1. Аналитический обзор  и патентный поиск

      1.1. Обзор методов  очистки воды на  основе классификации  примесей  
                  по фазово-дисперсному состоянию

      В современных условиях водоочистки  при решении многих технологических  задач крайне необходимо наличие теоретических предпосылок, позволяющих рационально использовать накопленный десятилетиями экспериментальный и практический материал, систематизировать его и рекомендовать обоснованные и обобщенные методы очистки воды.

      Наиболее  общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ являются формы нахождения их в воде. Поэтому в основу принципа группировки примесей положено понятие об их фазовом состоянии в воде, в известной степени характеризуемом дисперсностью веществ и определяющем закономерности, которым подчиняются протекающие в этой среде процессы.

      Исходные  положения этого принципа, позволившего объединить в небольшое число  групп разнообразные по своей  химической и физической характеристике примеси природных, технических  и сточных вод и дать научное обоснование технологическим приемам водообработки, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разово-дисперсное состояние примесей воды с учетом их химических особенностей определяет поведение этих веществ в водной среде и их отношение к вводимым в воду реагентам в процесс водообработки.
2. Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей соответствует характерная совокупность методов воздействия, приводящая к требуемым качественным показателям воды (кондициям) путем изменения этого состояния или без изменения его. На этой основе все многообразие загрязнений природных и промышленных вод можно объединить в четыре группы с общим для каждой набором методов водоочистки, предопределяемым формой нахождения примесей в воде.
3. Способность многих примесей в водной среде изменять свое фазово-дисперсное состояние под влиянием физических и химических факторов (рН, солевого состава, температуры и др.) дает возможность широко варьировать приемы и методы регулирования процессов обработки воды.

      Технология  водоочистки подразделяется на процессы, связанные с корректированием ее физических и химических свойств, и процессы обеззараживания. Однако, несмотря на принципиальное различие задач этих методов обработки, они могут быть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния минеральных, органических и биологических примесей воды.

      Сточные воды цеха ХВП относятся к IV^-й группе примесей, представляющих собой электролиты; техника очистки воды сводится к связыванию подлежащих устранению ионов в малорастворимые и слабодиссоциированные соединения при помощи добавляемых в воду реагентов. При выборе реагентов целесообразно исходить из величин произведения растворимости образующихся соединений. В случае малых их значений полнота очистки возрастает, особенно при избытке иона-осадителя. Присутствие в воде посторонних солей обуславливает увеличение ионной силы раствора. Вследствие чего уменьшаются коэффициенты активности реагирующих ионов и растворимость осадка возрастает.

      Для удаления примесей четвертой группы применяются также ионообменные реакции, которые протекают на поверхности твердой фазы (на ионообменных столах). Такие процессы рационально использовать, когда удаляемые ионы необходимо удержать на нерастворимом в воде материале, заменив их ионами, безвредными для последующего использования воды.

      Освобождение  воды от ионов можно осуществлять ее испарением, переводом в твердую  фазу или добавляем соответствующего несмешивающегося с водой растворителя для образования 2-х фаз, используя  неравномерность распределения  ионов между этими фазами (экстракция). В других случаях целесообразно использовать направленное движение ионов через мембрану в электрическом поле (электродиализ).

      При проектировании водоочистных станций  применение данного принципа классификации  помогает определять главные элементы очистных сооружений, осуществлять их компоновку, а также подбор реагентов и процессов, которые должны в них протекать. Это наиболее сложная часть проектирования, которое дальше может развиваться в направлении уточнения параметров сооружений и режима работы с учетом индивидуальных особенностей и состава примесей природных вод или промышленных стоков.

      При переходе от лабораторных исследований к промышленному освоению следует  учитывать возможные изменения  технических параметров процессов  из-за увеличения масштабов установок.

      Перемешивание жидкости вызывает увеличение коэффициента массопередачи. При внутридиффузионной кинетике процессов, протекающих обычно во внутреннем пространстве пористых тел, влияние перемешивания сказывается  незначительно [1].

      Влияние диффузионных факторов, турбулентности потоков, условий теплоотвода на скорость и характер химических и физико-химических процессов при подготовке хозяйственно-питьевых и технических вод, а также при очистке промышленных сточных вод в настоящее время мало изучено, несмотря на то, что их значение при моделировании технологических процессов достаточно ясно. В этом технология обработки воды отстала от многих отраслей химической технологии [19, 20], и, по-видимому, к данному вопросу должно быть привлечено внимание специалистов, работающих в области водоподготовки.

      1.2. Принципы оптимизации  процесса деминерализации   
                  электродиализом

      Электродиализный  метод деминерализации уже давно  признан как эффективный метод  опреснения соленых вод. Преимущества его перед рядом других методов очевидны. Он не требует изменения агрегатного состояния воды, обычно осуществляется при невысоких температурах и давлении, позволяет широко использовать в конструкциях пластические массы и тем самым избежать коррозии, потребление энергии пропорционально солесодержанию исходной воды.

      Существующие  способы снижения стоимости процесса электродиализа сводятся к нахождению оптимальной плотности тока как  фактора, определяющего все основные затраты.

