Технологические решения современных водоподготовительных систем

А.А.  Пантелеев, Б.Е.  Рябчиков, О.В. Хоружий, Э.Р. Календарев

Часть 3 (Часть 1 Часть2 Часть4 Часть5)

Системы водоподготовки на основе интегрированных мембранных технологий

С точки зрения обеспечения минимального расхода реагентов и наивысшей экологичности при высоком качестве обессоленной воды наибольшую эффективность имеют комплексные ВПУ, составленные исключительно из мембранных модулей различного назначения: ультра и нанофильтрации, обратного осмоса, мембранной дегазации и электродеионизации, называемых в целом – интегрированные мембранные технологии (ИМТ) [39–45]. Первые узлы комплексной мембранной установки (рис. 3) работают аналогично с комбинированной схемой. Различие состоит в узле доочистки. В ИМТ эту функцию выполняет установка электродеионизации (УЭДИ) 7, являющаяся безреагентной альтернативой для замены ионного обмена в производстве высокоомной воды. Отметим, что декарбонизация осуществляется, как правило, методом отдувки. Этот принцип работы реализован как в широко распространенных пленочных и струйных декарбонизаторах, так и в мембранных дегазаторах. Выбор технологии определяется как технико-экономическими показателями (капитальные и эксплуатационные затраты), так и специфическими условиями реализации проекта. К примеру, низкие потолки в помещении, ограничения по несущим характеристикам опорных конструкций, по допустимой влажности в помещении и т.д. ограничивают возможности применения пленочных и струйных декарбонизаторов. Комплексная мембранная установка для подготовки глубоко обессоленной воды обеспечивает минимальный объем высокоминерализованных отходов. Отпадает необходимость в кислотно-щелочном хозяйстве, снижаются эксплуатационные расходы и резко улучшаются экологические параметры. Стоимость установки электродеионизации, как правило, меньше стоимости ионообменной установки, а при учете цены кислотно-реагентного хозяйства – существенно меньше. Такие установки наиболее целесообразны для вновь строящихся объектов. Особенно это актуально для труднодоступных районов, куда затруднен подвоз реагентов. Первая в России установка такого типа создана для ВПУ парогазовой электростанции г. Ноябрьска (Ямало-Ненецкий АО) [40]. Сравнительные показатели различных вариантов ВПУ приведены в табл. 4.

Таблица 4
Показатели различных вариантов ВПУ

Показатели различных вариантов ВПУ


Принципиальное отличие ИМТ от комбинированной схемы ВПУ состоит в использовании новой технологии – электродеионизации. Следует отметить, что внедрение электродеионизации началось относительно недавно – в 2000-е годы и на объектах энергетики она применяется пока мало. До недавнего времени основными потребителями были предприятия фармацевтики, медицины и микроэлектроники. Работа ВПУ в этих отраслях имеет ряд особенностей:

  • невысокий коэффициент эксплуатации (использования) оборудования (500–2000 ч);
  • невысокие требования к степени обессоливания фильтрата в фармацевтике – требования
    к УЭ по стандарту «высокоочищенная вода» – 1,1 мкСм/см;
  • исходной водой в большинстве случаев является достаточно хорошо подготовленная
    вода муниципального водопровода;
  • высокое качество изготовления УОО, в частности санитарное исполнение;
  • ответственность и высокая квалификация технологов и изготовителей оборудования,
  • хорошее финансирование.

Эти благоприятные обстоятельства способствовали успешному внедрению установок электродеионизации (УЭДИ). При этом, однако, обнаружились технические и практические особенности, которые необходимо учитывать при создании ВПУ с учетом электродеионизации. Заметные преимущества перед ионным обменом диктуют необходимость расширения масштабов применения электродеионизации в энергетике и промышленной водоподготовке. Вместе с тем, молодость технологии сказывается в том, что пока не достигнуто общее, подтвержденное эксплуатационным опытом мнение относительно того, какие проектные решения способны обеспечить работу схем обессоливания с использованием УЭДИ, адекватную по надежности ионообменным схемам. Чтобы разобраться, почему данный вопрос требует особого рассмотрения, необходимо более подробно обсудить, что же представляет собой электродеионизация и каковы условия ее надежной работы.

Финишная доочистка на основе электродеионизации

Электродеионизация (ЭДИ, EDI) – это процесс непрерывного обессоливания воды с использованием ионообменных смол, ионселективных мембран и постоянного электрического поля [30–38]. Основной движущей силой процесса ЭДИ является разность потенциалов электрического поля по обе стороны межмембранного канала, заполненного ионообменной смолой. Для его реализации применяются аппараты, в которых в пространстве между мембранами камер обессоливания располагается смешанный слой из сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита. Ионы под действием приложенного электрического поля движутся через частицы ионообменных смол, обладающих высокой электропроводимостью. Поэтому достижение высокой чистоты воды не приводит к перенапряжению в этой области. Одновременно под действием электрического тока иониты регенерируются. В концентратных каналах проводимость обеспечивается либо также размещением в них смешанного слоя ионитов, либо подачей в них раствора соли требуемой концентрации. Модуль электродеионизации содержит два электрода, пространство между которыми заполнено тонкими слоями ионитов, разделенных ионселективными мембранами (рис. 4). Такие мембраны представляют собой тонкоизмельченный катионит или анионит, спеченный с полиэтиленом в тонкую пленку.

