Раздел 1. Водоподготовка при производстве свекловичных растительных волокон, МКЦ, НКЦ
Тема 1.1 Водоподготовка – технологический многоступенчатый процесс.
Лекция №2.
«Технологии водоподготовки технологических вод производства РВ, МКЦ, НКЦ. Выбор технологической схемы водоподготовки обеспечивающей нормативные требования вод»
Качество производимой продукции напрямую зависит:
1) от используемых технологических вод в производстве РВ, МКЦ, НКЦ.
2) От качества исходных вод используемых в технологии водоподготовки.
Получить умягченную воду можно несколькими способами, в том числе реагентной технологией, ионообменной, мембранной технологией. На практике используют сочетание нескольких технологий в одной технологической схеме получения (доведения) вод с заданными показателями.
I. Реагентное умягчение воды
Соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в воду некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Ca++ и Mg++. Такой процесс называется реагентным умягчением воды. Одним из видов реагентного умягчения является известкование.
При известковании в воду добавляют гашеную известь Ca(OH)2 до pH = 10,5. в результате протекают следующие реакции:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O.
Данный способ используется когда щелочность меньше жесткости. При известковании удаляются и соли железа, образуя гидрат железа – Fe(OH)3, алюминий образует Al(OH)3, которые выступают как коагулянты, образующие шлам. Для производственного известкования используются осветлители – ВТИ. Температура оптимального процесса известкования +39 + 1 oC. В осветлителе происходит образование хлопьев шлама, который осаждается и перекачивается в шлакоприёмник. Из шлакоприёмника шлам вводится как удобрение на кислые почвы. Очищенная умягчённая вода с верхнего уровня осветлителя подается на механические фильтры заполненные фильтрующими материалами в виде песка, и гидроантрацита, сульфоугля и др. фильтрующими материалами.
После механических фильтров, частично умягченная вода поступает на ионообменные фильтры.
II. Ионообменный способ глубокого умягчения технологической воды.
В качестве ионообменного материала используются катионо-обменные смолы, имеющие высокую ионообменную ёмкость.
Для получения глубокоумягченной воды с жесткостью < 10, используемую в производстве РВ, МКЦ, НКЦ используются двухступенчатые технологические схемы умягчения. При одноступенчатой схеме жесткость уменьшается до 0,05 – 0,1 мг-экв/л (50 – 100 мкг-экв/л). При двухступенчатой схеме умягчения воды, можно получить воду с остаточной общей жесткостью < 10 мкг-экв/л.
Установки непрерывного действия в течении 24-х часов, работают непрерывно и перерыв в подаче воды на них не допускается.
Принцип работы осуществляется методом натрий-китионирования при фильтровании исходной воды через слой ионообменной смолы в Na+-форме. В результате вода обогащается ионами Na+, а удаляются ионы Ca++ и Mg++. В результате ионообмена в воде протекают следующие реакции:
Ca++ + RNa = 2Na + RCa;
Mg++ + RNa = 2Na + RMg.
При регенерации (восстановлении работы фильтров) раствором соли – NaCl, в качестве R (радикала) выступает Cl- и тогда реакции восстановления выглядят следующим образом:
2Na + CaCl2 = Ca++ + 2NaCl;
2Na + MgCl2 = Mg++ + 2NaCl.
Удаляемые в ходе регенерации катионы жесткости (Ca++ и Mg++) поступают в виде стоков на ЛОС (локальные очистные сооружения).
Температура обрабатываемой воды зависит от качества ионообменных смол. В основном температурный интервал находится в пределах +5 oC до +35 oC.
III. Мембранный способ умягчения.
Мембранный способ умягчения относится к передовым технологиям. Одним из наиболее эффективных на сегодняшний день считается нанофильтрация.
Нанофильтрация.
Нанофильтрация — это процесс фильтрации воды через полупроницаемую ультратонкую мембрану, которая задерживает соли жесткости на молекулярном уровне. В основе метода умягчения воды нанофильтрацией лежат процессы, в результате которых вода разделяется на две неравные части, одна из которых представляет собой умягченную воду без примесей Ca++ и Mg++, а вторая — концентрированный солевой рассол. Для нанофильтрации воды в системах водоочистки используются специальные установки, в которых основным функциональными элементами являются полупроницаемая мембрана и насос.
Принцип работы установки для нанофильтрации воды .
В основе процесса умягчения воды методом нанофильтрации, в отличии от очистки воды с применением сильнокислотного катионита, лежит физический процесс фильтрации.
