Способ очистки воды Советский патент 1993 года по МПК C02F9/00 B01D61/42 

Изобретение относится к обработке воды и может быть использовано на химводо- очистках предприятий химической, энергетической промышленности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки воды, включающем диализ Доннана, натрий-катионирование, регенерацию натрий-катионитового фильтра, отработанный регенерационный раствор направляют в камеры обессоливания элетк- родиалиэатора отработанного регенераци- онного раствора, концентрат из указанного электродиализатора подают в рассольные камеры диализатора и далее в камеры обессоливания дополнительного диализатора, полученный частично обессоленный раствор направляют в камеры кон центрирования электродиализатора отработанного регенерационного раствора, а концентрат подают в концентратор, процесс ведут при соотношений степеней удаления солей жес- ткости водыТГдиализаторе и на натрий-ка- тионитовом фильтре, определяемом по формуле:

где Д - степень удаления содей в жесткости а диализатной камере;

И - степень удаления солей жесткости на фильтре;

q - удельный расход соли на регенерацию натрий-катионитного фильтра .

Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является то, что соли жесткости из системы выводятся в виде товарного хлор-продукта без выделения твердой фазы и применения реагентов за счет использования электродиализатора разделения солей, режим работы которого обеспечивает преимущественный перенос солей жесткости, по сравнению с солями натрия (аппарат работает при плотностях тока ниже критических на 30 - 90%). Полученный рассол будет содержать соли в соотношении, необходимом для товарного хлор-продукта, однако его концентрация меньше требуемой (на 5 - 10%), поэтому предусмотрен узел концентрирования, в котором может быть использован еще один

ел

ю

00

О

XI

электродиализатор и/nt выпарная установке,

Для достижения поставленной цели должно выполниться следующее соотношение степеней удаления солей жесткости из исходной воды на диализе (Д) и ионном обмене (И):

А-а.1

и - Ч

При соблюдении этого соотношения мз быток ионов натрия поступающий в систему из отработанного регенерационного раствора полностью обменивается на ионы жесткости в диализаторе и не влияет на качество получаемого хлор-продукта.

-

При соотношении продукта

будет происходит накопление ионов натрия в циркулирующем рассоле за счет поступления избытка регенерирующего агента из отработанного регенерационного раствора, который не будет успевать удаляться через диализный аппарат, в результате чего нарушится режим работы электродмализатор з разделения солей и в получаемом хлор-продукте увеличится содержание ионов натрия,

При соотношении т4 q - 1 в систему

буде поступать недостаточное количество ионов натрия для работы диализатора, в результате чего возрастает нагрузка на на- т ий-кзтмонный фильтр, млн упаде; степень удаления солей жесткости на диализаторе, что приведет к изменению соЛотношения

- 1.

В-технике известно умягчение природных вод нзтрий-катионито вымм фильтрами и обработкой ОРР злектродиализом и последующим выделением из рассола элект- родиализатора хлор-продукт упариванием с разделением твердой фазы хлорида натрия и концентрата выпарной установки, представляющего собой товарный хлор-продукт.

(Отчет о НИР Технического филиала ВНИИ ВОДГЕО Разработка технологии переработки сточных вод химводоочисток с целью использования получаемых растворов хлоридов кальция и магния при производстве низкотемпературного цемента, 1982).

Недостатками этого метода являются: низкая степень разделения солей, значительные энергозатраты на выпаривание. В связи со значительным содержанием в рассоле электродиализатора хлорида натрия, требуется упаривание его до концентрации, при которой хлорид натрия выделяется в

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

твердую фазу (до предела растворимости), после чего концентрат выпарной установки содержит соли натрия в количестве, не более 3% от общего сслесодержания, т.е. представляет собой товарный хлор-продукт, Кроме того, требуется довольно сложное оборудование с применением титановых сплавов, позволяющие отделить твердую фазу хлорида натрия от товарного хлорпро- дуктз.

Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с последним, является то, что получение товарного хлор-продуктз происходит непосредственно мз жидкой фазы без изменения агрегатного состояния обрабатываемого раствора, что, в общем, снижает энергозатраты и не требует применения сложного оборудования.

