Способ глубокой очистки подземных вод

 

Изобретение относится к способам очистки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, в частности к способам очистки природных вод от железа, марганца и солей жесткости, и может быть использовано с целью получения обессоленной воды для приготовления аккумуляторного электролита. Способ глубокой очистки подземных вод включает последовательные стадии механической фильтрации, Na-катионирования с регенерацией катионита 5-7%-ным раствором хлористого натрия и электродиализного обессоливания, причем перед стадией механической фильтрации воду подвергают аэрации, а механическую фильтрацию осуществляют в напорном фильтре, заполненном инертным материалом. В качестве инертного материала используют кварцевый песок, кварциты, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. На стадии электродиализного обессоливания соотношение потоков дилюата Q_обесс и рассола Q_расс составляет (3-5):1. Способ обеспечивает оптимальную технологическую схему очистки бикарбонатных подземных вод в сочетании с методом электродиализного обессоливания. 2 табл. , 1 ил.

Изобретение относится к способам глубокой очистки подземных вод, в частности к способам очистки природных вод от железа, марганца и солей жесткости, и может быть использовано с целью получения обессоленной воды для приготовления аккумуляторною электролита. Кроме того, изобретение может быть использовано в любых отраслях промышленности, где требуется дистиллированная вода.

Широко распространен метод термической дистилляции воды, заключающийся в испарении воды при нагревании и сборе охлажденного конденсата (Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды/ Кульский Л.А. и др.- Киев: Наукова думка, 1980.- Часть 1,- 680с). Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса термического испарения и большой расход охлаждающей воды. К тому же промышленные дистилляторы однократной перегонки не позволяют получить воду требуемого качества. Удельное электрическое сопротивление воды, ρ₀= 100-140 кOм•cм, в то время как по ГОСТ 6709-72 ρ₀ дистиллированной воды должно быть не менее 200 кОм•см.

Известен способ электродиализного обессоливания воды, включающий в себя стадию механической фильтрации через угольный фильтр, стадию умягчения посредством пропускания воды через Na-катионитовый фильтр с регенерацией катионита 5-7%-ным раствором хлористого натрия и электродиализное обессоливание (Гребенюк В.Д. Электродиализ.-Киев: Техника 1976,- 160с). Недостатком способа является то, что он непригоден для очистки гидрокарбонатных подземных вод. Максимальное электрическое сопротивление воды, полученной данным способом, составляло 20 кОм•см, что далеко от требований ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Данный способ выбран за прототип.

Таким образом задачей изобретения является разработка экономически выгодного способа получения обессоленной воды, соответствующей требованиям ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия".

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в выборе оптимальной технологической схемы очистки бикарбонатных подземных вод в сочетании с методом электродиализного обессоливания.

Предлагается способ глубокой очистки подземных вод, включающий, как и прототип, последовательные стадии механической фильтрации, Na-катионирования с регенерацией катионита 5-7% раствором хлористого натрия и электродиализного обессоливания. В отличие от прототипа, перед стадией механической фильтрации воду подвергают аэрации, а механическую фильтрацию осуществляют в напорном фильтре, заполненном инертным материалом. В качестве инертного материала могут использоваться кварцевый песок, кварциты, альбитофир, горелые породы и др.

На стадии электродиализного обессоливания соотношение потоков дилюата Q_обесс и рассола Q_расс составляет (3-5):1.

В дальнейшем суть предлагаемого изобретения поясняется описанием технологической схемы, изображенной на прилагаемом чертеже, и примерами конкретного исполнения способа.

На чертеже представлена технологическая схема процесса глубокой очистки подземной воды. Исходная вода поступает в аэратор 1, где насыщается кислородом воздуха. Ионы Fе²⁺, присутствующие в воде в виде растворимого гидрокарбоната Fe(HCО₃)₂, окисляются кислородом до Fe⁺³ и переходят в нерастворимую гидроокись Fe(OH)₃. Далее вода подастся насосом 2 в механический напорный фильтр 3, где освобождается oт железа. Направление фильтрации сверху вниз. В верхней части фильтра 3 имеется смотровое окошко из оргстекла, через которое можно следить за накоплением осадка гидроокиси железа на верхней границе фильтрующего слоя. При накоплении слоя осадка толщиной 2-4 см он смывается при интенсивном взрыхлении фильтрующей загрузки обратным током воды, снизу вверх, в течение 15-20 мин. Обезжелезенная вода поступает на Na-катионитовый фильтр 4, заполненный ионообменной смолой КУ-2 в Na⁺-форме. Направление фильтрации сверху вниз. При этом вода почти полностью освобождается oт солей жесткости. Остаточное содержание кальция 0,6-1,5 мг/л, магния менее 0,5 мг/л. Регенерация катионита осуществляется 5-7%-ным раствором хлористого натрия, который готовится в солерастворителе 5. Раствор подается насосом в верхнюю часть колонны 4. Направление регенерации сверху вниз. После регенерации катионит промывается обезжелезенной водой и вновь готов к работе. Вода, очищенная от солей жесткости и железа, подается в электродиализатор 6, где разделяется на два потока: дилюат и рассол. Соотношение потоков дилюата Q_обесс и рассола Q_расс определено экспериментально и составляет (3-5):1. Обессоленная вода поступает в накопительную емкость 8, а рассол, который представляет собой раствор солей натрия, в основном гидрокарбоната и хлорида, и не является токсичным, сбрасывается в канализацию. На выходе дилюата из электродиализатора 6 установлен прибор контроля качества воды 7, который измеряет удельное электрическое сопротивление воды ρ₀. Электрические параметры электродиализатора подбираются таким образом, чтобы прибор 7 показывал ρ₀ не менее 200 кОм•см.