При нанофильтрации воды через полупроницаемую мембрану используется давление, которое позволяет отделять растворенные вещества (соли жесткости) от чистой воды. В результате приложения давления молекулы воды продавливаются сквозь полупроницаемую мембрану, в то время как более крупные молекулы веществ с отличными от молекул воды свойствами остаются с обратной стороны мембраны.
Механизмом переноса молекул воды чрез полупроницаемую мембрану при нанофильтрации является активированная диффузия — процесс, при котором два смежных вещества под воздействием давления соединяются на молекулярном уровне, в результате при нанофильтрации молекулы воды проходят сквозь мембрану и отделяются от нее с обратной стороны.
Селективность полупроницаемых мембран, используемых для нанофильтрации воды, обуславливается особенностями их строения и составом, таким образом, полупроницаемые мембраны для нанофильтрации воды пропускают только молекулы воды, некоторые органические молекулы, сходные по своим свойствам с молекулой воды, и некоторые одновалентные ионы. Прошедшая нанофильтрацию вода может содержать некоторое количество растворенных веществ, вроде натрия или хлора.
В основном метод очистки воды нанофильтрацией применяется для умягчения.
Установки для нанофильтрации воды, используемые в системах умягчения, представляют собой достаточно сложные системы, основными функциональными элементами которых является селективная мембрана и насос, подающий воду в корпус фильтра для нанофильтрации воды. Эти два блока фильтров для нанофильтрации выполняют основную часть работы, позволяя на выходе получить умягченную воду.
Селективная мембрана установки для нанофильтрации воды представляет собой тонкую композитную пленку, состоящую из двух слоев. Первый слой мембраны для нанофильтрации представляет собой тонкий слой сплошного материала, который и участвует в активированной диффузии. Второй слой или подложка мембраны для нанофильтрации воды представляет собой более грубый пористый материал, который служит для укрепления активного слоя мембраны для нанофильтрации. Вода проходит через поры подложки мембраны для нанофильтрации.
Как и любой другой сложный фильтр для очистки воды, установки для нанофильтрации нуждаются в постоянном уходе и регулярном обслуживании. Причина этого кроется в засорении мембраны для нанофильтрации: во время активированной диффузии вода проходит сквозь мембрану, в то время как молекулы растворенных загрязнителей остаются на ее поверхности, препятствуя контакту воды с поверхностью мембраны для нанофильтрации. Засоренная мембрана поначалу играет роль двойного фильтра: через слой налипших частиц загрязнителя проходит только вода, однако с полным засорением мембраны возникает необходимость увеличения давления для нормальной диффузии воды сквозь мембрану для нанофильтрации, постоянное увеличение давление же способно привести к механическим повреждениям мембраны и выходу установки для нанофильтрации воды из строя.
Для предотвращения потери работоспособности установкой для нанофильтрации воды необходимо периодически промывать мембрану. Для промывки мембраны используется чистая вода, которая смывает слой частиц загрязнителя с поверхности мембраны для нанофильтрации воды и выводит их через отверстие для слива солевого раствора, расположенного в первом блоке корпуса установки для нанофильтрации воды .
При нанофильтрации воды обязательным является соблюдение всех правил эксплуатации установки. Мембрана, является основным функциональным элементом установки для нанофильтрации, отличается высокой чувствительностью к любым воздействиям внешней среды.
Недопустимы перепады давления, в системе, так как перепады давления в системе неизбежно приведут к механическому разрыву мембраны.
Недопустима подача воды не прошедшая предварительную механическую фильтрацию.
Механически повредить тонкий слой композитной мембраны для нанофильтрации могут также крупные частицы нерастворимых загрязнителей. Частицы ржавчины, песка или глины нанесут непоправимые повреждения мембране для нанофильтрации воды, что приведет к необходимости ремонта установки для нанофильтрации.
Для предотвращения механических и химических повреждений, вызываемых загрязнителями воды, рекомендуется перед установкой для нанофильтрации воды устанавливать сорбционные фильтры, которые эффективно удаляют из воды любые загрязнители, включая нерастворимые загрязнители и химически опасные для мембраны нанофильтрации элементы.
Мембраны для нанофильтрации чувствительны к действию некоторых химических веществ. К таким веществам, например, относится хлор, который при контакте с мембраной для нанофильтрации разъедает ее тонкий слой, что приводит к необходимости замены мембраны в связи с потерей работоспособности.
Технологии получения осмотической воды методом обратного осмоса
Данная технология относится к мембранному типу технологий обессоливания исходной воды.
