СПОСОБ ГЛУБОКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2025 года по МПК C02F1/42 C02F1/44 C02F1/20 

Изобретение относится к обессоливанию воды и может быть использовано в теплоэнергетике, электронике, фармацевтике, химической и других отраслях промышленности.

Известны способы обессоливания воды обратным осмосом, дистилляцией, электролизом и ионным обменом, в результате чего получают воду с удельным электрическим сопротивлением до 0,2 МОм × см [1]. В технологии получения глубоко обессоленной воды с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм × см (при 20°С) присутствуют две стадии: стадия предварительного обессоливания любым из вышеуказанных способов и стадия дополнительного глубокого обессоливания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому является способ глубокого обессоливания исходной воды, включающий предварительное обессоливание исходной воды обратным осмосом с декарбонизацией пермеата и последующее глубокое обессоливание, которое проводят путем последовательного пропускания воды через ОН-анионитный фильтр с сильноосновным анионитом и Н-катионитный фильтр с сильнокислотным катионитом [2].

Данный способ позволяет получить глубоко обессоленную воду с удельным электрическим сопротивлением до 18 МОм × см (при 20°С), но имеет недостаток - высокую себестоимость глубоко обессоленной воды из-за наличия стадии декарбонизации.

Целью изобретения является уменьшение себестоимости получения глубоко обессоленной воды за счет снижения капитальных и эксплуатационных затрат при получении воды того же качества.

Поставленная цель достигается тем, что на линию пермеата обратного осмоса накладывают вакуум величиной 0,15÷0,85 бар.

В известном способе пермеат, как правило, имеет низкое значение рН=4,5÷6. Это приводит к значительному расходу реагентов на стадии глубокого обессоливания при регенерации анионообменного фильтра раствором щелочи. Причина заключается в высокой концентрации свободной угольной кислоты и бикарбонатов в пермеате после стадии обратного осмоса. При прохождении предварительно обессоленной воды через анионообменный фильтр ее рН повышается за счет обмена анионов на гидроксильные группы OH^- Свободная угольная кислота по мере движения через слои смолы превращается в бикарбонаты и, частично, в карбонаты. На задержание последних расходуется значительная часть емкости анионообменной смолы, что приводит к перерасходу раствора щелочи при регенерации.

На практике проблему удаления свободной угольной кислоты обычно осуществляют в декарбонизаторах, который представляет собой колонный аппарат, заполненный насадкой. Как правило, это кольца Рашига. Сверху в режиме орошения подается пермеат, обогащенный СО₂, снизу с помощью воздуходувки подается воздух. Таким образом, удается снизить концентрацию СО₂ в пермеате до 3÷5 мг/л. В последнее время получили распространение т.н. мембранные декарбонизаторы, где удаление углекислого газа происходит через специальные мембраны. Оба способа достаточно дороги, что приводит к увеличению себестоимости получения глубоко обессоленной воды.

Указанного недостатка может быть лишен способ получения глубоко обессоленной воды, когда удаление углекислого газа происходит путем наложения вакуума на линию пермеата обратного осмоса. На фиг. 1 показана конструкция рулонного мембранного осмотического элемента, являющегося наиболее распространенным в практике обратного осмоса. Рулонный элемент состоит из пакета мембран 1, внутри которого расположено дренажное полотно 2, способное выдерживать высокие давления (до 70 бар), при которых происходит обессоливание воды. Между пакетами мембран находится турбулентная сетка 3, по которой движется исходная вода 4 с одной стороны и выходит концентрат 5 с другой. Дренажное полотно имеет выход к перфорированной дренажной трубке 6, по которой пермеат 7 выходит из рулонного элемента. Для наиболее распространенных элементов диаметром 4 и 8 дюймов длина дренажного полотна составляет 1 м. Общая площадь дренажного полотна для рулонного элемента диаметром 8 дюймов и длиной 40 дюймов составляет до 25 м². Производительность по пермеату такого элемента составляет около 1 м³/час. При такой же производительности насадочные колонны тоже имеют близкую площадь. При наложении вакуума на линию пермеата в дренажном полотне возникает масса микропузырьков углекислого газа и воздуха. Это связано с понижением растворимости углекислого газа и воздуха при понижении давления. Кроме того, в силу достаточно большого сопротивления при движении пермеата по дренажному полотну (до 0,2 бар) возникает разрыв потока (кавитация). Микропузырьки объединяются в более крупные и в виде газо-водяной смеси выходят по перфорированной центральной трубке в сепаратор, где происходит отделение газа от пермеата. Таким образом, из пермеата может быть удален углекислый газ до концентрации 1 мг/л, что даже ниже, чем в отдувочной колонне, где достигается концентрация до 3 мг/л, что связано с достижением равновесия СО₂ в системе вода - воздух при атмосферном давлении.

При увеличении вакуума возрастает удаление СО₂ из пермеата, но одновременно увеличивается мощность вакуумного насоса для его создания. Экспериментально установлено, что максимальное значение вакуума составляет 0,85 бар.

