Материалы III научно-практической конференции «Современные технологии водоподготовки и защиты оборудования от коррозии и накипеобразования» (стр. 12 )

Главное преимущество программы состоит в возможности проведения оптимизации при выборе наиболее эффективных для заданного случая типа и марки мембран, соответствующих высокому качеству очищенной воды, минимальным значениям эксплуатационных затрат, расхода электроэнергии, величины сброса концентрата (рис. 8, 9).

Традиционно считается, что главным недостатком мембранной технологии является высокий расход воды на собственные нужды (от 35 до 50% расхода фильтрата). Разработанная программа по прогнозированию состава фильтрата нанофильтрационных установок позволяет определить концентрации различных загрязнений в фильтрате в зависимости от соотношения расхода фильтрата и концентрата (рис. 8, а).

Максимальная степень концентрирования воды в установке (минимальный расход сбросного расхода концентрата) определяется предельно допустимым солесодержанием, которое в городских зданиях, в соответствии с правилами приема воды в канализацию, составляет 1000 мг/л. На рис. 8, б приведены зависимости общего солесодержания концентрата мембранных установок от величины выхода фильтрата (кратности объемного концентрирования воды в установке). Чем ниже паспортное значение селективности мембран по солям, тем большей степени объемного концентрирования (величины выхода фильтрата) можно добиться.

Чем ниже селективность мембран (рис. 8, а), тем хуже качество очищенной воды по заданному типу загрязнений (тем меньше будет величина выхода по фильтрату, соответствующая «проскоку» загрязнения – превышению его концентрации значения, определяемого требованиями СанПиН). Рисунки 8 и 9 иллюстрируют подбор оптимальных параметров работы установки (типа мембран, стоимости установки, величины выхода фильтрата) на примере снижения перманганатной окисляемости водопроводной воды.

Как видно из рис. 8, а, мембраны NE 70 позволяют сконцентрировать исходную воду всего в 4–5 раз (выход фильтрата 75–80%) без ущерба качеству очищенной воды по окисляемости. Однако по содержанию солей в концентрате (рис. 8, б) кратность концентрирования исходной воды может быть доведена до значения 14–16, и наоборот, для низконапорных обратноосмотических мембран качество фильтрата остается высоким при любых значениях выхода фильтрата, а максимальная кратность концентрирования исходной воды составляет не более 5.

Для достижения минимальной величины выхода фильтрата при высоком качестве очищенной воды можно часть фильтрата, получаемого при концентрировании воды мембранами NE 70, направлять на вход в установку, смешивая его с исходной водой. Данная мера повышает стоимость установки (требуются дополнительные мембраны), но позволяет добиться экономии исходной воды и сбросного потока концентрата (рис. 9, а). В условиях, когда потребители платят за каждый кубометр исходной воды и за сбрасываемую в канализацию воду, такой способ позволяет сократить общие расходы на очистку воды. На рис. 9 приведены примеры определения эксплуатационных расходов (стоимость водопроводной воды, замена мембран, затраты на электроэнергию) для разных типов мембран.

Как показывают результаты расчетов, применение мембран с низкой селективностью позволяет довести выход фильтрата до 96%, что в условиях высокой платы за воду делает системы нанофильтрации экономичными в отношении расходов на собственные нужды. Себестоимость очистки снижается с увеличением выхода фильтрата, что достигается использованием низкоселективных мембран (рис. 9, б), при этом ухудшается качество фильтрата. Выбор оптимального типа мембран определяется соображениями себестоимости, уровня загрязненности исходной воды и глубины ее очистки.

Рис. 9. Определение оптимальных параметров себестоимости очистки

a – себестоимость в зависимости от величины выхода фильтрата; 1 – BLN; 2 – NE 90; 3 – NE 70;
б – влияние качества воды на величину выхода фильтрата; 1 – себестоимость; 2 – качество фильтрата; ○ – NE 70; Δ – NE 90; □ – BLN

Описанные технологии применяются при разработке систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) в комбинации систем нанофильтрации с системами обратного осмоса.

Литература

1. Pervov A. Scale formation prognosis and Cleaning Procedure Schedules in RO systems operation // Desalination. 1991. V. 83.

2. Pervov A. G., Rudakova G. Y. Development of new phosphonic acid-based scale inhibitors and evaluation of their performance in RO applications: Mineral scale formation and inhibition. – New York and London, Plenum Press, 1995.

3. , Попов состава выпускаемых промышленностью фосфонатов // Химическая промышленность. 1998. № 12.

4. Первов и сервис систем водоподготовки с применением мембран // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 5.

5. , , Жабин комбинированных систем обратного осмоса и ионного обмена для подготовки питательной воды паровых котлов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 5.

6. , , Спицов для технологического расчета систем нанофильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 11.

ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ КРЕМНИЯ. ПРОБЛЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ.

