Опреснение воды

Вся библиотека >>>

Содержание книги >>>

Книги по строительству и ремонту

Водоснабжение

Быт. Хозяйство. Строительство.Техника

§ 130. Опреснение воды

Многие страны испытывают недостаток в пресной воде. Нарядусо странами, расположенными в безводных районах земного шара — Кувейт, Алжир,Марокко и др., к ним относятся даже такие страны, как Соединенные ШтатыАмерики.

Советский Союз по ресурсам поверхностных пресных водзанимает первое место в мире. Однако до 80% этих ресурсов приходится нарайоны Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20% пресноводныхисточников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностьюнаселения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством. Некоторыерайоны Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Южной Украины, Донбасса,юго-восточной части РСФСР, обладая крупнейшими минерально-сырьевымиресурсами, не имеют источников пресной воды.

Вместе с тем ряд районов нашей страны располагает большимизапасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемыхдля нужд водоснабжения из-за неприемлемо высокого содержания растворенныхсолей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения при условии ихопреснения.

Проектные проработки показывают, что подача пресной водыиз естественного источника даже на расстояние до 300—400 км дешевлеопреснения только для крупных водопотребителей.

Доставка пресной воды в безводные районы с использованиемтранспортных средств обходится еще дороже.

Оценка прогнозных эксплуатационных запасов солоноватых исоленых подземных вод в этих районах с учетом удаленности большинства из нихот естественных пресноводных источников позволяет сделать вывод о том, чтоопреснение является для них единственно возможным способом водообеспечения.

Наряду с этим во многих районах, чаще всего наиболееразвитых в промышленном отношении, имеющиеся естественные пресноводныеисточники все более и более загрязняются промышленными и бытовыми стоками истановятся непригодными для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Такимистоками, в частности, являются сточные воды шахт, как правило, имеющиеповышенное содержание солей и взвесей. Помимо шахтных вод в естественныеводоемы пока еще сбрасывается без должной очистки некоторое количествобытовых и промышленных сточных воя, в которых остаются ядовитые вещества.

Применяемые в технике опреснения соленых вод методы могутбыть с успехом использованы для возвращения природе использованной воды, неухудшающей состояния пресных водоемов.

К настоящему времени в мировой практике определилисьследующие основные методы опреснения воды: дистилляция, ионный обмен,электродиализ, вымораживание, гелиоопреснение и обратный осмос (гиперфильтрация).

Многообразие методов объясняется тем, что ни один из нихне может считаться универсальным, приемлемым для любых конкретных местныхусловий.

Ниже приводится описание методов опреснения, получившихнаибольшее распространение.

Дистилляция (термический метод) является наиболееизученным и распространенным методом опреснения соленых, особенно морскихвод. Этот метод целесообразен в тех случаях, когда в наличии имеется крупныйисточник дешевого тепла и большой водоем исходной воды. 

Сочетание дистилляционной установки с тепловойэлектростанцией на минеральном или ядерном топливе, так называемаямногоцелевая энергетическая установка, позволяет обеспечить промышленныйрайон всеми видами энергетических услуг по минимальной себестоимости принаиболее рациональном использовании топлива.

В связи с тем что простая смесь дистиллята иминерализованной (подземной или морской) воды не дает воды необходимогокачества, в Советском Союзе разработана и внедрена специальная технологияприготовления питьевой воды из смеси дистиллята и минерализованной воды.

Основная трудность опреснения дистилляцией заключается впредотвращении образования накипи на теплообменных поверхностях.

Образование соленых отложений (накипи) ведет к увеличениюрасхода тепла и электроэнергии, снижает производительность дистилляционнойустановки. Вызывается их образование следующими условиями. В морской илидругой соленой воде содержится много ионов, которые способны образовыватьтруднорастворимые соединения при увеличении их концентрации (вследствиеиспарения воды) и при повышении температуры (при постоянной концентрации).

Сульфат кальция (гипс) CaSO4 может кристаллизоваться притемпературе выше ° С (отрицательная растворимость) в виде трех соединений—дигидрата CaSO4-2H2O, полугидрата CaSO4-0,5 H2O и ангидрита CaSO4.

