Спосіб кондиціонування води

Мамченко Олексій Смелаовіч (UA)

Демиденко Ігор Михайлович (UA)

C02F1 / 42 - Обробка води, промислових і побутових стічних вод або відстою стічних вод (поділ взагалі B01D; спеціальні пристрої на судах для обробки води, промислових і побутових стічних вод, наприклад для отримання питної води B63J; додавання до води речовин для запобігання корозії C23F ; обробка рідин, забруднених радіоактивними речовинами G21F 9/04)

B01J39 / 08 - використання матеріалу в якості катіонообменнік; обробка матеріалу для поліпшення катіонообменних властивостей

Винахід відноситься до іонообмінної технології кондиціонування води, зокрема кондиціонування води з тимчасовою і постійною жорсткістю, і може бути використано в теплоенергетиці, хімічній, харчовій та інших галузях промисловості.

Відомий спосіб кондиціонування води з тимчасовою і постійною жорсткістю за рахунок її пом'якшення і зменшення лужності / СНиП 2.04.02-84. Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди. Держбуд СССР.-М. Стройиздат, 1985.- 136 с. / [1]. Згідно способу [1] вода обробляється послідовно в двох іонообмінних фільтрах. Перший фільтр містить слабокислотні катионит, регенеріруемий кислотою, а другий по ходу води фільтр містить сульфокатіоніт, регенеріруемий розчином хлориду натрію. Залишкова жорсткість обробленої води складає 0,01 мг-екв / кг, лужність - 0,7 мг-екв / кг, питома витрата кислоти - 1 екв / екв видаляються катіонів тимчасової жорсткості, питома витрата хлориду натрію - не менше 100 г / екв видаляються іонів постійної жорсткості, робоча ємність карбоксильного катионита - 500-600 мг-екв / дм 3. робоча ємність сульфокатіоніта - НЕ більше 1350 мг-екв / дм 3.

Недоліками способу [1] є значні жорсткість і лужність фільтрату, високі питомі витрати реагентів, низька робоча ємність карбоксильного катионита, великі скиди водорозчинних солей внаслідок неповного використання хлориду натрію для регенерації сульфокатіоніта і дороге апаратурнеоформлення процесу через двухстадийной технології обробки води.

Найбільш близьким до винаходу по технічній сутності і досягається результату є спосіб кондиціонування води в іонообмінному фільтрі в одну стадію на слабокислотні катионите в змішаній кислотно-сольовий формі / Патент N 4083782 США МКІ З 02 В 1/76 Спосіб кондиціонування води // R.Kunin- опубл. 11.04.78 / [2]. Відповідно до відомого способу [2] вода з тимчасовою і постійною жорсткістю (pH близько 5) обробляється на іонообмінному фільтрі, що містить слабокислотні катионит (амберліт IRC 50) в змішаній кислотно-сольовий формі, причому в сольовій формі знаходиться 70-96% обмінних груп катіоніту. Відповідно до опису способу під сольовий формою розуміється як переказ визначеної частки йоногенних груп в сольову форму тільки з однозарядними катіонами лужних металів (натрію, калію, літію) або амонію, так і переклад тієї ж частки йоногенних груп в змішану сольову форму, в якій крім однозарядних катіонів лужних металів або амонію присутні двозарядні витягнуті з води катіони, такі як кальцій і магній.

У змішану кислотно-сольову форму слабокислотні катионит переводять шляхом послідовної обробки регенераційними розчинами, що містять кислоту і лужної реагент (гідроксид, карбонат або бікарбонат однозарядного іона).

Відомий спосіб [2] дозволяє глибоко пом'якшити воду і за рахунок підвищення лужності води підвищити її pH від 5 до 7-9,5. Робоча ємність слабокислотні катионита Amberlite IRC 50 по іонів жорсткості у відомому способі [2] становить 687 1830 мг-екв / дм 3.

Таким чином, відомий спосіб спрямований на глибоке пом'якшення кислих вод з одночасним підвищенням їх pH до величин 7,0 - 9,5. Оскільки підвищення pH кондиционированной води може бути досягнуто лише за рахунок збільшення її лужності, відомий спосіб за своєю технічною суттю не може вирішувати завдання істотного зниження лужності при кондиціонуванні води.

Так, залишкова лужність кондиціонованих за відомим способом [2], вапнувати і природного вод становить 0,60-1,1 і 2,5-3,8 мг-екв / кг відповідно (таблиця 1, приклади 19-22; таблиця 2, приклади 14,15).