При уменьшении вакуума понижается мощность вакуумного насоса, но также удаляется углекислый газ, поскольку увеличивается его растворимость в пермеате. Кроме того, чтобы выделение микропузырьков происходило по всей площади дренажного полотна, вакуум должен превышать сопротивление движения пермеата по полотну, которое при длине 1 м и расходе 1 м³/час составляет 0,15 бар. Экспериментально установлено, что минимальное значение вакуума в линии пермеата составляет 0,15 бар.

На фиг. 2 представлены схемы, отражающие известный и предлагаемый способы получения глубоко обессоленной воды, где:

8 - обратноосмотический фильтр;

9 - отдувочная колонна;

10 - анионитный фильтр со смолой в OH^--форме;

11 - катионитный фильтр со смолой в Н⁺-форме;

12 - сепаратор;

13 - вакуумный насос.

По известному способу исходная вода с показателями: жесткость 4 мг-экв/л, щелочность 8,2 мг-экв/л, электропроводность 240 мкСм/см подается на установку глубокого обессоливания производительностью 10 м³/час, в которой предварительное обессоливание проводится на обратноосмотическом фильтре 8. Пермеат после обратного осмоса имеет состав: жесткость 0,18 мг-экв/л, щелочность 0,45 мг-экв/л, электропроводность 10 мкСм/см. В пермеате после обратного осмоса в силу особенностей его получения часть щелочности переходит в свободную угольную кислоту. При исходной щелочности 8,2 мг-экв/л содержание СО₂ в пермеате составит 61 мг/л. Поэтому в известном способе пермеат подается в декарбонизатор 9 - отдувочную колонну с насадкой из колец Рашига. После декарбонизатора содержание СО₂ в пермеате уменьшается до 3 мг/л. Далее предварительно обессоленная вода поступает на стадию глубокого обессоливания, состоящую из анионообменного фильтра в ОН-форме 10 и катионитного фильтра в Н-форме 11.

По предлагаемому способу удаление углекислого газа из пермеата происходит в дренажном канале обратноосмотического фильтра путем наложения вакуума 0,15÷0,85 бар на линию пермеата. Разделение воды и газа происходит в сепараторе 12. Разрежение в дренажном канале создается вакуумным насосом 13. Содержание СО₂ после стадии предварительного обессоливания уменьшается до 1 мг/л. Далее пермеат подается по аналогии с известным способом на стадию дополнительного глубокого обессоливания.

Удельное электрическое сопротивление глубоко обессоленной воды по известному и предлагаемому способам 18 МОм × см (при 20°С).

Результаты опытов по расходу реагентов, капитальным затратам в технологии получения глубоко обессоленной воды по известному и предлагаемому способам представлены в таблице 1.

Таким образом, предлагаемый метод позволяет уменьшить на 22% расход реагентов на регенерацию смол и в 2,2 раза капитальные затраты на узел декарбонизации.

Список литературы

1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: Издательство МГУ, 1996, с. 540-571.

2. Поворов А.А., Корнилова Н.В., Платонов К.Н. Технология получения глубоко обессоленной воды на основе ионного обмена без использования фильтров со смолой смешанного действия. Журнал Водоочистка, №2, 2019 - прототип.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

1 - пакет мембран;

2 - дренажное полотно;

3 - сетка-турбулизатор;

4 - поток исходной воды;

5 - выход концентрата;

6 - перфорированная труба;

7 - выход пермеата;

8 - обратноосмотический фильтр;

9 - отдувочная колонна (декарбонизатор);

10 - анионитный фильтр с сильноосновной смолой в OH^--форме;

11 - катионитный фильтр с сильнокислотной смолой в Н⁺-форме;

12 - разделитель воды и газа (сепаратор);

13 - вакуумный насос.

Изобретение относится к технологии получения глубоко обессоленной воды и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Способ включает предварительное обессоливание методом обратного осмоса с получением концентрата и пермеата, декарбонизацию и глубокое обессоливание на ОН-анионитном фильтре с сильноосновным анионитом и Н-катионитном фильтре с сильнокислотным катионитом. Декарбонизацию проводят на стадии предварительного обессоливания в дренажном канале обратноосмотического рулонного элемента с приложением вакуума величиной 0,15÷0,85 бар на линию пермеата. Затем осуществляют отделение газа от пермеата в сепараторе. Технический результат: снижение расхода реагентов на регенерацию смол на стадии глубокого обессоливания путем удаления углекислого газа из воды после стадии предварительного обессоливания. 2 ил., 1 табл.

Способ глубокого обессоливания воды, включающий предварительное обессоливание методом обратного осмоса с получением концентрата и пермеата, декарбонизацию и глубокое обессоливание на ОН-анионитном фильтре с сильноосновным анионитом и Н-катионитном фильтре с сильнокислотным катионитом, отличающийся тем, что декарбонизацию проводят на стадии предварительного обессоливания в дренажном канале обратноосмотического рулонного элемента с приложением вакуума величиной 0,15÷0,85 бар на линию пермеата, затем осуществляют отделение газа от пермеата в сепараторе.