В., , к. т.н., ООО "Экодар-Л", Москва

Кремний является одним из элементов, играющих в организме роль строительного пластического материала, более того, он относится к классу незаменимых (так называемых эсещиальных) микроэлементов [ 1, 2 ]. Кремний является катализатором усвоения всех минеральных элементов организмом, обеспечивает передачу сигналов по нервным волокнам, улучшает обмен веществ. Мышечная ткань человека содержит 0,01-0,02% кремния, костная ткань — 0,0017%, кровь — 3,9 мг/л. При употреблении воды, содержащей 9 – 11 мг/л (по SiO2) в присутствии алюминия с концентрацией вблизи ПДК (0,5 мг/л) у населения снижается число заболеваний болезнью Альцгеймера.

К отрицательному воздействию кремния на организм человека можно отнести увеличение вероятности онкологических заболеваний. Кроме того, при регулярном употреблении питьевой воды, имеющей содержание кремния более 10 мг/л и, одновременно, высокую жесткость отмечены случаи возникновения ишемической болезни сердца [1, 3 ].

С пищей и водой в организм человека ежедневно поступает до 1 грамма кремния. При этом, в отличие от ряда других микроэлементов, усвояемость кремния человеком из воды значительно выше, чем из пищи. Предельно допустимое содержание кремния в питьевой воде первой и высшей категории качества имеет верхнее ограничение по критерию безвредности химического состава [ 4 ] - не более 10 мг/л. Но, с учетом вышеизложенного, в настоящее время рассматривается вопрос о переводе этого элемента в группу, отражающую физиологическую полноценность питьевой воды с установлением не только максимального, но и минимально допустимого содержания кремния.

Кроме отрицательного воздействия на организм человека, воду с высоким содержанием кремния нельзя использовать в энергетике, ряде производств химической и фармацевтической промышленности, при переработке цветных металлов [ 5 ]. Присутствие кремния отрицательно сказывается на разведении морских аквариумных рыб [ 6 ]. Наибольший ущерб для различных производств заключается в образовании трудноудаляемой силикатной накипи с низким коэффициентом теплопроводности [ 5 ]. Силикатные накипи сложны по своему составу (CaSiO3, 5CaO·5SiO2·H2O, 3MgO·2SiO2·H2O, Na2O·Fe2O3·SiO2 и др.), разнообразны по структуре и могут образовывать как плотные, так и пористые и комковые отложения. Кроме того, присутствие кремния в воде осложняет процесс удаления железа [ 7 ]. Гидратированный оксид кремния (кремневая кислота) может взаимодействовать с катионами железа со степенью окисления +3 при полном отсутствии взаимодействия с Fe2+. В результате такого взаимодействия появляются устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются фильтрованием или другими традиционными методами очистки воды. Другим негативным следствием присутствия в воде коллоидного кремния является блокирование активных центров двуокиси марганца на каталитических загрузочных материалах, предназначенных для обезжелезивания воды. Помимо снижения эффективности удаления железа, при взаимодействии аниона кремневой кислоты с поверхностным слоем катализатора происходит образование легко смываемого коллоидного продукта. При этом происходит разрушение катализатора и попадание в очищаемую воду избыточных количеств соединений марганца.

В природной воде, за редким исключением, содержание кремния составляет от1 до 30 мг/л. Основной источник поступления кремния в воду артезианских скважин – кислотный гидролиз алюмосиликатов, а в поверхностных водах дополнительно соединения кремния появляются из-за разложения биомассы наземных и водных растительных организмов [ 7 ]. Превышения ПДК по кремнию чаще всего встречаются в терригенных отложениях гумидной зоны. Наиболее характерно это для поверхностных источников северного региона и подземных гидрокарбонатно-натриевых вод с высоким содержанием органических веществ. Наиболее часто такие подземные воды встречаются на Урале, в Западной Сибири, Амурской области, Хабаровском и Приморском краях [ 8 ]. При рН ниже 8 кремний присутствует главным образом в амфотерной форме кремниевой кислоты (H4SiO4 или Si(OH)4). При низких рН кремниевая кислота может полимеризоваться, образуя коллоиды (т. наз. «коллоидный кремний»). При уровне водородного показателя более 8 кремневая кислота начинает диссоциировать в анион силиката (SiO32-), при дальнейшем увеличении рН силикаты могут выпадать в осадок в виде солей кальция, магния, железа или алюминия.

Удаление кремния из воды осуществляется рядом способов: осаждением известью, сорбцией гидроксидами железа и алюминия, оксидом и гидроксидом магния, фильтрованием через магнезиальные сорбенты и электрокоагулированием [ 5 ], ионным обменом [ 9 ], обратным осмосом и нанофильтрацией [ 10], ультрафильтрацией [ 11 ], электродеионизацией.