Кристаллы, образующие накипь, возникают и развиваются вусловиях термодинамического перенасыщения при одновременно создавшихсяусловиях кинетического характера, заключающихся в наличии центровкристаллизации и выдержке раствора в контакте с зародышами в течениеопределенного времени.

Сущность методов предотвращения образования накиписводится к устранению одного или нескольких условий, вызывающих ееобразование.

Один из наиболее распространенных методов замедленияобразования накипи из карбоната кальция — введение в испаряемую воду полифосфатовнатрия. За рубежом наиболее распространен метод предотвращения карбонатнойнакипи (и гидрата окиси магния), называемый «методом контроля рН»(стабилизация подкислением). Сущность этого метода сводится к устранениюионов СС^~ и НСО^путем введения в испаряемую исходную воду стехиометрического(теоретически необходимого) количества кислоты (обычно H2SO4) и проведениядегазации с целью удаления СО2. Этот метод требует весьма точного дозированияи контроля, чтобы избежать кислотности, вызывающей коррозию материалов.

Умягчение воды с помощью ионообменных смол является однимиз эффективных методов предупреждения образования накипи, однако он дорожепредварительной кислотной обработки воды.

Удалить накипеобразующие компоненты из воды перед подачейее в опреснительную установку можно путем дозирования в нее стехиометрическогоколичества осаждающих кальций и магний веществ, т. е. применения, например,термохимического умягчения исходной воды. Это радикальное средство противобразования накипи, но его использование влечет за собой значительноеувеличение себестоимости получаемой пресной воды вследствие высокой стоимостиреагентов. Однако перспектива утилизации побочных продуктов, получающихся впроцессе термоумягчения, может значительно повысить рентабельность метода.

В Советском Союзе широкое распространение получил методпредотвращения накипеобразования с помощью «затравки» (модификация методаконтактной стабилизации Ланжелье). Этот метод заключается в следующем. Висходную испаряемую воду перед ее поступлением на установку вводятмелкодисперсное вещество состава выделяющейся накипи. Соединения, образующиенакипь, кристаллизуются на частицах затравки, а поверхности теплообменныхаппаратов остаются свободными от накипи. Затравку, выводимую изопреснительной установки с концентратом морской воды, улавливают с помощьювертикального отстойника и возвращают в систему.

Применение этого метода эффективно в аппаратах специальнойконструкции, в которых кипение из трубок греющих камер вынесено в над-трубноепространство (вынесенная зона кипения).

Основными типами дистилляционных установок, которые внастоящее время получают широкое распространение, являются установкимгновенного испарения и многокорпусной выпарки. У специалистов отсутствуетединое мнение в вопросе выбора типа дистилляционной установки, но расчетыпоказывают, что экономичность их примерно одинакова. Следует отметить, чтокаждой стоимости тепла для любой опреснительной установки соответствует своеоптимальное число ступеней. Под оптимальным числом ступеней понимается такое,при котором обеспечивается наименьшая сумма затрат на тепло, отчислений откапитальных вложений и эксплуатационных затрат, т. е. наименьшая стоимостьдистиллята.

Метод мгновенного испарения («флеш») основан на явленииснижения температуры кипения воды по мере уменьшения давления в испарителях.Подогретая вода, поступая в изолированную вакуумированную камеру(испаритель), частично мгновенно испаряется. Чем выше температура воды и чемглубже вакуум, тем больше вода испарится. На V.71 показана принципиальнаясхема многоступенчатой (шесть ступеней) прямоточной опреснительной установки.Каждый испаритель (/—6) представляет собой камеру с трубчатым теплообменникомв верхней части 7, под которым имеется лоток 8 для сбора и отведениядистиллята. Для очистки пара от капелек соленой воды предназначенпластинчатый сепаратор пара 9. В самой верхней части камеры имеется штуцер 10для отсоса эжекторным блоком // неконденсирующихся газов.