В основном при использовании этой технологии удаляются катионы (K+, Na+) и анионы (Cl-, щелочность, NH4+, NO3-, NO2-, частично оставшиеся сульфаты SO4= и др.) размер которых равен и больше 1 нм (нанометра).
1 м = 109 нм
1 нм = 0,000001 мм
1нм = 0,001 мкм
Осмотическая технология очень тонкий процесс, поэтому ему предшествует сложная предочистка воды.
I. ваиант
II. вариант
III. вариант
Примерная технологическая схема получения осмотической воды по варианту II с позиции 3’, после участка грубой фильтрации представлена в приложении №1.
Приложение .
В основе обратно осмотического метода очистки воды лежит явление осмоса, широко распространенное в природе. В частности, обратный осмос обеспечивает процесс обмена веществ в живых клетках.
Осмос - это самопроизвольный процесс перехода воды через полупроницаемую мембрану, из раствора с большей концентрацией соли в раствор с меньшей концентрацией соли в условиях, когда соль не проникает через мембрану. Процесс останавливается по достижении осмотического равновесия, т. е. когда разница давлений растворов будет равна разности их осмотических давлений. Если с одной стороны от мембраны поместить чистую воду, то при равновесии разница давлений воды и раствора будет равна осмотическому давлению раствора.
Таким образом, осмотическое давление - это избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану.
Величина осмотического давления определяется по формуле:
π= С*R*T,
где: π - осмотическое давление (Па); С - молярная концентрация растворенного вещества, моль/л; R - газовая постоянная, бар/(К*моль); Т - температура, К. Зависимость осмотического давления от концентрации растворенного вещества проиллюстрирована в таблице №1 на примере раствора хлорида натрия NaCl.
Таблица №1
Концентрация соли, мг/л | Осмотическое давление, бар |
100 | 0,1 |
3000 | 2,5 |
30000 | 25 |
Чем больше концентрация раствора, тем больше создаваемое им осмотическое давление.
Обратный осмос - это процесс, обратный осмосу, как следует из названия, т. е. процесс перехода воды из более концентрированного раствора в менее концентрированный раствор под действием внешнего давления. Внешнее давление должно превышать разницу осмотических давлений растворов. На этом принципе основан обратно осмотический метод очистки воды.
В мембранах для обратного осмоса различия в структуре четко не определяются. На микроуровне мембраны являются однородными. Предполагается, что основным механизмом переноса вещества через мембрану обратного осмоса является диффузия или, точнее, активированная диффузия.
Диффузия (от лат. diffusio - распространение, растекание) определяется как взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведёт к равномерному распределению вещества по всему занимаемому им объёму. Активированная диффузия - диффузия, протекающая под действием разности давлений.
Рабочее давление обратного осмоса складывается из двух основных составляющих: осмотическое давление исходной воды и гидродинамическое сопротивление мембраны. При этом гидродинамическое сопротивление мембраны вносит основной вклад в рабочее давление процесса в связи с отсутствием пор в мембране.
Применяемые в настоящее время композитные мембраны позволяют значительно снизить гидродинамическое сопротивление. В них тонкий селективный слой наносится химическим путем на пористую основу (подложку). Толщина селективного слоя составляет 0,1-1,0 мкм, а толщина пористой основы - 50-150 мкм. Подложка практически не создает сопротивления потоку благодаря широким порам, а сопротивление селективного слоя значительно снижается благодаря значительному сокращению его толщины. В целом композитная структура мембраны обеспечивает механическую прочность за счет толщины пористой подложки, а кроме того, позволяет снизить общее сопротивление мембраны за счет тонкости селективного слоя.
Селективный слой мембран обратного осмоса выполнен из полиамидного материала. Рабочее давление таких мембран при минерализации исходной воды до 5 г/л составляет 10-15 бар. Стандартная рабочая температура обратного осмоса не превышает 40ºС, хотя в настоящее время производятся полиамидные мембраны, работающие при повышенных температурах - до 90°С. Селективность полиамидных мембран составляет 90-99,6%.
Мембраны обратного осмоса производятся в виде рулонных мембранных элементов, которые позволяют разместить мембранное полотно с большой площадью в небольшом объеме. Это обеспечивает компактность обратно осмотических установок.
Одним из наиболее надежных и эффективных способов получения пресной, полностью обессоленной и деминерализованной воды является применение технологии обратного осмоса в осмотических фильтрах. Принципом работы осмотических фильтров является разделение воды на две неравные части при помощи осмотической мембраны, причем большая часть воды не будет содержать никаких растворенных веществ, в то время как меньшая часть будет обладать крайне высокой степенью концентрации растворенных минеральных солей и иных примесей.
