Что происходит при прохождении воды через последовательно установленные Н⁺ и ОН^- фильтра, заполненные сильноосновными катионитом и анионитом? Сразу оговоримся, что к воде, подаваемой на подобную установку есть определенные требования, которые необходимо соблюдать, чтобы избежать повреждения смолы и снижения эффективности ее работы:

• электропроводность не более 10 мкСм/см;
• жесткость общая не более 3 мг-экв/дм³;
• содержание железа не более 50 мкг/дм³;
• солесодержание не более 1000 г/л;
• рН исходной воды должен находиться в пределах 6,5-10;
• свободного хлора менее 0,1 мг/л;
• показатель окисляемости не должен превышать 4 мгО2/л;
• содержание кремнекислоты не более 40 мкг/дм³;
• температура не более 45^о С.

На выходе из установки удельная электропроводность, в таком случае, должна составлять величину до 1 мкСм/см. Для получения воды с показателями электропроводности до 0,1 мкСм/см, необходимо после Н-ОН фильтров установить Н - фильтр второй ступени, предназначенный для удаления проскока Na ⁺ и далее, подать воду на ФСД (фильтр смешанного действия).

В H - катионитовом фильтре, содержащиеся в воде катионы, главным образом Ca²⁺, Mg ²⁺ и Na ⁺, обмениваются на водород-катионы. После Н - катионитовых фильтров вода проходит через ОН - анионитовые фильтра, где аниониты образовавшихся кислот (сульфаты, хлориды, соединения кремниевой и угольной кислот) обмениваются на ионы ОН^-. В итоге, на выходе получается обессоленная (деминерализованная) вода с высокой степенью чистоты, подходящая для процессов, требующих минимального содержания солей, таких как химическая промышленность, электроника, энергетика.

Рис.1 установки ионного обмена

Обратный осмос используется для обессоливания (опреснения) всех типов вод в установках самой разной производительности. Эффективность процессов обратного осмоса определяется в значительной мере свойствами применяемых мембран. 

Основными характеристиками мембран являются производительность и селективность. Однако эти характеристики зависят не только от самой мембраны, но и от параметров процесса разделения. К таким параметрам, в первую очередь, относятся: давление, температура, солесодержание исходной воды и гидравлический КПД.

При увеличении рабочего давления удельная производительность мембран возрастает линейно, а селективность возрастает.

С ростом температуры повышается подвижность ионов и молекул, что в итоге обеспечивает рост удельной производительности мембраны при одновременном снижении ее селективности.

Существенным аспектом при разработке мембранных установок является учет температуры питающей воды. Производительность мембран при температуре воды 4 °С примерно в два раза ниже, чем при 25 °С. Такая сильная зависимость может быть критична, если производительность установки необходимо поддерживать на заданном уровне независимо от возможного понижения температуры входной воды.

При увеличении солесодержания исходной воды приводит к снижению производительность мембраны и селективности мембраны.

Обратный осмос позволяет удалять из воды растворенные соли, неорганические и органические вещества с молекулярной массой свыше 100 Да (Дальтон).

Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации, и увеличивается с ростом этих характеристик. Эффективность удаления поливалентных элементов зависит от их состояния в растворе. Степень очистки от элементов, склонных к гидролизу и образованию псевдоколлоидов, значительно выше, чем от солей в ионной форме.

Для обеспечения длительной стабильной эксплуатации обратноосмотических установок необходимо, чтобы вода, поступающая на мембраны, соответствовала определенным нормам, устанавливающим предельное содержание в ней компонентов (загрязнений), способных нарушить нормальную работу мембранного элемента. Гидравлический режим работы элемента должен соответствовать заданным изготовителем параметрам и следует принять меры к предотвращению выпадения осадков на поверхности мембран. Исходная вода должна содержать:

• взвешенных веществ не более 0,1 мг/л;
• коллоидных загрязнений по показателю КИ 15<5, а для промышленного применения (16-24 часа в сутки) КИ 15<3;
• железо, алюминий, марганец менее 0,1 мг/л;
• микробиологические загрязнения желательно минимизировать;
• органические загрязнения - в количестве не более 3 мг/л по ТОС;
• температура подаваемой воды не более 30-45 ° С;
• рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,0-12,0 - для полиамидных мембран (согласно рекомендациям производителя);
• свободного хлора - менее 0,1 мг/л - для тонкопленочных композитных полиамидных мембран, и не более 0,6 мг/л - для ацетатцеллюлозных мембран.

Результаты, полученные в реальных условиях эксплуатации, могут весьма существенно отличаться от приведенных выше, так как зависят от концентрации всех компонентов в исходной воде, рН и температуры раствора. Залогом получения достоверных данных для конкретных условий эксплуатации является проведение пилотных испытаний.

Рис. 2 Установки обратного осмоса

 

Основные преимущества каждого из методов.

Ионный обмен:

• возможность получения сверхчистой воды;
• отработанность и надежность;
• способность стабильной работы при резко меняющихся параметрах питающей воды;
• минимальные капитальные и энергозатраты;
• меньший расход питающей воды;
• минимальный объем вторичных отходов, обеспечивающий возможность их переработки.

Обратный осмос:

• стабильно высокое качество воды по взвесям, биологическим и органическим загрязнениям;
• минимальные количества реагентов и суммарных сбросов солей в окружающую среду;
• возможность сброса концентрата без обработки в канализацию;
• относительно низкие эксплуатационные затраты;
• отсутствие агрессивных реагентов.

Ионный обмен:

• высокий расход агрессивных реагентов;
• эксплуатационные расходы, растущие пропорционально солесодержанию воды;
• большое число переходных процессов (циклов регенерации);
• необходимость обработки регенератов и сложности с их сбросом.

Обратный осмос:

• необходимость тщательной предподготовки;
• желательность непрерывной работы установки;
• большой расход питающей воды и объем сбросных вод;
• большие энергозатраты.

Положительные, и отрицательные качества методов обессоливания зависят от солесодержания обрабатываемого раствора. Поэтому корректное сравнение эффективности различных методов возможно только для определенного значения этого параметра.

Разработка и совершенствование всех методов обессоливания, усовершенствование мембранных процессов, постоянно меняет соотношение стоимостей установок и очищенной воды. Кроме того, в настоящее время все большую роль играет экологичность процессов, т.е. количество сбрасываемых в окружающую среду солей, а также стоимость питающей воды и приема стоков на очистные сооружения.

Так, эксплуатационные расходы при обратном осмосе существенно зависят от способа предотвращения выпадения осадков. При применении ингибиторов их количество растет пропорционально содержанию солей жесткости. При умягчении с помощью ионного обмена необходимо учитывать расходы на эту операцию, которые также растут пропорционально содержанию солей жесткости. Кроме того, необходимо учитывать стоимость исходной воды, расход которой при обратном осмосе примерно в 1,5 раза выше, чем при ионном обмене, а также стоимость сброса отходов.

Высокие показатели чистоты воды имеет комбинированная схема, когда первая стадия обессоливания осуществляется безреагентным методом - обратным осмосом, а глубокая доочистка - ионным обменом. Такая схема позволяет сократить, по сравнению с «чистым» ионным обменом, расход реагентов и объем солевых стоков примерно в 10 раз при максимальном качестве очистки и высокой надежности оборудования.