анионообменные и биполярные мембраны, разделенные сепарирующими вставками, образующие чередующиеся камеры обессоливания, камеры щелочного потока и камеры кислого потока.