СПОСІБ СТАБІЛІЗАЦІЇ ВОДИ ЩОДО ОСАДОВІДКЛАДЕНЬ В БАРОМЕМБРАННИХ ПРОЦЕСАХ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ

Спосіб стабілізаційної обробки води щодо осадовідкладень в баромембранних процесах очищення води, що включає попереднє освітлення природної води, пропускання освітленої води через іонообмінний фільтр, заповнений катіонітом, та подачу пом'якшеної води на зворотноосмотичну установку для знесолення води, який відрізняється тим, що при попередньому освітленні води після механічних фільтрів вода проходить через ультрафільтраційні мембрани та катіонообмінний фільтр, який заповнено сильнокислотним катіонітом у натрій-формі, регенерацію якого здійснюють концентратом, що утворився при зворотноосмотичному знесоленні води.

Корисна модель належить до методів обробки води на стадії попередньої підготовки перед знесоленням її на баромембранних фільтрах для запобігання утворенню відкладень на мембранах в процесах фільтрування води. Надійний захист мембран від осадовідкладень дозволяє підвищити ступінь відбору перміату (вихід очищеної води) та суттєво збільшити термін використання мембран. Традиційно для обробки води щодо солевідкладень використовують різноманітні добавки – антискаланти на основі поліфосфатів та органофосфонатів [Патент США 5182028, MПК C02 F5/08, опубл. 16.01.1993]. Недоліком цих методів є те, що ефективність антискалантів знижується із підвищенням концентрації карбонату або сульфату кальцію у концентраті в процесі фільтрування води на зворотноосмотичних мембранах. В разі, коли карбонатний індекс води перевищує 70 (мг-екв/дм3)2 ефективність антискалантів є досить низькою. А у морській воді при вихідній жорсткості 50 мг-екв/дм3 карбонатний індекс без концентрування солей уже перевищує 500 (мг-екв/дм3)2. Тому при використанні навіть найефективніших антискалантів вихід перміату буде невисоким, при умові запобігання осадковідкладенням на мембрані. Більш ефективними є іонообмінні методи обробки води. В ряді патентів [патент UA62070, МПК С02F 5/08, (20.06.01), опубліковано 10.08.2011, Бюлетень №5; Патент UA62072, МПК С02F 5/08 (20.06.01), опубліковано 10.08.2011, Бюлетень №15] пропонують використовувати в катіонообмінному фільтрі слабокислотний катіоніт в кислій формі. При цьому відбувається не лише пом'якшення води, але і значне зниження її лужності. Головним недоліком процесу є 2 підкислення перміату, необхідність в його нейтралізації та використання кислої регенерації катіоніту. Найближчим за технічною суттю до корисної моделі є спосіб обробки води перед баромембранним очищенням, оснований на використанні натрійкатіонного пом'якшення [Талхi Ф. М., Макарова Н. В., Астрелін І. М., & Толстопалова Н. М. Дослідження методів попередньої підготовки води з високою жорсткістю для мембранного кондиціонування // "Наукові вісті НТУУ "КПІ", 2008, № 4, С.127-131] в якому використовують сильнокислотні катіоніти в натрій-формі. До переваг даного методу слід віднести те, що при використанні натрій-катіонного фільтрування на іонообмінному фільтрі практично повністю затримують іони кальцію та магнію, а у воду переходять в еквівалентній кількості іони натрію. При високій жорсткості води ємність фільтру вичерпується досить швидко. Тому недоліком даного методу є те, що регенерація іонообмінного фільтру проводять концентрованим розчином хлористого натрію. При цьому, на 1 г-екв ємності іоніту потрібно використовувати 2,5-3,5 г-екв хлориду натрію. Це призводить до утворення великих об'ємів засолених рідких відходів, які додаються до концентратів, що утворюють при зворотноосмотичному знесоленні води. При високій жорсткості води, яка у артезіанських водах у приморських регіонах часто перевищує 30 мг-екв/дм3, а у морських водах перевищує 50 мг-екв/дм3, об'єми відпрацьованих регенераційних розчинів перевищують об'єми концентратів, що суттєво ускладнює проблему їх утилізації. Крім того використання регенераційних розчинів вимагає затрат на реагенти та обладнання для приготування розчинів хлориду натрію. В основу корисної моделі поставлено задачу захисту мембран від солевідкладень при високому виході перміату (до 90 %) без додаткового утворення засолених рідких відходів та без використання реагентів при регенерації катіоніту, що використовують для натрійкатіонного пом'якшення води. Поставлену задачу вирішують у способі обробки води в баромембранних процесах очищення води використовують сильнокислотні катіоніти в натрій-формі, згідно з корисною моделлю, природну воду освітлюють на механічних та ульрафільтраційних фільтрах, після чого освітлену воду пропускають через катіонообмінний фільтр, заповнений сильнокислотним