На чертеже представлена предлагаемая технологическая схема установки по очистке воды,

Способ осуществляется следующим образом. Исходная вода поднимается на диализ Доннзна, где происходит обмен ионов жесткости, содержащихся в воде, на ионы натрия из рассольного тракта диализатора (1). Затем частично умягченная пода подается на натрий-катионмтоаый фильтр (2), где происходит окончательное ее умягчение. При зтом .поддерживается соотношение между степенями удаления солей жесткости из воды g диализаторе и на ионообменном

фильтре: j q -1. После исчерпания обменной способности натрий-катионитопого фильтра производится его регенерация раствором хлорида натрия г. зкв/r. эко удаляемой жидкости. После регенерации образуется отработанный регенерацион- ный раствор, содержащий хлориды кальция и магния в количестве, равном обменной емкости катионитз и. хлорид натрия, представляющий собой избыток регенерирующего реагента в количестве q 1. Далее отработанный регенерационный раствор (ОРР) концентрируется в злектродиализато- ре 3, дилюат направляют в голову процесса, з рассол, содержащий практически все соли ОРР, направляется в рассольные камеры диализатора 1, где он достаточно насыщается ионами жесткости из исходной воды, отдавая в нее избыток ионов натрий. После выхода из рассольного тракта диализатора раствор подается в дилюатную камеру 4, где происходит селективное удаление ионов жесткости в рэссольные камеры. Для обеспечения этого камера 4 работает при рабочей плотности тока на 30 - 90% ниже критической. При этом в рассольном тракте образуется рассол, содержащий хлориды

кальция и магния в количестве, равном удаляемому из исходной воды количеству ионов жесткости, и хлорид натрия в количестве 3% об общего солесодержания, концентрацией 20 - 80 г/л (в зависимости от концентрации циркулирующего раствора в Контуре 3-1-4-3. Для получения товарного хлорпродукта рассол из камеры 4 подается для дальнейшего концентрирования в Концентратор из рассольного тракта которого удаляется рассол концентраций не менее 25%, содержащий не более 3% хлорида натрия, Дилюат из камеры 4 подается в рассольный тракт электродиализатора 3 для использования в следующем цикле. П р и м е р .1.

1. Качество умягчаемой воды: Содержание ионов: кальция - 3,2 мг1КВ/Л

магния - 1,3 мг-эк в/л натрия -- 0,5 мг-экв/л

2. Расход воды Q 240 м3/сут 10 м3/ч.

3. Удельный расход соли на регенерацию натрий-катионитового фильтра q 2 f-экв/г-экв удаляемой жесткости.

Принимаем соотношение степеней удаления ионов жесткости на диализе и ионном

Обмене q -1 2 -1 1. Тогда на диализе

удаляется 50% поступающих ионов жесткости, и на натрий-катионитовом фильтре также 50% ионов жесткости,

В избытке в систему поступает:

Жи - ffCa + fMo24. Q (3.2 + 1,3} 240 1080 г-экв/сут.

Жи 45 г-экв/ч(1.1) где Жи - количество солей жесткости, поступающих в систему.

На диализ удаляется 50% от этого коли- чества:

Жд - Д. Жи 0,5 45 22,5 г-экв/ч (1.2)

Считая перенос ионов жесткости и натрия в диализаторе эквивалентным, опреде- ляем количество натрия, удаляемое из циркулирующего раствора в умягчаемую воду в процессе диализа:

0

5

0

5

D

5

0

где Жорр и Naopp - количество солей жесткости натрия, поступающие с ОРР в систему.

Принимаем исходное солесодержание циркулирующего раствора перед элекгро- диализатором 3 Ср° 300 мг-экв/м , отношение Ср°/Жр° 1,04. расход Qu 5 м3/ч. Качество рассола на выходе из камеры 3 при условии полного переноса солей ОРР составит:

Ср1 Ср°(Жорр + МаЯРр)/0 300 + (22,5 -i- +22,5)/5 309 мг-экв/м3(1.7)

ЖР1 ЖР1 + X0pp/Q Cp°/1.04 + 22.5/5 293 мкг-экв/м3(1.8)

Качество циркулирующего раствора по выходе из диализатора, с учетом изложенного выше:

Ср2 Ср1-(Мад + Жл)/а 309мг-эка/м3 (1.9)

Жр2 Жр1 + Жд/Q 293 + 22,5/5 297,5 г-экв/м3(1.10)

Далее рассчитываем рабочую плотность тока по камере 4 по эмпирической формуле:

; ГГЖ„, /1 1СГ1/0-45 /1 1 -П

I - кр (I Na/UbJ(1.1 IJ

где I - рабочая плотность тока мА/см ,

Тмаж - коэффициент селективной проницаемости мембраны, определяется по формуле:

т ж in (Жвх/Жвых)

. TNa 7п(Ыавх/Мавых) кр - критическая плотность тока. Для предотвращения накопления в циркуляционном рассоле солей жесткости и обеспечения требуемого качества хлор-продукта принимаем, что в рассольный тракт камеры 4 переносится все количество ионов жесткости, поступающих в систему, и ионы натрия в количестве 3% от перенесенных ионов жесткости, Тогда формула (1.12) примет вид:

т,, ж iNa -

In (ЖрУЖ - Жи/0)

In (GЈ - Ж|5/0|5 - ЖЦ - 0,ОЗЖ)

Подставляя значение Таж в формулу (1.11), получим:

Сущность изобретения: получают очищенную воду. Исходный раствор на диализ, натрий-катионирование с получением чистой воды. Отработанный регенерационный раствор подают в камеры обессоливания электродиализатора. Концентрат из него подают в рассольные камеры диализатора, а затем в камеры обессоливания дополнительного электродиализаторз. Полученный концентрат подают в концентратор для получения соли. 1 табл.

№д Жд 22,5 г-экв/ч(1.3) Натрий-катионированием удаляется: Жао. И Жи 0,5 45 22,5 г-экв/ч(1.4)

При дальнейшем расходе соли на регенерацию q 2 г-зкв/г-экв удаляемой жест- кости качество ОРР, приведенное к числовому расходу составит:

Жорр Жи.о 22,5 г-экв/ч (1.5) Na0pp; q Жи.о-Жи.о.- 22.5 г-экв/ч, (1.6)

1 0,7 кр 1кр определяем по формуле:

v -F-Cox ,1

-1

,(1.13)

где уэ - эквивалентная скорость в камерах электродиализатора.

. Для аппарата ЭХО 5000 х 2000 v3 1,127;

v - скорость в камерах ЭДУ, м/ч;

F - постоянная Фарздея 26,8 А ч/г-экв;

k nn - эмпирические коэффициенты, зависящие от природы электролита иде- поляризационных свойств сепаратора-тур- булизатора; для рассматриваемых условий kr- 348, п - 0,5.

При скорости v 360 м/ч 1кр составит:

,кр -------- ---

13,1 мА/см2 Тогда: р 0.7 13,1 Ю.ОмА/см

Концентрация рассола з камере 4 при работе в режиме электросорбции опреде- по формуле (Письменский В.Ф. и др, Предельное концентрированна растворов электролитов в системах монообменных мембран МК-40 и МА-40, Черкассы, 1980):

СР

3 + CP2 (1.014)

где А 50 и п 0,4 при К I 20 мА/см2 А 130 и п 0,15 при 20 120мА/см2

Для нашего случая Ср3 - 127,8 г/л 12,8%.

По нормам требуется концентрация товарного хлор-продукта более 25%, поэтому производим дальнейшее концентрирова- ние в камере плотности тока i кр. По формулам (1.13) и (1,14) получаем: 1крИ - 49,3 мА/см ; г/л 36,1%

Таким образом, в рассольном тракте камеры 5 получен товарный хлор-продукт.

При соблюдении вышеуказанных условий качество циркулирующего раствора на выходе из дилюатного тракта камеры 4 составит:

Ср8 - Ср2 - Жя2 - О.ОЗЖр2 - 300 г-экв/м3

Жр

СР2 - Жд2 - 289 г-зкв/м3

Сра/Жра

1,04

что соответствует принятому вначале расчета качеству циркуляционного раствора, то есть в системе не происходит накопление солей и циркулирующий раствор выступает в качестве переносчика хлор-продукта.

Для оценки степени разделения солей жесткости и натрия в предлагаемом способе и в прототипе принята формула:

в МарУЖр

№Р;ЫХ/ЖР-НХ

где NaPBX- количество ионов натрия, поступающих в схему в составе ОРР;

Жрвх - количество солей жесткости, поступающих в схему в составе ОРР;

Жрвых - количество солей жесткости,

удаляемое в жидкой фазе из схемы (для

предлагаемого способа - в хлор-продукте,

для прототипа - по выходе из рассольного

тракта диализатора);

Nap8blx - количество ионов натрия, удаляемое в жидкой фазе из схемы.