Осмотические фильтры позволяют удалить из воды большую часть минеральных солей и других растворенных загрязнителей, допуская содержание в воде только некоторых органических молекул, которые по своим свойствам и характеристикам мало отличаются от молекул воды. В основе работы любых осмотических фильтров лежит принцип фильтрации воды через осмотическую мембрану — основной элемент фильтра, благодаря которому и осуществляется столь качественная очистка воды.
Разделают несколько типов мембран, которые могут быть использованы в тех или иных мембранных фильтрах: нанофильтрационные, микрофильтрационные, ультрафильтрационные и непосредственно осмотические мембраны. В осмотических фильтрах могут быть использованы либо нанофильтрационные либо осмотические мембраны, так как именно их применение гарантирует высокую степень очистки воды от растворенных солей и очистки воды от железа в осмотических фильтрах, ультрафильтрационные же и микрофильтрационные мембраны в основном используются для тонкого осветления воды.
Осмотические мембраны представляют собой асимметричные или композитные мембраны, которые позволяют удалить из воды все растворенные в ней соли или иные загрязнители. Асимметричные осмотические мембраны — это мембраны, состоящие из двух разных по свойствам и характеру слоев. Благодаря двухслойности осмотической мембраны становится возможным совмещение в осмотических фильтрах различных функций: обессоливание и одновременное тонкое осветление.
Для первого слоя осмотической мембраны чаще всего используются селективные материалы, которые пропускают молекулы воды, но не пропускают молекулы растворенных минеральных солей. Это обуславливается прежде всего свойствами используемого в осмотической мембране материала, который представляет собой пористый материал, способный пропускать только молекулы воды и молекулы меньших размеров, то есть частицы не более 0,00001 мкм.
Второй слой осмотической мембраны зачастую также называется подложкой. Для подложкиосмотической мембраны используются более грубые материалы, которые применяются для произведения тонкого осветления воды в мембранных фильтрах. Одной из основных функций подложкиосмотической мембраны является придание тонкому слою селективного материала прочности, предотвращающей возможность механических повреждений осмотической мембраны.
Механизм переноса молекул воды через осмотическую мембраны чаще всего представляет собой обычную фильтрацию, при которой происходит задержание частиц размером больше диаметра поросмотической мембраны, однако возможно также использование принципа диффузии, при которой растворитель, то есть вода, химически соединяется с осмотической мембраной под воздействием давления или разницы электрохимических потенциалов. Процесс же в системах очистки воды при помощи таких осмотических мембран основывается на различии скоростей диффузии разных веществ.
Механизмом работы осмотических фильтров считается процесс обратного осмоса. При прямом осмосе вода, разделенная на две части пермселективной осмотической мембраной с разной концентрацией растворенных веществ, начнет сквозь осмотическую мембрану переходить на сторону с большей концентрацией растворенных веществ. Осмотическим давлением называется разница давлений между двумя разделенными осмотической мембраной частями воды в состоянии равновесия. Для предотвращения перехода жидкости на сторону с большей концентрацией необходимо приложить давление, равное осмотическому, с той стороны осмотической мембраны, где находится жидкость с большей концентрацией растворенных веществ.
Для обратного же процесса — то есть для обратного осмоса: перехода жидкости на сторону с меньшей концентрацией — в осмотических фильтрах искусственно создается давление, превышающее осмотическое давление, и таким образом производится очистка воды от растворенных в ней веществ.
Сегодня осмотические фильтры используются в установках очистки воды для чистки от ионов растворенных солей, небольшой части неионных молекул и малой части растворенных газов. При работе осмотического фильтра допускается наличие в очищенной воде не более 5% общего количества одновалентных ионов и не более 1% двух и более валентных ионов растворенных солей. Осмотические фильтры позволяют также удалить из воды большую часть нерастворимых примесей, в числе которых такие потенциально опасные микроорганизм, как бактерии и вирусы. Таким образом осмотические фильтры представляют собой один из наиболее надежных методов обессоливания и глубокой очистки воды для технологических и реже для бытовых нужд.
Осмотические фильтры прежде всего разделяются на несколько категорий в зависимости от степени очистки воды. На степень очистки воды в осмотических фильтрах прежде всего влияют не только качества и свойства самой осмотической мембраны, но и осмотическое давление, которое может колебаться в весьма широких диапазонах, обусловленных не только объемами воды, но и количеством растворенных в ней загрязнителей. Осмотическое давление также обуславливает эксплуатационную стоимость осмотических фильтров и их производительность, которая напрямую зависит от прилагаемого в фильтре к воде давления. 