катіонітом у натрій-формі, та подають пом'якшену воду на зворотноосмотичну установку, а регенерацію сильнокислотного катіоніту здійснюють концентратом, що утворюється при зворотноосмотичному знесоленні води. Пом'якшену воду під необхідним робочим тиском подають на зворотноосмотичні фільтри. Так як жорсткість пом'якшеної води не перевищує 0,1 мг-екв/дм3, то відбір перміату може досягати 60–90 %, а ступінь відбору перміату буде залежати лише від рівня мінералізації вихідної води. Отриманий концентрат з мінералізацією 30–55 г/дм3, який містить солі натрію, направляють на регенерацію іонообмінного фільтру (переведення катіоніту в натрій-форму), а далі може використовуватись для промивки ультрафільтраційного або механічного фільтрів. Спосіб реалізують наступним чином. Освітлену природну воду з рівнем мінералізації 3–5 г/дм3 з жорсткістю 10–60 мг-екв/дм3 пропускають через іонообмінний фільтр, заповнений сильнокислотним катіонітом в натрій-формі. На катіоніті відбувається сорбція іонів жорсткості. Процес сорбції проводять до проскоку по іонах жорсткості до концентрації 0,1 мг екв/дм3. Після проскоку фільтр відключають на регенерацію. Катіоніт в Ca2+, Mg2+ формі після спушення регенерують концентратом, отриманим після зворотноосмотичного знесолення води. Процес сорбції проходить за схемою: 2П-SO3-Na++СаХ2=[П-SO3]2Ca++2Х-+2Na+ (1) 2П-SO3-Na++MgX2=[П-SO3]2Mg++2X-+2Na+ (2) де П - фрагмент полімеру іонообмінного матеріалу, зв'язаний з функціональною групою, X- - аніон типу СІ-; ½ SO42-; HSОC4-; НСО3-; ½ СО32-. Процес регенерації проходить за реакціями: [П-SO3]2Ca++2n NaX=2П-SO3-Na++СаХ2+2(П-1) NaX, (3) [П-SO3]2Mg++2n NaX=2П-SO3-Na++MgX2+2(П-1) NaX, (4) де n - надлишок солі NaX до обмінної ємності катіоніту (n=2,5 мг-екв/мг-екв). Після регенерації фільтр використовують для подальшого пом'якшення води перед зворотносмотичною мембраною. В процесі зворотного осмосу воду знесолюють до досягнення в концентраті мінералізації 30–50 г/дм3. Дані концентрати придатні для регенерації сильнокислотного катіоніту в Ca2+, Mg2+ формі і переведенні його в Na+ форму. За даних умов забезпечується ефективне пом'якшення води, захист мембран від осадовідкладень без утворення додаткових об'ємів рідких відходів – відпрацьованих регенераційних розчинів. Об'єм концентратів визначають лише ступенем відбору перміату. Приклад. Воду з артезіанської свердловини з мінералізацією 8,7 г/дм3 та жорсткістю 27 мг-екв/дм3 знесолювали на зворотносмотичному фільтрі. Об'єм води 10 дм3. Для пом'якшення воду пропускали через колонку, заповнену катіонітом КУ-2-8 в Na+ формі. Об'єм катіоніту 150 см3. Отримали 10 дм3 пом'якшеної води із залишковою жорсткістю 0,02 мг-екв/дм3. Воду профільтрували на зворотносмотичному фільтрі. Ступінь відбору перміату – 80 %. Мінералізація концентрату 42 г/дм3. Мінералізація перміату 57 5 мг/дм3. Ємність катіоніту по іонах жорсткості – 1800 мг-екв/дм3. Дві проби іоніту об'ємом по 50 см3 в Ca2+, Mg2+ формі регенерували отриманим регенераційним розчином та 8 %-ним розчином NaCl. Результати представлені в таблиці. Таблиця Залежність ступеня регенерації катіоніту КУ-2-8 в Са2+, Mg2+ формі (Vi=50 см3, ОДЄ (Са2+, Mg2+) = 1800 мг-екв/дм3) від витрати 8 % розчину NaCl (І) та отриманого концентрату з мінералізацією 422 г/дм3 (II) № п/п Витрата розчину, CM3 Питома витрата розчину, см3/см3 Жорсткість, мг-екв/дм3 Кількість десорбованих Са, Mg, мг-екв Ступінь регенерації, % 1 50 1 523,8 347,4 26,19 17,37 29,1 19,3 2 100 2 583,2 358,2 29,16 17,91 61,5 39,2 3 150 4 115,2 243,0 5,76 12,15 89,6 67,4 4 200 4 115,2 243,0 5,76 12,15 89,6 67,4 5 250 5 70,2 127,8 3,51 6,39 93,5 74,5 6 300 6 52,2 117,0 2,61 5,85 96,4 81,0 7 350 7 39,6 108,1 1,98 5,40 98,6 86,4 8 400 8 20,0 98,0 1,0 4,90 99,7 91,3 9 450 9 3,6 57,6 0,18 2,88 99,9 94,5 10 500 10 1,8 27,2 0,09 1,35 100,0 96,0 11 550 11 0,0 20,0 0,0 1,0 100,0 97,1 12 600 12 0,0 18,0 0,0 0,90 100,0 98,2 Як видно із таблиці, катіоніт ефективно регенерується 8 %-ним розчином NaCl. При питомій витраті розчину см3 на см3 іоніту (qп = 5 см3/см3) ступінь регенерації перевищує 90 %. Високу ефективність при регенерації забезпечив і концентрат баромембранного очищення води. Через нижчу його мінералізацію в 6 порівнянні з 8 %-ним розчином хлориду натрію регенерація відбувалася дещо повільніше. Проте при питомій витраті розчину 9 см3/см3 ступінь регенерації перевищив 94 %. На 150 см3 іоніту витрата концентрату в даному випадку сягає 1350 см3, в той же час як об'єм концентрату отриманого при зворотноосмотичному знесоленні 10 дм3 води сягав 2 дм3. Тому його достатньо, щоб катіоніт практично повністю перевести в Na+-форму.