Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 3

Электродиализная установка представляетсобой набор поочередно установленных катионообменных и анионообменныхмембран из ионообменных смол (органические полимеры искусственногопроисхождения).Катионообменныемембраныизбирательнопропускаютположительно заряженные ионы, а анионообменные – ионы с отрицательнымзарядом. В результате ионного обмена в дилюатных камерах собираетсяобессоленная вода, а в смежных концентратных камерах образуется рассол.Принципиальная схема электродиализной установки показана на рисунке 4 [1, 83,86].16Электродиализ широко используется для опреснения солоноватой воды, нопрактически не применяется для соленой из-за резкого роста потребленияэлектроэнергии и уменьшения срока службы дорогостоящих ионообменныхмембран при работе в условиях возрастающей разности потенциалов междуэлектродами. На надежность работы электродиализных установок оказываютвлияние многовалентные ионы, например, железа и органические вещества,которые могут необратимо сорбироваться мембранами.

Электродиализныесистемы в большинстве случаев требуют обязательной предварительной очисткиисходной воды. Важно и то, что все неполярные вещества остаются в конечномпродукте. Эти обстоятельства не позволяет использовать электродиализ массово,хотя он входит в число перспективных технологий [78, 118, 124, 134, 140].Схема электродиализной установкиОбратный осмос заключается в фильтровании воды с использованиемполупроницаемых мембран, которые не пропускают через себя растворенные вводе соли, тем самым позволяя разделять исходную воду на пермеат и ретентат(концентрат). В случае, когда полупроницаемая мембрана разделяет растворы сразличной концентрацией солей при атмосферном давлении, молекулы водыдвижутся из менее насыщенного в более насыщенный раствор. Но при воздействиина раствор с большей концентрацией солей внешним давлением, величина17которого превышает осмотическое (зависит от солености исходной воды, так дляводы с солесодержанием 35 г/л величина осмотического давления оказываетсяпорядка 25 атм.), молекулы воды начинают перемещаться через мембрану вобратномнаправлении(извысококонцентрированногорастворавнизкоконцентрированный) [31, 58, 115].Более 60% процентов пресной воды в мире производится с применениемтехнологии обратного осмоса в установках производительностью от 0,1 м3/сутки вбыту и на флоте до 400 тысяч м3/сутки в промышленных масштабах.

Основнойпричиной столь широкого применения является низкое энергопотребление вплотьдо 5 кВт ∙ ч⁄м , которое стало возможным за счет внедрения эффективныхмембран и улучшения конструкции установок (использование турбин длярекуперации гидравлической энергии позволяет сократить энергозатраты на 30 %)[18, 98, 130].В настоящее время большинство обратно осмотических опреснительныхустановок снабжаются мембранными модулями со спиральной конфигурацией(рисунок 5). В качестве материалов для изготовления мембран используютполимеры, как природные (целлюлоза), так и синтетические (полиамид).Современные тонкопленочные композитные мембраны значительно повысилиэксплуатационные характеристики установок: уменьшилось рабочее давление,повысилась удельная производительность и степень очистки, что привело кобщему снижению расхода энергии на опреснение [93, 126].Максимальное рабочее давление, действующее на мембрану, определяется еесобственнымипрочностнымихарактеристикамииэксплуатационнымиособенностями – с увеличением давления мембрана быстрее засоряется солями илидругими веществами.

Необходимый уровень давления зависит от качестваисходной воды и требований к пермеату; как правило, находится в диапазоне от 17до 27 баров для солоноватой воды и от 55 до 82 баров для морской воды (при этомдоля обессоленной воды составляет не более 50 %) [90, 129].18Спиральный мембранный модульПриочевидныхдостоинствахполимерныемембранынелишенынедостатков, а именно: невысокая механическая прочность, подверженностьобразованию осадков солей и их осаждению на поверхности мембраны; склонностьк гидролизу и окислению в присутствии атомов хлора, окиси хлора и озона;чувствительность к солености воды, наличию в ней взвешенных частиц, бактерий,и других веществ; необходимость в профилактической регенерационнойпромывке. Перечисленные недостатки ограничивают ресурс мембран. Какправило, мембранные модули подлежат полной замене уже через 1 год [6, 118].Поэтому в системах с обратноосмотическими модулями обязательнопредусматривают предварительную очистку исходной воды для предотвращениябыстрого выхода мембран из строя.

Предварительная обработка может бытьреализованаразличнымиметодамисиспользованиемфизическойи/илихимической фильтрации, введением ингибиторов. В любом случае комплексмероприятий по предварительной водоподготовке сопряжен с эксплуатационнымирасходами из-за увеличения энергопотребления дополнительного оборудования,затрат на восполнение химикатов и замену фильтрующих элементов. Насебестоимости обслуживания сказывается и необходимость в квалифицированномобслуживающем персонале [79, 144].19Продолжается поиск новых эффективных материалов для создания мембран,которые должны качественно повысить характеристики обратноосмотическихустановок. Одно из перспективных направлений исследований – использованиенанопористых материалов, в том числе графена [40, 106, 135].Ведутся исследования и в направлении создания мембран, не пропускающихбор при естественном для морской воды уровне кислотности.