В рассматриваемом случае/3 16.7.

Примеры 2 и 3 рассчитаны для соотношений 0,43 и 2,3 соответственно

для условий и по методике примера Т, Результаты расчета примеров и данные прототипа представлены в таблице. 5 Пример 4 рассчитан для соотношения

Ј| 1 при использовании в качестве концентратора выпарной установки, условия и методика расчета аналогичны примеру 1.

0 Однако 1кр1г/ и Срм не определялись в связи с отсутствием электродиализатора - концентратора. Режим упариванмя определялся достижением упариваемым рассолом нормативной концентрации 25%. после че5 го товарный хлор-продукт направляется по- , требителю. Расчеты представлены в таблице.

При анализе видно, что в примере 2, при

п м 3, солесодержание циркулирующего

раствора на вы-ходе из камеры 4 увеличивалось по сравнению со значением,принятым а начале расчета, однако жесткость осталась на прежнем уровне. Это показывает,

5 что в системе происходит накопление солей натрия. Это со временем приведет к ухудшению качества хлор-продукта и соот- ветственно продувке циркуляционного тракта, т.е. система перестанет быть бес0 сточной.

В примере 3 солесодержание циркулирующего раствора, наоборот, понизилось в . результате удаления из системы солей натрия, это снижение вспоследствии обусло5 вит снижение степени удаления солей жесткости на диализе и система приводит к

Д соотношению fr 1.

8 примере 4 практически все парамет- 0 ры работы установки идентичны примеру 1 и поэтому можно сделать вывод, что стадия концентрирования не оказывает какого-либо влияния на технологический процесс и, следовательно, в качестве концентратора 5 может быть применен практически любой из известных методов концентрирования.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с известным (прототипом) позволяет повысить степень разделения солей в жидкой фазе, исключить применение/гаких дефицитных реагентов, как сода и известь, предотвратить загрязнение окру- жающей среды, избежать образования твердой фазы осадка, обработка и утилизация которой вызывает значительное загрязнения, максимально эффективно использовать все количество реагента, идущего на регенерацию натрий-хатионитовс- го фильтра, получить товарный хлор-продукт, являющийся сырьем для производства цемента по низкотемпературной технологии,

Формула изобретения Способ очистки воды, включающий диализ, натрий-кэтионирование, регенерацию натрий-яатконитоваго фильтра, злектроди- ализ отработанного регенерационного рас- гаорз, отличающийся тем, что отработанный регенерационный раствор подают а камеры обессолиоэния электродиализатора отработанного регенерационного раствора., концентрат из указанного

1 ЙУ - 1 72 s J Ц

-ГО/- у J у 2

22,5 22,5 22,5 303 293303 297,5

2 0,313,5 13,5

31,5 31.,5. 31,5 312,629,8 312,6 297,5

3 ,3 31,5 31,5

13,5 13,5. 13,5 305,291,2 305, 297,5

k 22,5 22,5

22,5 22,5 22,5 30,9 233309 297,5

Прото- ,43тип

0

злектродиализатора подают в рассольные камеру диализатора и далее Б камеры сбес- соливания дополнительного электродизли- затора, полученный обессоленный раствор направляют в камеры концентрированна электродиализатора, отработанного реге- мерзциокного рястоора, а полученный концентрат подают в концентратор, процесс ведут при соотношении степеней удаления солей жесткости воды в диализаторе но на- трий-катионирование, определяемом по формуле

15

Д. и

Q-1.

где Д - степень удаления солей жесткости в камерах обессоливания диализатора, %:

И - степень удаления солей жесткости на натрий-катионировании, %;

q - удельный расход соли на регенерацию натрий-катионитового фильтрата, мг- экв/мг-экв.

1 1,3 0,7 13,1 Ю,0 127,8 49,3 361 300 289 16,7 О

1,7 0,4 13,2.5,7 100,438,7325,3303,3289 16,7 0,09

3 1,08 1 12,9 12,9 210 81 461 296 289 16,7. О

4 1,3 0,7 13,1 10,0 127,

Про то- - тип

PffCCM.

Хлорпродукты

Продолжение таблицы

2,5 0,18

Z.

Умягчемая

Soffa

OSeccoленная

Зава

ffCCM.

Ш-,