РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ОСОБО ЧИСТОЙ ВОДЫ

С. А. Хаханов, инженер НИИ ВОДГЕО

Первая часть данной публикации (сообщение 1) была посвящена анализу методов и технических схем, применяемых для получения деионизованной воды высокого качества. Потребителями такой воды, как уже отмечалось выше, являются главным образом, химическая и электронная промышленности. Разработанный технологический комплекс для получения деионизованной воды марки А может использоваться для различных производств, пиковое потребление воды, в которых не превышает 2,5 м³/ч. Отметим, что принципиальная схема технологического комплекса может быть использована для разработки систем получения деионизованной воды любой производительности. Ниже рассмотрим более подробно устройство и технические особенности технологического комплекса для получения деионизованной воды (далее ТК).

Рисунок 1. (подробнее)

Принципиальная схема ТК, а также расположение основных узлов и агрегатов в составе ТК, приведена на рис. 1. Необходимо обратить внимание на ряд особенностей: во-первых, на отсутствие системы предочистки в ее стандартном виде. В рассматриваемой системе песчаный самопромывной механический фильтр заменен патронным механическим фильтром, находящимся непосредственно в составе ТК и располагающимся на входе исходной воды. Во-вторых, отсутствует традиционный умягчитель, удаляющий из воды ионы жесткости и предотвращающий образование на поверхности мембран малорастворимых кристаллических осадков карбанатов и сульфатов кальция и магния. Вместо умягчителя после механического фильтра устанавливается насосдозатор ингибитора отложений малорастворимых солей (ингибитор осадкообразования). Ингибитор дозируется в чрезвычайно малых количествах (около 5 миллиграмм на литр исходной воды или 5г/м³). Такая доза позволяет эффективно бороться с осадкообразованием на поверхности мембран [1]. Так как молекулы ингибирующих веществ задерживаются мембранами на 100%, они не могут попасть в фильтрат и полностью удаляются с концентратом.

Отметим, что подобная замена возможна только в том случае, если в качестве исходной воды используется водопроводная вода или вода близкая к ней по составу (Приложение 1). В случае использования в качестве исходной воды, воды существенно отличающейся по составу от приведенной в приложении 1, требуется дополнительно провести расчет предочистных систем, и обязательна установка специального оборудования для доведения исходной воды до качества водопроводной или выше. Для этого могут быть использованы привычные методы и устройства, такие как флотация, коагуляция, фильтрование, умягчение, обезжелезивание и т.д. [2].

После патронного фильтра тонкой очистки и дозатора ингибитора исходная вода поступает на обратноосмотические рулонные элементы первой ступени.

Рисунок 2. (подробнее)

Рисунок 3. (подробнее)

Отметим, что здесь возможно использование нескольких типов обратноосмотических мембран, так при применении не хлоростойких композитных мембран необходимо на стадии предочистки установить дехлоратор (патронный угольный фильтр), а в случае использования хлоростойких мембран или при использовании не хлорированной исходной воды установка дехлоратора не обязательна. Мембранные элементы, входящие в состав первой ступени обратноосмотической установки, имеют в начале технологического цикла общую производительность по фильтрату ~4,5 м³/ч., однако, в конце технологического цикла, через 12 тыс. м³ фильтрата или ориентировочно 6 месяцев работы, она упадет почти на 25% и будет составлять всего 3,5 м³/ч. (рис. 2). Заметим, что при использовании на стадии предочистки умягчителя вместо дозатора ингибитора, можно достичь гораздо меньшего падения производительности, но это потребует существенно больших капитальных затрат на ТК, а также увеличения площади занимаемой ТК, качество фильтрата при использовании умягчителя снижается из-за повышения концентрации ионов натрия в исходной воде. Несмотря на такое падение производительности ТК обеспечивает заданную мощность по деионизованной воде, что будет показано ниже. Эксплуатация ТК предполагает проведение технологического перерыва (1 раз в 6 месяцев), который позволяет провести регенерацию мембранных элементов и другие регламентные работы.

Степень задержания мембран первой ступени составляет 98,0–99,0% [3]. Степень конверсии на первой ступени может составлять от 50 до 75%. Фильтрат, содержащий лишь 1% от общего содержания солей в исходной воде (Приложение 2) поступает в накопительную емкость с клапаном удаления свободного углекислого газа.

Фильтрат первой ступени является исходной водой для второй ступени обратного осмоса.