З вищевикладеного випливає, що проблема поліпшення якості кондиционированной води за рахунок зниження її лужності при одночасному глибокому пом'якшенні актуальна і важлива.

Дійсно, наприклад, відносна лужність води (відношення лужності води до суми лужності і змісту аніонів сильних кислот), призначеної для живлення котлів тиском 3,9 МПа з заклепувальний сполуками не може перевищувати 20% при жорсткості не більше 5 і 10 мкг-екв / кг в залежності від виду палива / Правила технічної експлуатації електричних станцій і мереж. М. Вища школа, 1989. - с.147, 149 / [3]. Для зазначених вище складів вапнувати і природного вод гранично допустима величина відносної лужності відповідає лужних кондиціонованих вод 0,35 і 0,6 мг-екв / кг відповідно. У разі застосування води для підживлення тепломережі лужність і жорсткість води регламентуються виходячи з умов, що виключають утворення карбонатних відкладень [3, с. 154 - 155], які визначаються в залежності від режиму експлуатації.

В основу винаходу поставлена ​​задача розробити такий спосіб кондиціонування води, який забезпечив би за рахунок зміни робочої форми слабокислотні катионита досягнення технічного результату - підвищення якості кондиционированной води внаслідок зменшення лужності при її глибокому пом'якшенні, з одночасним досягненням високої робочої ємності катіоніту і низьких питомих витрат реагентів ( кислоти і луги).

Додатковий позитивний результат в пропонованому способі досягається за рахунок застосування замість товарних реагентів (кислоти і луги) відходів виробництва - відпрацьованих регенераційних розчинів H- і OH-іонітних фільтрів.

Наявність в Карбоксильні катионите 5-55% моль сольовий форми з двозарядний катіонами при утриманні 10-60% моль сольовий форми з однозарядними катіонами забезпечує отримання глибоко пом'якшеної води з низькою лужністю (приклади 1-9 таблиці 1 і 1-8, 10-13 таблиці 2). Отриманий результат є несподіваним, оскільки відповідно до відомим уявленням про вплив ступеня насиченості катионитов вилучаються з води катіонами жорсткості (двозарядний іонами) на глибину пом'якшення води, слід було очікувати підвищення жорсткості кондиционированной води при збільшенні вмісту в катионите сольовий форми з двозарядний іонами. (Г.К.Фейзіев. Високоефективні методи пом'якшення, опріснення і знесолення води. М.: Енергоатоміздат.-+1988. -с.40-45) [4].

Дійсно, згідно з нашими даними (приклади 1-9 таблиці 1 і 1-8, 10-13 таблиці 2), при утриманні сольовий форми з двозарядний катіонами в заявлених межах за пропонованим способом отримана кондиціонованих вода з низькою лужністю і тієї ж жорсткістю, що і за відомим способом [2], в якому сольова форма з двозарядний катіонами була відсутня (приклади 19 таблиці 1 і 14 таблиці 2). При цьому пропонований спосіб дозволяє отримати воду зі значно меншою лужністю (0,35 мг-екв / кг, таблиця 1; 0,6 мг-екв / кг, таблиця 2), ніж відомий (0,6-1,1 мг-екв / кг, таблиця 1; 2,5-3,8 мг-екв / кг, таблиця 2).

Однак дані таблиць 1,2 свідчать, що при реалізації запропонованого способу досягається лужність глибоко пом'якшеної води не більше 0,35 мг-екв / кг (вапнувати вода, таблиця 1) і не більше 0,6 мг-екв / кг (природна вода, Таблиця 2).

Крім того, заявляються межі змісту сольових форм катионита забезпечують отримання значних обсягів кондиционированной води, а отже, і високу робочу ємність катіоніту, яка становить 413 - 2782 мг-екв / дм 3. і низькі питомі витрати реагентів. За відомим способом [2] кондиціонованих воду такої ж якості отримати неможливо, що не дозволяє визначити робочу ємність катіоніту і питомі витрати реагентів.

Заявляються змісту сольовий форми катіоніту з двозарядний катіонами дозволяють застосовувати для регенерації катіоніту не тільки товарні (чисті) кислоти, а й забруднені солями двозарядних катіонів розчини кислот, які є відходами виробництва, зокрема відпрацьовані регенераційні розчини Н-катіонітних фільтрів установок знесолення води. При цьому наявність двозарядних катіонів в розчині реагенту не впливає на якість кондиционированной води, робочу ємність іоніту, питомі витрати кислоти (таблиця 2, приклади 1,6-8; 10-13).

