Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в странах СНГ
С. Л. Громов, канд. техн.наук
ХИМИЧЕСКОЕ И НЕФТЕГАЗОВОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ, № 12, 1998г.
Процессы фильтрования и технологии на их основе нашли применение в энергетике, машиностроении, химической, металлургической, горнодобываюшей, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Особое место занимают процессы фильтрования в технологиях водоподготовки, используемых как в промышленных, так и в бытовых целях, для опреснения, обессоливания и обеззараживания воды.
Современные технологии водоподготовки основаны на методах фильтрования, реализуемых с использованием процессов ионообмена, механического и мембранного разделения (мембранные технологии).
Лидирующее положение в области водоподготовки занимает фирма "Dow Chemical Company", входящая в число пяти наиболее крупных химических компаний в мире. На рынке бывшего СССР за последние годы приобрели достаточно широкую известность благодаря своим высоким техническим характеристикам ионообменные смолы DOWEX, MARATHON, MONOSPHERE (причем две последние марки представляют поколение монодисперсных ионитов, производство которых основано на специальной технологии, разработанной компанией DOW ), технологии противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE, рулонные обратноосмотические и нанофильтрационные элементы FILMTEC.
Одним из факторов, предопределивших успехи компании DOW в водоподготовке, является уникальное сочетание в рамках одной компании подходов, базирующихся на ионообмене и технологиях на его основе с методами мембранного разделения - мембранными технологиями. Благодаря такому подходу потребителю предлагается оптимальное решение с точки зрения экономии капитальных затрат и эксплуатационных расходов в очень широком диапазоне солесодержания обрабатываемой воды (практически до 70 г/л), когда уже выпарные методы становятся наиболее экономичными для решения задачи опреснения (обессоливания).
Традиционным способом водоподготовки на протяжении полувека остается ионообмен. Ионообменные технологии водоподготовки развивались от систем с прямоточной (параллельно-точной) регенерацией ионообменной смолы к схемам, в которых при меняются противоточная регенерация в сочетании с зажатым слоем ионита, причем в способах зажатия (фиксации) слоя прослеживается тенденция к отказу от методов блокировки слоя при помощи дополнительных потоков воздуха или воды, а все шире применяется плавающий инертный материал. Стремление к максимальному упрощению конструкции фильтра, сокращению числа встроенных распределительных устройств и соответственно к повышению надежности применяемой технологии продиктованы необходимостью снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
В нашей стране передовым достижением в водоподготовке ионообменными методами является внедрение противоточных технологий на базе монодисиерсных ионитов, начавшееся в середине прошлого десятилетия. С учетом малой вероятности резкого улучшения характеристик ионообменных смол можно говорить об определенном истощении резервов их дальнейшего развития в последние годы.
В то же время в последние годы опережающими темпами развивалась мембранная технология водоподготовки: значительно увеличились показатели селективности и производительности мембран, сократились эксплуатационные расходы при их применении. Так, мембранные элементы, изготовленные на базе современных тонкопленочных поликомпозитных мембран FILMTEC, при производительности 1,03 м3/м2 сутки обеспечивают стабильную селективность:
| Тип мембранного элемента | FT - 30 (BW30LE) |
NF- 90 | NF-70 |
| Отсекаемая молекулярная масса | 100 |
200 |
200 |
| Селективность (%) по: |
99,5 | 99 | 98 |
| глюкозе | |||
| сахарозе | 99,8 | 99,5 | 99 |
| рафиназе | 99,8 | 99,6 | >99 |
хлоросодержащим пестицидам |
99 | 99 | 99 |
| формальдегиду | 35 | — | — |
| метанолу | 25 | — | — |
| этанолу | 70 | — | — |
| изопропанолу | 90 | — | — |
| мочевине | 70 | — | — |
| молочной кислоте (рН=2) | 94 | — | — |
| молочной кислоте (рН=5) | 99 | — | — |
| NaCl | До 99,7 | 85-95 | 70-85 |
| MgSO4 | До 99,9 | 99 | 98 |
| NaF(pH=7) | 98 | — | — |
| NaCN(pH=11) | 95 | — | — |
| SiO2 (исходная концентрация 50 мг/л) | 98 | — | 80 |
| NaHCO3 | 98 | 97 | — |
| NaNO3 | 93 | 40,8 | 25 |
| MgCl2 | 98 | 90-93 | — |
| NiSO4 | 99,9 | 95 | — |
| CuSO4 | 99,9 | 95 | — |
| Рабочее давление, МПа | 1 ,09 | 0,54 | 0,44 |
| Рабочий диаппазон рН | 2-11 | 3-9 | 3-9 |
| Максимальная рабочая температура,'С | 45 | 35 | 35 |
Указанные тенденции вызвали интерес ряда исследователей, особенно в США [1—5], с целью определения метода предпочтительности выбора между существующими технологиями водоподготовки. При этом некоторые из них предрекли быстрое вытеснение ионообмена мембранной технологией с рынка водоподготовки, поскольку солесодержание исходной воды, при котором по показателю экономической эффективности провозглашался приоритет мембранных установок, составляло 125—150 мг/л по растворенным солям (главным образом по СаС0 3 [1, 4, 5]). В то же время в работе [3] были сделаны выводы, что обратный осмос способен конкурировать по показателям экономической эффективности с ионообменом при солесодержании исходной воды не ниже, чем 500 мг/л.