Рисунок 4. (подробнее)

Рисунок 5. (подробнее)

Мембранные элементы, установленные на второй ступени, имеют более высокую степень задержания ~99,0–99,5% [4], однако при использовании воды высокой степени очистки (электропроводность фильтрата первой ступени Е1 = 11 мкСм/см) в качестве исходной селективность мембран падает [5], и в нашем случае составляет от 50 до 90%, причем солесодержание в фильтрате второй ступени постоянно (Е2 = 1,5 мкСм/см) (Приложение 3) и не зависит от солесодержания фильтрата первой ступени в пределах Е1 = 5 – 50 мкСм/см, при постоянном рабочем давлении на второй ступени Р = 16 атм (рис. 3), в то время как селективность мембран первой ступени остается постоянной, а изменяется состав фильтрата в зависимости от состава исходной воды (ЕИСХ = 200–500 мкСм/см при постоянном рабочем давлении Р = 12 атм (рис. 4)). Зависимости производительности обеих ступеней обратноосмотической установки от давления стандартны и приведены на рисунке 5. Так как исходная вода для второй ступени является чистой, падения производительности на ней с течением времени не наблюдается (рис. 6), а рулонные мембранные элементы второй ступени не требуют ни регенерации, ни замены при проведении регламентных работ во время технологических перерывов. Степень конверсии на второй ступени может составлять от 75 до 85%. Концентрат второй ступени возвращается на вход первой ступени обратноосмотической установки. Фильтрат накапливается в накопительной емкости, также имеющей клапан удаления свободного углекислого газа.

Рисунок 6. (подробнее)

Обработка водопроводной воды посредством двухступенчатой обратноосмотической установки позволяет снизить общее солесодержание воды почти в 1000 раз, полностью удалить из воды высокомолекулярные вещества, биологические и механические загрязнения, коллоиды. Отметим, что процесс обратного осмоса является безреагентным, следовательно, полностью экологически безопасным.

После второй ступени обратного осмоса вода поступает на ионообменные смолы. Вода имеет достаточно высокую степень очистки, для того чтобы сразу, минуя катионит и анионит, подаваться на фильтры смешанного действия (ФСД).

Скорость фильтрования при этом может достигать 60 м/ч. [6]. Однако такая схема приемлема при невысоких производительностях по деионизованной воде до 0,5 м³/час. При более высоких производительностях необходимо использовать дополнительную ступень деионизации на раздельных смолах или включить в схему водоподготовки электроионитовую установку (электродеионизатор).

Отметим, что технологический комплекс является законченной структурой, способной производить деионизаванную воду марки А (R = 18,2 мОм х см), однако для получения потребителем воды такого же качества, непосредственно перед ним необходимо установить системы финишной доочистки. Такие системы представляют собой компактные устройства, включающие в себя финишный патронный ФСД, ультрафиолетовый стерилизатор и субмикронный фильтр (0,2–0,04 мкм). Все трубопроводы, соединяющие ТК с блоками финишной очистки, должны быть выполнены из инертных по отношению к воде материалов, таких как: фторопласт, полипропилен, поливинилхлорид и т.д.

Также отметим, что на стадии очистки воды с помощью ионообменных смол, когда электропроводность воды начинает превышать 2 мОм х см, желательно также применять инертные по отношению к воде материалы.

ТК включает в себя систему полной автоматизации процесса получения деионизованной воды и контроля ее качества. Очень важной является возможность быстрой замены всех узлов и агрегатов ТК и низкая реактивность ТК (выход ТК на режим, R H₂O = 18,2 мОм х см, составляет всего 5–8 минут). Такой непродолжительный буферный период обусловлен применением моносферных ионообменных смол вследствие очень высокой степени очистки воды после второй ступени обратноосмотической установки. Все трубопроводы в составе ТК выполнены из полипропилена.

Итак, в ТК для получения сверхчистой воды применен метод двухступенчатого обратного осмоса. Создана установка, которую можно расположить в пределах чистой зоны, и при этом она не будет занимать значительную площадь. Капитальные затраты на производство ТК не высоки (см. сообщение 1), а эксплуатационные затраты сравнимы с другими системами для получения деионизованной воды.

Таким образом, налицо большое количество неоспоримых преимуществ ТК перед аналогичными системами:

1. Низкие капитальные затраты.

2. Низкие эксплуатационные затраты.

3. Небольшая занимаемая площадь.

4. Безреагентность работы.

5. Высокая степень конверсии исходной воды.

6. Возможность расположения в пределах чистой зоны.

7. Низкая реактивность.

8. Полностью автоматизированная работа систем ТК.

9. Продолжительный цикл работы.

10. Возможность универсального применения в различных отраслях промышленности (химической, электронной, фармацевтической и т.д.).

Литература

1. Образование осадков малорастворимых в воде соединений при обратноосматическом обессоливании и разработка мероприятий по их предотвращению. Отчет НИР. Ответственный исполнитель Первов А.Г. Архив НИИ ВОДГЕО. 1989, с. 650.

2. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод, Москва, 1971, с. 578.

3. DOW. Engenering handbook, May 1995.

4. DOW Europe Separation Systems. Filmtec membranes. Technical manual. August, 1994.

5. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М. Химия, 1986, с. 272.

6. ОСТ 11. 029.003 – 80. ИЭТ. Вода, применяемая в производстве. Марки. Технические требования. Методы очистки и контроля.