Заявляються змісту сольовий форми з однозарядними катіонами і суми сольових форм гарантують не тільки отримання кондиційної води високої якості, але і можливість використання для регенерації катіоніту з тією ж ефективністю замість товарної лугу розчинів лугу, забруднених солями однойменних однозарядних катіонів, що є відходами виробництва, зокрема відпрацьованих регенераційних розчинів OH-іонітних фільтрів.

Пропонований спосіб кондиціонування води забезпечує досягнення таких технічних показників: при обробці попередньо вапнувати води: лужність не більше 0,35 мг-екв / кг; жорсткість - не більше 5 мкг-екв / кг; робоча обмінна ємність катіоніту - 413 - 2782 мг-екв / дм 3; питома витрата кислоти - 1,1 - 2,1 екв / екв; питома витрата лугу -0,6 - 1,9 екв / екв; при кондиціонуванні природної води: лужність - не більше 0,6 мг-екв / кг; жорсткість - не більше 100 мкг-екв / кг; робоча обмінна ємність - 658 - 1739 мг-екв / дм 3; питома витрата кислоти - 1,1- 1,3 екв / екв; питома витрата лугу -0,5-3,3 екв / екв.

Таким чином, сукупність істотних ознак є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - підвищення якості кондиционированной води за рахунок зменшення лужності при її глибокому пом'якшенні з одночасним досягненням високої робочої ємності катіоніту і низьких питомих витрат реагентів (кислоти і луги), а також можливості використання замість товарних реагентів відходів виробництва, що містять кислоту і луг, зокрема відпрацьованих регенераційних розчин в H- і OH-іонітних фільтрів. Використання запропонованого способу дозволяє поліпшити екологічні показники процесів пом'якшення та знесолення води при їх реалізації на одному і тому ж господарському об'єкті - зменшити скидання солей в навколишнє середовище за рахунок виключення використання товарних реагентів при пом'якшенні води в результаті використання для регенерації слабокислотні катионита установки пом'якшення і обесщелачіванія води відходів знесолювальної установки.

Спосіб реалізується в такий спосіб.

Вихідною водою є природна або попередньо вапнувати вода (склад води наведено раніше). В результаті отримують фільтрат - кондиціонованих воду з жорсткістю і лужністю на рівні необхідних показників (жорсткість - 10 або 5 мкг- екв / кг, лужність 0,35 мг-екв / кг в разі застосування води для підживлення котлів низького тиску або жорсткість - 100 мкг екв / кг, лужність - 0,6 мг-екв / кг при використанні кондиционированной води для підживлення тепломережі).

Оброблений лужним реагентом катионит відмивають водою і використовують в наступному циклі кондиціонування води.

Жорсткість і лужність води визначають за загальноприйнятими методиками / Довідник хіміка-енергетика. Під загальною редакцією С.М.Гурвіча. М. Енергія. - 1972. т.1. с. 391-397 / [5].

Приклад реалізації запропонованого способу.

У скляну колонку завантажено 100 см 3 слабокислотні катионита Lewatit CNP 80 (в перерахунку на кислу форму), що має повну обмінну ємністю 4400 мг-екв / дм 3. 40% моль (1760 мг-екв / дм 3) йоногенних груп катіоніту знаходиться в сольовий формі з однозарядним катіоном натрію, 15% моль (660 мг-екв / дм 3) йоногенних груп - в сольовій формі з двозарядний вилучаються з води катіонами жорсткості (кальцію і магнію). Сумарна частка сольових форм становить 55% моль (2420 мг-екв / дм 3). Через катионит пропускають попередньо вапнувати воду наступного складу, мг-екв / кг: жорсткість-1,8; лужність-1,2; аніони сильних кислот-1,4; pH-10,1.

Вимоги до кондиционированной воді: жорсткість - не більше 5 мкг- екв / кг; відносна лужність - не більше 20%, що відповідає для зазначеного складу вихідної води лужності не більше 0,35 мг-екв / кг.