Исходная соленая вода 12, предварительно обработанная дляпредотвращения образования накипи, последовательно протекая через указанныетрубчатые теплообменники, постепенно нагревается до температуры 75—85° С засчет скрытой теплоты конденсации пара, а затем доводится до температуры90— ° С в вынесенном головном подогревателе 13. Нагретая таким образом водавводится в первую камеру, которая служит одновременно деаэратором, и далеепоследовательно протекает через камеры установки под снижающимся вакуумом,соответствующим в последней камере температуре 45° С. Не испарившаяся водаоткачивается по трубе 14 из последней камеры (из-под вакуума) насосом 15 исбрасывается в дренаж. Дистиллят из лотков откачивается насосом 16 (из-подвакуума) в резервуар пресной воды.

Описанная опреснительная установка будет частьюкрупнейшего в мире завода производства дистиллята, производительностькоторого при полном развитии составит 140 тыс. м3 пресной воды в сутки(разработка Свердловского НИИХиммаш). Производительность установкимгновенного испарения 15 тыс. м3 дистиллята в, сутки При этом выходдистиллята на 1 т пара составит 8,5 м3. Общая установленная электрическаямощность 2600 квт, расход исходной  (морской)  воды 3600 м3/ч.

Для конкретных условий полуострова Мангышлак оптимальноечисло ступеней опреснительной установки мгновенного испарения составило34—40, рабочая температура в первой камере 101° С и в последней камере 35° С.

Следует отметить, что, по мнению специалистов, установкимгновенного испарения весьма перспективны для осуществления опреснительных двухцелевых(производящих пресную воду и электроэнергию) заводов большой мощности,использующих низкопотенциальное тепло атомных реакторов (V.72).

Другой технологической схемой в технике термическогоопреснения являются установки многокорпусной выпарки — с вертикальными длин-нотрубнымииспарителями-корпусами, включенными последовательно в количестве от четырех додесяти. В нашей стране такие установки получили большее распространение, чемустановки мгновенного испарения; они успешно эксплуатируются с 1963 г. в г.Шевченко на Каспийском море. Эти установки имеют относительно небольшое числокорпусов (че-тыре-пять). В настоящее время сооружается более экономичная позатратам тепла десятикорпусная установка (V.73). Исходная вода, освобожденнаяна сетках морского водоприемника от грубых примесей, поступает в главныйконденсатор, где нагревается до 36° С. Затем, пройдя деаэратор и системурегенеративных подогревателей, она поступает в первый корпус выпарныхаппаратов. Для предотвращения образования накипи в системе применен методзатравочных кристаллов (затравки). Мелкоразмолотый природный мел (СаСОз)вводится в опресняемую воду однократно при запуске установки и затемосуществляется рециркуляция затравки.

Вакуум в установке создается и поддерживается с помощьюспециальных пароэжекционных устройств и водокольцевых вакуум-насосов.Установки с четырьмя-пятью корпусами оборудуются выпарными аппаратами сестественной циркуляцией. Такие аппараты могут эффективно работать приполезной разности температур в них не менее 10—12° С. 

На действующей в г. Шевченко установке дистиллятиспользуется не только для приготовления питьевой воды, но и частично дляподпитки паровых котлов, поэтому в первых двух корпусах применены болеесложные жалюзийные ловушки, имеющие специальные барботажные тарелки сS-образными элементами для более глубокой очистки пара от капелек соленойводы.

Принудительная циркуляция в аппаратах осуществляется спомощью специальных осевых насосов, соединенных с электродвигателямикарданным валом с двойным шарниром. Характеристика насоса: подача 18 000 м3/чи напор 1,5 м. Мощность электродвигателя 160 кВт.

Регенеоативные подогреватели по своей конструкциианалогичны трубчатым теплообменникам и имеют поверхность нагрева площадью 300м2. Главный конденсатор — стандартный аппарат, применяемый в теплоэнергетике.Опреснительная установка размещается на открытом воздухе на площадке междурельсами козлового крана, с помощью которого производится монтаж и ремонтоборудования. Основной конструкционный материал аппаратуры, соприкасающийся сморской водой, — двухслойная сталь СтЗ+Х18Н10Т. Материал трубок(теплообменных поверхностей) греющих камер и регенеративных    подогревателей— алюминиевая    латунь,     стабилизованная     мышьяком.