      Уилсон [21], анализируя затраты на деминерализацию методом электродиализа, указывает, что общая стоимость проектируемого процесса с большой степенью приближения может быть разбита на три части, каждая из которых зависит от рабочей (средней) плотности тока. Первая включает затраты, прямопропорциональные плотности тока, связанные с расходом энергии на собственно деминерализацию, а вторая – обратнопропорциональные плотности тока (пропорциональные стоимости мембран), третья часть включает затраты, не зависящие от величины средней плотности тока, связанные с предварительной и последующей обработкой воды.

      1.3. Типы электродиализаторов,  виды мембран

      К 1975 г. во всем мире (кроме России) работала 101 электродиализная станция; общая  производительность станций составляла 124 тыс. м³/сутки. В настоящее время наиболее крупной установкой является электродиализная станция в Вотертауне (США) мощностью 450 тыс. м³/сутки, которая оснащена 960-камерными электродиализаторами Марк – IV, имеющими поверхность мембран 910 м² и производительность 956 м³/сутки. Мембраны представляют собой плотные практически не фильтрующие пленки, способные пропускать преимущественно ионы одного знака заряда. Поэтому различают котионообменные и анионообменные мембраны. В последнее время появились мембраны селективно проницаемые для однозарядных ионов (либо катионов, либо анионов).

      В зависимости от способа мембраны делятся на галогенные, гетерогенные и интерполимерные.

      Галогенные  мембраны получают так же, как и  ионообменные смолы, реакциями полимеризации  и поликонденсации. Они обладают высокой удельной электропроводностью и числами переноса, близкими к единице.

      Гетерогенные  мембраны изготавливают смешением  тонко измельченного порошка  ионообменной смолы с каким-либо связующим агентом (чаще всего полиэтиленом, полихлорвинилом…). Преимущества: высокая механическая прочность и возможность изготовления их из любой ионообменной смолы. Однако по электропроводности и селективности они значительно уступают гомогенным.

      Интерполимерные мембраны являются промежуточными между 2-я типами предыдущих мембран – обладают хорошими электрохимическими свойства.

      По  характеру режима питания электродиализные установки бывают прямоточные, когда  требуемая степень обессоливания  воды осуществляется за один проход жидкости через аппарат, и циркуляционные, когда вода в процессе обработки проходит через аппарат несколько раз. На практике встречаются установки смешанного типа, например при обессоливании морской воды в малопроизводительных установках.

      По  способу соединения камер в гидравлическую схему электродиализаторы делятся на аппараты с последовательным и параллельным соединением цепи. Последовательное соединение камер благодаря большому пути, преодолеваемому обрабатываемой жидкостью, позволяет лучше обеспечить прямоточную работу электродиализаторов, но вследствии перехода давления в соседних камерах вызывает соединение потоков жидкостей. При параллельном соединении камер гидравлическое давление жидкости распределяется более равномерно [22, 23].

      Электрохимический метод опреснения и обессоливания  воды легко поддается регулированию и автоматизации. Метод рентабелен для получения пресной воды с плотным остатком 500-1000 мг/л из воды с примерным солесодержанием 2-16 г/л [1]. 

 

 

Таблица.

      Расчет  материальных балансов процесса водоподготовки

      Технологические данные для расчета 

      натрий-катионитовых фильтров.

      Количество  солей жесткости подлежащих удалению, определяется из уравнения:

      

,

      Ж₀ – общая жесткость воды, поступающей на Н-катионитные фильтры I ступени (Ж₀=4,2 мг-экв/кг);

      Q_Na - производительность Nа-катионитовых фильтров, Q_Na=24 м³/ч

      

,

      На  натрий-катионитный фильтр второй ступени  поступает вода с остаточной жесткостью после фильтра первой ступени 0,1 мг-экв/кг.

      

.

      Число регенераций каждого фильтра  в сутки определяется по формуле:

      

      где n – число регенераций каждого  фильтра в сутки,

      Н_сл – высота слоя катионита (для первой ступени катионирования – 1,5 м, для второй – 1,5 м),

      а – число работающих фильтров,

      f – площадь фильтрования (для обеих ступеней – 0,78 м²), по таблице 3.2.,

      Е_р – рабочая обменная способность катионита, г-экв/м³.

      По  фактическим данным рабочая обменная способность катионита для фильтра  первой ступени составляет 735 г-экв/м³, по таблице 3.2..

      Рабочая обменная способность катионита  при II ступени катионирования принимается  из таблицы 1.8. [1] – 250 г-экв/м³.

      Зная  выше перечисленные данные, найдем число регенераций каждого фильтра  в сутки:

      - для фильтра первой ступени:

      

      - для фильтра второй ступени:

      

      Расход  воды V_взр, на взрыхление ионита рассчитывается по уравнению

      

      где i =5 л/м²·с – интенсивность взрыхляющей промывки фильтра I и II ступени (таблица 3.2.),

      t_взр = 40 мин – продолжительность взрыхляющей промывки фильтра I и II ступени (таблица 3.2.).