Через отрегенерірованний кислотою катионит фільтрують 0,176 дм 3 1 н. розчину гідроксиду натрію (ГОСТ 4328-77), а потім 0,5 дм 3 води. У відпрацьованому розчині гідроксиду натрію не виявлено. Таким чином катионит поглинув 1760 мг-екв гідроксиду натрію, що привело до переведення в сольову форму з однозарядним катионом 1760 мг-екв / дм 3 йоногенних груп катіоніту (40%). Питома витрата гідроксиду натрію склав 176/270 = 0,7 екв / екв. Оскільки вихідний катионит містив 660 мг-екв / дм двозарядних катіонів, поглинув з води 269,3 мг-екв таких катіонів, а при його регенерації кислотою десорбувати практично така ж кількість двозарядних катіонів (270 мг-екв), то отрегенеріроранний катионит містить 659 мг екв / дм 3 двозарядних катіонів або 15% моль.

Для визначення граничних значень змістів в катионите суми сольових форм, сольових форм з однозарядними і двозарядний катіонами були проведені досліди, ідентичні описаним вище прикладу, в яких зазначені співвідношення сольових форм варіювалися. Результати представлені в таблиці 1.

При позамежному зменшенні змісту сольовий форми з однозарядним катионом до величини меншою, ніж 10% моль, або при позамежному підвищенні частки двозарядних катіонів понад 55% моль зростає жорсткість кондиционированной води (приклади 10,11,13,17 таблиці 1).

При перевищенні верхніх меж змістів сольовий форми з однозарядним катіоном (наприклад, 65% моль) і суми сольових форм (наприклад, 70% моль) підвищується лужність обробленої води (приклади 14,16 таблиці 1), що не дозволяє отримати воду з необхідною лужністю.

Нижня межа вмісту сольовий форми з двозарядний катіонами (5% моль) вибраний з умови збереження низької питомої витрати кислоти на регенерацію катіоніту (приклади 2,8,9,12,15 таблиці 1).

При позамежному зниженні сумарного змісту сольових форм, можливе при позамежному зниженні вмісту сольових форм з одно- або двозарядний катіонами (наприклад, однозарядним), отримуємо воду з високою жорсткістю (більше 50 мкг- екв / кг) (приклад 18 таблиці 1).

З метою визначення ефективності застосування різних реагентів (відпрацьованих регенераційних розчинів H-фільтрів замість сірчаної кислоти, відпрацьованих регенераційних розчинів OH-фільтрів, а також гідроксидів калію і амонію, карбонату натрію, бікарбонату натрію замість гідроксиду натрію) для регенерації слабокислотні катионита, були проведені досліди, ідентичні описаним вище прикладу, як з тієї ж вапнувати водою, так і природною водою складу, мг-екв / кг: жорсткість - 4,8; лужність - 4,0; аніони сильних кислот - 2,4; pH-7,1. Для природної води зазначеного складу відносної лужності 20% відповідає лужність 0,6 мг-екв / кг. Катіоніт відключали на регенерацію при досягненні жорсткістю фільтрату значення 100 мкг-екв / кг. Результати наведені в таблиці 2.

Як випливає з наведених прикладів, застосування для регенерації катіоніту відпрацьованих регенераційних розчинів H- і OH-іонітних фільтрів замість товарних реагентів не позначається на якості кондиционированной води, робочої ємності катіоніту і питомі витрати реагентів і дозволяє здешевити процес за рахунок використання відходів виробництва (приклади 6, 8,11-13 таблиці 2).

Переваги запропонованого способу в порівнянні з відомим підтверджуються даними таблиць 1 і 2. Використання запропонованого способу кондиціонування води дозволяє підвищити якість кондиционированной води за рахунок зменшення в 1,7-6 разів лужності при досягненні глибокого пом'якшення на рівні, що не перевищує 5-10 мкг-екв / кг при обробці попередньо вапнувати води і 100 мкг-екв / кг при кондиціонуванні природної води з одночасним досягненням високої робочої ємності катіоніту (413-2782 мг-екв / дм 3) і низьких питомих витрат реагент ів - кислоти (1,1 - 2,1) і луги (0,5 - 3,3 екв / екв).

Слід підкреслити, що застосування запропонованого способу дозволяє здешевити процес за рахунок використання для отримання кондиционированной води відходів виробництва і досягти зменшення скидання солей в навколишнє середовище за рахунок застосування відходів замість товарних реагентів.

2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що регенерацію здійснюють відпрацьованими регенераційними розчинами Н і ОН-іонітних фільтрів.