Ионообменное опреснение воды, как и ионообменное обессолива-ние,заключается в последовательном фильтровании соленой воды через катионитные и анионитныефильтры, периодически регенерируемые кислотой и щелочью. Рентабельностьприменения этого метода ограничивается исходным содержанием растворенныхсолей 1,5—2,5 г/л. Однако при необходимости, когда себестоимость воды неиграет большой роли, можно опреснять ионообменным методом воду с весьмавысоким солесодер-жанием.

На V.75 показаны технологические схемы многоступенчатыхионообменных опреснительных установок для природных вод с содержаниемрастворенных солей 1,5—5 и 6—11 г/л. По этим схемам в Советском Союзепостроены и с 1958 г. эксплуатируются промышленные установки.

Схема для опреснения воды, содержащей 1,5—5 г/л, состоитиз двух катионитных фильтров (/ и /’) с сильнокислотным катионитом КУ-2-8 иодного фильтра 2 с катионитом-сульфоуглем, регенерируемых серной кислотой, иодного анионитного фильтра 3 с среднеосновным анионитом ЭДЭ-10П,регенерируемого кальцинированной содой, дегазатора и фильтра 4 с мраморнойкрошкой.

Катионитные фильтры, сильно- и слабокислотный,предварительно переведенные в Na-форму нейтральной водой после отмывки анионит-ныхфильтров, содержащей большое количество ионов Na, регенерируются однойпорцией 5%-ного раствора серной кислоты, которую пропускают последовательночерез сильнокислотный, а затем через слабокислотный катионит до появлениякислой реакции за последним фильтром (расход кислоты, близкий к теоретическинеобходимому). Удельный расход серной кислоты 56—60 г на 1 г-экв задержанныхкатионов.

Анионитный фильтр регенерируется раствором 4—5%-нойкальцинированной соды, расходуемой в некотором избытке против теоретическинеобходимого количества. Удельный расход соды 75 г на 1 г-экв задержанныханионов.

Ионообменный способ опреснения имеет ряд достоинств:простота оборудования,     малый  расход исходной  воды на  собственныенужды (15—20%     производительности   установки),   малый    расходэлектроэнергии, малый объем сбросных вод и др. Недостаток ионообменногометода— необходимость в расходовании реагентов; однако в рассмотренныхтехнологических схемах расход их сведен до минимума.

Верхний предел солесодержания, при котором применение ионообменногоспособа является целесообразным, должен определяться экономическимисоображениями. В специальной литературе описываются несколько различныхтехнологических схем ионообменного опреснения соленых вод (см. И. Э. Апельцин,В. А. Клячко «Опреснение воды». М., Стройиздат, 1968).

Электродиализ как метод опреснения соленых вод получилпромышленное значение лишь после освоения производства селективныхионообменных мембран из ионитных смол. Если такой мембраной разграничитьраствор поваренной соли (или другого электролита), а затем по обе сторонымембраны поместить электроды, соединенные с источником постоянного тока, томембрана будет проявлять свойства униполярного проводника. С помощью ионовмембрана проводит ток лишь одного знака. Изготовленная из катионита, онапропускает положительно заряженные ионы, а анионитовая мембрана пропускаеттолько отрицательно заряженные ионы. Это свойство называется селективностьюионообменных мембран, на нем основан метод электродиализного (электроионитного)опреснения воды. В табл. V.18 приведены основные свойства мембран марок МКК,МК-40, МАК и МА-40, выпускаемых в СССР серийно.

Мембраны изготовляют из термопластичного полимерногосвязующего   (полиэтилен, полипропилен и др.)   и ионообменных смол   (КУ-2,ЭДЭ-10П и др.) в виде гибких листов прямоугольной формы. Они имеют большую механическуюпрочность,    высокую селективность и низкое электросопротивление. Срокслужбы мембран — три — пять лет.