Предлагаемый способ глубокой очистки подземных вод является эффективным способом получения высококачественной дистиллированной воды с минимальными энергозатратами.

Пример 1. Для очистки подземной воды использовалась установка производительностью 50 л/ч. Диаметры механического и Na-катионитового фильтров 250 мм. Высота фильтрующей загрузки 1200 мм. Механический фильтр заполнен кварцевым песком с размером частиц 0,7-1,2 мм, а Na-катионитовый - ионообменной смолой КУ-2 в Na⁺-форме. Электродиализатор (ЭДА) собран из десяти пар мембран МК-40 и МА-40 с прокладками лабиринтного типа. Исходная вода имела общую жесткость 3,1 моль/м³. Содержание железа (общего) 0,52 мг/л.

Исходная вода подавалась в аэратор, где насыщалась кислородом воздуха. Аэратор снабжен автоматикой для поддержания уровня воды. Далее насосом CHl 2-20 вода подавалась в верхнюю часть механического фильтра, где освобождалась от осадка гидроокиси железа. Скорость прокачки через механический фильтр 70-90 л/ч. Содержание железа после механического фильтра 0,15-0,2 мг/л. Периодичность промывки фильтра обратным током воды зависит от содержания железа в исходной воде и составляет примерно один раз в 15-30 дней. Обезжелезенная вода из нижней части механического фильтра подавалась в верхнюю часть Na-катионитового фильтра. Ионы Са²⁺ и Mg²⁺, определяющие жесткость волы, поглощаются катионитом и из нижней части фильтра выходит умягченная вода. Общая жесткость воды после ионообменного фильтра 0,02 моль/м³. Регенерация катионита осуществлялась 5-7%-ным раствором хлористого натрия. Периодичность регенерации зависит от жесткости исходной воды. Фильтр снабжен расходомером, чтобы знать количество умягченной воды, и через 5-7 м³ производится регенерация катионита. Обезжелезенная и умягченная вода поступала в электродиализатор. Питание ЭДА осуществляется от источника постоянного электрического тока. Напряжение питания 250-300 В. Потребляемый ток 2,5-3 А. Контроль за качеством дистиллята ведется по прибору, измеряющему удельное электрическое сопротивление воды. Величина тока подбирается таким образом, чтобы ρ₀ воды было 200-210 кОм•см. При меньшем ρ₀ вода не будет соответствовать требованию ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Повышение ρ₀ более 210 кОм•см приводит к непроизводительным затратам электроэнергии. Качество воды и энергозатраты зависят от соотношения потоков дилюата и рассола. Экспериментально было оптимизировано соотношение Q_обесс/Q_расс. При постоянном потоке дилюата, равном 50 л/ч, изменялся поток воды через рассольные камеры Данные сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола Q_обесс/Q_расс составляет (3-5):1. При Q_обесс/Q_расс менее 3:1 резко снижается удельное электрическое сопротивление очищенной воды. При Q_обесс/Q_расс более 5: 1 качество воды улучшается незначительно, но начинается заметный разогрев электродиализатора, т.е. часть электричества тратится на выделение тепла.

Результаты анализа воды приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, вода полностью соответствует требованиям ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Потребляемая мощность установки с учетом перекачки воды 1-1,2 кВт•ч.

Формула изобретения

Способ глубокой очистки подземных вод, включающий последовательные стадии механической фильтрации, Na-катионирования с регенерацией катионита 5-7%-ным раствором хлористого натрия и электродиализного обессоливания, отличающийся тем, что перед стадией механической фильтрации воду подвергают аэрации, механическую фильтрацию осуществляют в напорном фильтре, заполненном инертным материалом, а на стадии электродиализного обессоливания обеспечивают соотношение потоков дилюата и рассола Q_обесс/Q_расс в диапазоне (3-5): 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2