Модуль электродионизации

Рис. 4. Модуль электродионизации
а – промышленный модуль ЭДИ; б – прокладка со слоем ионита

При степени использования исходной воды 90–95 % очищенная на УЭДИ вода может иметь удельное сопротивление на уровне 15–18 МОм·см и минимальные значения ТОС, содержания кремния и углекислоты. При этом солесодержание концентрата обычно ниже, чем солесодержание воды, подаваемой на установку обратного осмоса, поэтому он весь возвращается на вход этой установки (рис. 3). Производители базовых модулей электродеионизации предъявляют очень высокие требования к качеству воды, подаваемой на установку вне зависимости от ее конструкции (табл. 5).

Таблица 5
Требования производителей к качеству исходной воды установок ЭДИ

Требования производителей к качеству исходной воды установок ЭДИ

* Ряд производителей устанавливают предел 40 мкСм/см и более.

В этих условиях основными загрязнителями являются ионы натрия и хлора, имеющие минимальное сродство к ионитам и легко вытесняемые из них, а скорость электрохимической регенерации смеси ионитов, находящихся между мембранами, сопоставима со скоростью сорбции солей ионитами. В результате при отсутствии труднорегенерируемых компонентов (солей жесткости, железа, марганца) процесс протекает в равновесных условиях без загрязнения ионитов. Следует учитывать, что ограничение по электропроводности дается по приведенной УЭ, которая представляет собой сумму измеренной УЭ и дополнительных членов, зависящих от концентрации углекислого газа и кремния:
χ* = χизм + + χSi, мкСм/см,
где χизм – фактически измеренная УЭ, (мкСм/см); – вклад, учитывающий влияние свободной углекислоты и определяемый как концентрация свободной углекислоты (мг/дм3), умноженная на 2,66, мкСм/см; χSi – вклад, учитывающий влияние кремниевой кислоты и определяемый как концентрация кремниевой кислоты (мг/дм3), умноженная на 1,94, мкСм/см.

Использование данного показателя позволяет оценить реальную ионную нагрузку на аппарат при наличии в воде слабо диссоциирующих примесей, оказывающих лишь малое влияние на измеряемую УЭ.
Проблема обеспечения надежности систем водоподготовки на основе ИМТ состоит в крайней чувствительности установок электродеионизации к любым нарушениям в работе предшествующих им узлов (в большинстве случаев установок обратного осмоса), приводящих к ухудшению качества воды, подаваемой на УЭДИ. Как известно, иониты, особенно анионит, подвержены необратимому загрязнению органическими примесями, а катионит – железом, марганцем. Присутствие в воде солей жесткости, кремниевой кислоты, имеющих существенно большее сродство к ионитам, чем натрий и хлор, приводит к неполной регенерации ионитов и постепенному накоплению в них этих веществ. Происходит медленное отравление ионитов и ионселективных мембран. Взвешенные вещества забивают межмембранные прокладки и загрязняют саму их поверхность. При этом процесс деградации ионитов и мембран ЭДИ происходит существенно быстрее, чем в обычных ионообменных фильтрах, гораздо опаснее и менее способен к исправлению. Объясняется это напряженным режимом работы, при котором очистка того же объема воды происходит в существенно меньшем объеме и с использованием существенно меньшего количества ионитов. Например, в модуле электродеионизации производства компании Ionpure типа VNX50-EX производительностью 11,4 м3/ч содержится 15–20 л ионитов. Таким образом, если в установке финишной доочистки на ФСД производительностью 100 м3/ч объем ионитов составляет 3–5 м3, а в фильтрах с раздельными ионитами в 2–5 раз больше, то установка электродеионизации той же производительности содержит всего 100–150 л ионитов, т.е. в десятки, а то и в сотни раз меньше. Соответственно при нарушении в работе узла обратного осмоса, т.е. при проскоке солей или других загрязнений в фильтрат, установка электродеионизации выйдет из строя в десятки раз быстрее, чем ионообменная. Причем, в последней иониты могут быть восстановлены кислотно-щелочными промывками, а ионселективные мембраны ЭДИ не подлежат регенерации без разборки аппарата. В такой ситуации неудивительно, что, указывая предельное значение допустимого качества воды, производители не указывают срок службы модуля и качества фильтрата при тех или иных параметрах входной воды. Опыт эксплуатации установок с использованием ЭДИ в микроэлектронике и фармацевтике показывает, что требования, которые предъявляют производители к качеству воды, следует рассматривать как предельные, аварийные. На практике успешная и стабильная работа установок электродеионизации и получение на выходе высокочистой воды с χф < 0,1 мкСм/см реализуется лишь при следующих ограничениях для воды на входе:

  • приведенная УЭ – не более 5–10 мкСм/см;
  • остаточная жесткость – отсутствие или следовые значения;
  • концентрация железа – < 5 мкг/дм3;
  • концентрация растворенной углекислоты – 2–3 мг/дм3;
  • общий органический углерод – менее 50 мкг/дм3.

Важно при этом понимать, что само по себе удовлетворение этих требований «в среднем» не решает проблему надежности эксплуатации установки, поскольку для ее обеспечения необходимо удовлетворение этих требований и при любых переходных процессах, и при вариации условий работы: температуры, расхода, качества исходной воды, подаваемой на установку в целом, и т.д. Рассмотрим, каковы основные риски нарушения указанных требований к качеству воды на входе установок ЭДИ и возможные решения, позволяющие эти риски устранить.

(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.