Обрабатываемую воду разделяют чередующимися катионитовымии анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся концентрирующие иобессоливающие ячейки. Через такую систему пропускается постоянныйэлектрический ток (электрическое поле горизонтального или вертикальногонаправления). Катионы, двигаясь к катоду / (V. 76), свободно проникают через катионитовыемембраны С, но задерживаются анионитовыжи мембранами Л, а анионы, двигаясь внаправлении анода //, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми.В результате этого из одних ячеек (например, из четных) ионы обоих знаковвыводятся электрическим током постоянного направления в смежные ячейки.Поэтому вода в четных ячейках опресняется, а в смежных ячейках концентрацияионов эквивалентно повышается. Аппарат, в котором производится отделениесолей от воды, называется многокамерным электродиализатором. Он имеет поодному катоду и аноду (изготовленных из специального графита илиплатинированного титана) и до 300 ячеек-камер, образованных стенками ка-тионитовыхи анионитовых мембран.

Расстояние между мембранами в аппарате обычно принимаетсяот 0,7 до 1,5 мм (размер ячейки). Большое количество мембран специальнымустройством поддерживается в строго фиксированном положении. Во избежание коробленияи для сохранения размеров ячеек мембраны фиксируются сепараторными сетками изполихлорвинила.

Большое число ячеек в одном электродиализаторе при наличииодного анода и катода сводит до минимума потери на разряд   ионов   наэлектродах.   Такое   инженерное  решение позволяет значительно уменьшитьрасход энергии на отделение солей от воды.

Коэффициент выхода по току зависит от селективностимембран, расхода энергии на побочные электродные процессы, от потерь энергиина выделение джоулева тепла и от размера утечек тока, определяемыхконструкцией электродиализатора.

В нашей стране получили широкое распространениеэлектродиализные опреснительные установки типа ЭДУ, выпускаемые серийнопроизводительностью от 5 до 0 м3 пресной воды в сутки (ЭДУ-5, ЭДУ-50,ЭДУ- , ЭДУ- 0). В перспективе намечено создание более крупных установок.

Технологические схемы электродиализных опреснительныхустановок типа ЭДУ в комплексе состоят из следующих узлов: предварительнойподготовки исходной воды, собственно электродиализной установки

с комплектующим оборудованием, насосов опресненной воды сосборным резервуаром, фильтров улучшения качества воды (УКВ) и бактерицидныхламп, кислотного хозяйства, хозяйства сжатого воздуха.

Установки ЭДУ-5, ЭДУ-50 и ЭДУ- — порционного типа, аустановка ЭДУ- 0 — прямоточная.

В установке ЭДУ-50 (V.77) исходная солоноватая вода поступаетна фильтры предварительной подготовки 1 и затем в питающий 2 и рассольный 3баки. Насосами 4, 5 и 6 соответственно   на электродиализатор 7 (сгоризонтальным электрическим полем) подаются по трубам диализат (опресняемаявода), рассол и промывной раствор. Промывка приэлектродных камерэлектродиализатора происходит последовательно со сбросом промывного растворав дренаж, а межпакетных пространств — параллельно с возвратом промывногораствора в рассольный бак. Промывной раствор и рассол подкисляются сернойкислотой до рН от 3,5 до 4.

Данные о солевом составе воды в системах диализата ирассола записываются на диаграммах солемера и кондуктометра.

На рис V.78 приведена принципиальная схема прямоточнойэлектродиализной опреснительной установки ЭДУ- 0, рассчитанной наопреснение воды с содержанием растворенных солей 2,5 г/л.

Исходная солоноватая вода подается насосами    7 и 8через    одну нитку двух последовательно соединенных элект одиализаторов 3и   noследовательно проходит по двум ступеням опреснения. Рассол подается наустановку по противотоку с применением рециркуляции.

Применяемые в ЭДУ- 0 электродиализаторы имеютвертикальное электрическое поле. Опреснительная установка ЭДУ- 0 полностьюавтоматизирована; пуск ее осуществляется от одной кнопки с собственного щитаили дистанционно.