Столь широкий разброс в оценках, а также стремление обеспечить интересы потребителей к своей продукции (ионообменные смолы и мембран) путем предложения им оптимальных с точки зрения затрат методов решения задач по водоподготовке, побудили компанию DOW провести специальные исследования, постановка задачи и условия которых приводятся в работах [6, 7].
Специалисты компании проанализировали экономические показатели работы обратноосмотической (рис. а) и ионообменной (рис. б) установок водоподготовки в широком диапазоне солесодержания исходной воды (от 80 до 500 мг/л) при производительности по обессоленной воде 50 и 200 м3/ч. При этом в рассматриваемых установках были применены передовые достижения как в области мембранной технологии (высокоселективные низконапорные элементы с развитой активной поверхностью, обеспечивающие получение пермеата в количестве 80 % (при нанофильтрации до 85 %) от расхода обрабатываемого потока), так и в ионном обмене (монодисперсные ионообменные смолы в зажатом слое, регенируемом по противоточной технологии, подобно описанной в работах [8, 9]). Отметим, что при использовании установки обратного осмоса предподготовка включает коагуляцию, флокуляцию, осаждение; механическое фильтрование (песчаный фильтр); дозировку кислоты и ингибитора(ов). Рабочее давление 1,4 МПа, доля пермеата от исходного потока 80 %. Предподготовка в ионообменной установке включает коагуляцию, песчаный фильтр). При этом осуществляется противоточная регенерация с зажатым слоем ионитов (монодисперсные ионообменные смолы). Цикл фильтрования составляет 8, 12 и 24 ч.
Схемы установок:
а — обратноосмотической [1 — патронный фильтр; 2, 3 — первая и вторая ступени обратного осмоса; 4 — декарбонизатор; 5 — сборник пермеата; 6 — фильтр смешанного действия (ФСД); 7—сборник очищенной воды (СОВ)];
б — ионообменной [1 — с сильнокислотным катионитом; 2 — декарбонизатор; 3 — фильтр с анионитом (послойная загрузка: низкоосновный/высокоосновный); 4 ФСД; 5- СОВ]
В качестве базы для расчетов были приняты средние цены на продукцию и услуги, действующие в Западной Европе, по результатам проведенных исследований была создана новая установка водоподготовки и сделаны следующие выводы:
- на современном этапе развития техники и технологии водоподготовки ионообмен предпочтителен для обработки воды с исходным солесодержанием до 350—400 мг/л, а обратный осмос — при более высоких концентрациях;
- в для ионообмена основными затратами является стоимость реагентов, а для обратного осмоса — потребление электроэнергии;
- повышение стоимости исходной воды и платы за сбрасываемые стоки оказывают резко негативное влияние на экономические показатели обратного осмоса;
- во многих случаях выбор технологии водоподготовки определяется не чисто экономическим показателями, а сопутствующими обстоятельствами такими, как ограничения в выборе источника воды, законодательство, регулирующее вопросы водопользования и обработки стоков, опыт потребителя по применению отдельных технологий и наличие соответствующего оборудования.
Последний фактор имеет особую значимость для отечественных потребителей, подавляющее большинство которых располагает ионообменными установками с прямоточной (параллельноточной) схемой регенерации ионообменной смолы. В этих случаях оптимальное решение состоит в реконструкции действующей установки водоподготовки в соответствии с требованиями технологии UPCORE [9], позволяющей потребителю одновременно с двукратным сокращением расхода реагентов обеспечить повышение производительности установки водоподготовки и добиться существенного улучшения качества обрабатываемой воды. Таким образом, для отечественных потребителей с учетом существующих трудностей экономического характера проблема выбора между мембранной и ионообменной технологиями водоподготовки может быть актуальной только для случая создания абсолютно новых водоподготовительных установок.
Список литературы
1. Ashqff A. F. Ultrapure water. 1995. July/ August. P. 39.
2. VGB-Kraftwerkstechnik GmbH literature. 1995. May.
3. Grethe K., Beltle С Powerstation make-up water using RO and ion exchange for dernineralization. Steinmuellertagung. 1993. 12 p.
4. Beardsley S., Coker S., Whipple S. WATERTECH EXPO'94. 1994. November. P. 9- 5. Whipple S., Ebach E., Beardsley S. Ultrapure water. 1987. October. P. 25.
5.NewellP.A., Wrigley S.P., Sehn P., Whipple S.S. An economic comparison of RO and ion exchange in Europe // Ion exchange developments and applications. 1996. P. 58—66.
6.Newell Р . Л ., Wrigley S.P., Sehn P. Economic comparison of ion exchange and reverse osmosis for water treatment// Ecwatech-98. Abstracts. Moscow . 1998. P. 190-191.
7.Громов С.Ж// Теплоэнергетика. 1998 № 2. С. 35-37.
8.Громов С.Л.Ц Теплоэнергетика 1998 № 3. С. 52—55.