Бор являетсявредным для сельского хозяйства элементом. Обессоленная вода должна иметьконцентрацию бора менее 1 ppm [92, 112].Метод обратного осмоса эффективен для обессоливания вод со средней инизкой соленостью, но практически не используется в регионах, где общеесодержание растворенных солей выше среднего и с высокой температуройокружающей среды (более 32 °С), например, в странах Персидского залива.

Привысоких температурах процесс гидролиза мембран протекает интенсивнее, чтоуменьшает период их эксплуатации. В условиях жаркого климата площадки, накоторых размещены мембранные опреснительные установки, нуждаются всистемах кондиционирования, что также приводит к увеличению общегоэнергопотребления опреснительной системой [20, 128].Пермеат на выходе из мембранного модуля имеет среднюю соленость вдиапазоне 400…600 мг/м3, что существенно выше, чем при дистилляции. Дляполучения питьевой воды требуется реализация дополнительных этапов очистки иводоподготовки. Схема технологического процесса опреснения с использованиемтехнологии обратного осмоса представлена на рисунке 6 [109].20Схема технологического процесса опреснения с использованиемстадии обратного осмоса [109]К первой группе способов опреснения также относятся ионный обмен, вкотором ионы солей удаляются из воды с помощью сорбционных фильтров изионообменных смол, и химическое опреснение, при котором в соленую водувводят осаждающие реагенты, которые при взаимодействии с растворённымиионами солей (к ним относятся соли серебра и бария), образуют выпадающие восадок соединения.

Рентабельность этих способов при обессоливании водылимитирована исходным содержанием растворенных солей в диапазоне 1…2 г/л.Высокий расход дорогостоящих реагентов и сложность технологического процессане позволяют рекомендовать данные способы для применения с целью опресненияморской воды [1, 35, 118].Среди способов опреснения, в которых реализуются фазовые переходы воды,выделяют:опреснениезаморозкой,мембраннуюдистилляцию(MD),многоступенчатую дистилляцию с мгновенным вскипанием (MSF), многократнуюдистилляцию (MED) и дистилляцию с сжатием пара (VC).Обессоливание воды замораживанием основано на том, что образованиекристаллов льда в соленом растворе при понижении температуры происходит впервую очередь из молекул воды.

Классифицируют следующие методы процесса21опреснения замораживанием: с использованием естественного холода; с отборомтепла от соленой воды через теплопередающую поверхность, охлаждаемуюхолодильнойустановкой;привакуумно-испарительномохлаждении;принепосредственном контакте соленой воды с хладагентом, не смешивающимся сводой (газогидратный). Опреснение в установках всех типов представляет из себяпоследовательность стадий: кристаллизация-льдообразование; сепарация льда ирассола; плавление льда.

В установках последнего типа добавляется процессразделения хладагента и пресной воды, в котором выделяющийся газообразныйхладагентможетбытьрекуперирован.Методзамораживанияпринепосредственном контакте с хладагентом возможен благодаря тому, что частьуглеводородных газов (пропан, циклопропан, бутан, изобутан, этилен, фреоны)обладает возможностью при определенных условиях образовывать с водойсоединения клатратного типа (газогидраты) с общей формулой М•nН2О (М –молекула гидратобразующего газа). Газогидратный метод отличается болеевысокой температурой проведения процесса по сравнению с остальнымиспособами образования льда, что позволяет уменьшить энергетические затраты ипотери холода в окружающую среду [56, 67, 118].Процесс опреснения замораживанием активно изучался во многих странах вовторой половине 20-ого века.

В первую очередь, это объясняется тем, что удельнаятеплота плавления льда практически на порядок меньше удельной теплотыпарообразования.Темнеменееданнаяконцепцияоказаласьнеконкурентоспособной по сравнению с дистилляцией и обратным осмосом из-заприсущих ей недостатков: низкая удельная производительность, что обуславливаетбольшие капитальные вложения; энергозатратная технология эффективнойсепарации льда от маточного раствора; сложное конструктивное исполнениеустановок; сильная зависимость параметров работы от сезонности и погодныхусловий;сложностьпрогнозированиястепениочистки;необходимостьсоблюдения последовательности циклов заморозки-плавления [45, 79, 111].22Методдистилляциипризнаетсявмировойпрактикенаиболееуниверсальным методом очистки воды, поскольку позволяет получать чистую водуиз практически любого источника.