На электродиализных установках широко применены полимерныематериалы благодаря их высоким диэлектрическим свойствам. Электродиализаторыработают под большим напряжением (до 500 В) в условиях высокой влажности,когда при использовании других материалов неизбежны большие утечки тока,значительно снижающие производительность подобных аппаратов и повышающиеудельный расход электроэнергии. К полимерным материалам наряду сопределенными физико-механическими требованиями предъявляются еще испециальные требования санитарных органов, т. е. они не должны выделять вводу вещества, вредные для организма человека.

На установках типа ЭДУ рамные плиты выполнены из капролона;корпусные рамки-прокладки, образующие между мембранами рабочие ячейки, изакладные перфорированные сетки-сепараторы, — из поливи-нилхлоридной пленки.

В последние годы внимание специалистов привлекает новыйметод опреснения, заключающийся в фильтровании воды через специальныеполупроницаемые мембраны. При этом давление, под которым осуществляетсяфильтрование, должно превышать осмотическое, обусловленное различиемконцентраций солей в пресной и соленой воде (для воды океана ссолесодержанием 35 г/л осмотическое давление составляет примерно 24 кгс/см2).Пресная вода проходит через мембрану, а ионы солей задерживаются. Этот методопреснения в нашей стране назван «гиперфильтрацией», в зарубежной литературеего часто называют «обратным осмосом».

Этот метод обладает рядом достоинств: минимальный расходэнергии (7—8 кВт-ч/м3 пресной воды, получаемой из соленой с содержанием солей35 г/л), простота конструкции и эксплуатации установок.

Существуют несколько гипотез для объяснения процессаотделения солей от воды при прохождении ее через мембрану под действиемприложенного давления. Рассмотрим три из них.

Гипотеза сорбционного механизма основана на свойствахполупроницаемой мембраны адсорбировать своей поверхностью молекулы    воды.Таким образом, на поверхности мембраны образуется тонкий   слой пресной воды(который, необходимо непрерывно отводить) толщиной не менее 4—6 А. Спонижением солесодержания в исходной воде толщина слоя увеличивается.Подходящими поверхностными свойствами, по мнению авторов гипотезы, обладаютмембраны из ацетилцеллюлозы, целлофана, обработанного силиконом, найлона.

Гипотеза связанной и капиллярной воды предполагает наличиев структуре мембран (например, ацетилцеллюлозных) связанной и капиллярнойводы. Первая из них непосредственно связана с активными группами в структурематериала мембраны, вторая (капиллярная) заполняет промежутки внутри этойструктуры. По гипотезе, мембрана состоит из поверхностного слоя, содержащегосвязанную воду и практически не содержащего капиллярной воды, и основногообъема мембраны, преимущественно содержащего капиллярную воду. Связанная вода(в силу ее физико-химической природы) не обладает способностью растворятьсоли исходной воды и поэтому не пропускает ионы солей. Гидратационнаяспособность связанной воды утрачена при создании водородной связи сосвободными гидроксильными группами мембраны (например, ацетилцеллюлозы).Пресная вода, проходящая через поверхностный слой мембраны, содержащийсвязанную воду, непрерывно разрывает и вновь образует водородные связи междумолекулами воды и гидроксильными группами ацетилцеллюлозы. По этой гипотезедавление расходуется на разрыв и образование водородных связей.

Согласно третьей гипотезе в мембране существуют поры,которые свободно пропускают молекулы воды и не пропускают гидратированныхионов растворенных солей из-за их размеров. Предполагается, что вода и частьсолей проникают через мембрану с помощью двух параллельных процессов:диффузии и проникания через поры под действием приложенного давления.

Метод гиперфильтрации найдет в ближайшем будущем широкое применениекак для опреснения солоноватых вод, так и для приготовления питательной водыдля котлов, очистки промышленных стоков и до-очистки бытовых сточных вод.

Для практического осуществления процесса, как и вэлектродиализе, требуется сборка мембранных аппаратов, или, как их называют,модулей мембран. Существует четыре типа модулей мембран: 1)  фильтр-пресс;2)  рулонный — спиральная мембрана  (V.79); 3)  трубчатый (мембраны в видетрубок); 4) полое волокно.

В настоящее время получает распространение идеяизготовления мембран непосредственно в установке путем    намыва    (гидрокастинг).