Demineralizacja
|
Demineralizacja wody.
Niektóre procesy technologiczne wymagają dostarczania wody o bardzo wysokim stopniu czystości, często całkowicie zdemineralizowanej. Woda zdemineralizowana stosowana jest m.in.: w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym, elektronicznym, energetycznym (woda dla kotłowni parowych), a także w analityce laboratoryjnej, technice klimatyzacyjnej, w lecznictwie oraz wszędzie tam, gdzie wysoka jakość wody jest warunkiem prawidłowego funkcjonowania urządzeń.
Proces demineralizacji polega na usunięciu z wody wszystkich kationów i anionów, pochodzących z rozpuszczonych w niej soli. Można tego dokonać za pomocą: – odwróconej osmozy RO, – wymiany jonowej, – destylacji. Dobór metody zależy od ogólnej zawartości soli (TDS – total dissolved solids) i zapotrzebowania na wodę. Wielkością używaną do mierzenia stopnia odsolenia (zdemineralizowania) wody jest przewodność elektryczna wody, wyrażana w mikrosiemensach (mS/cm). Jeden mikrosiemens odpowiada oporności 1 miliona omów i jest równy zawartości 0,4 mg soli kuchennej w 1 litrze wody. Urządzenia do odmineralizowania wody są kontrolowane przez pomiar przewodności wody uzdatnionej.
1. Demineralizacja metodą odwróconej osmozy.
Metoda ta polega na podaniu pod wysokim ciśnieniem wody surowej (wstępnie uzdatnionej) na półprzepuszczalną membranę, która oddziela dwa roztwory o różnych stężeniach. Cząsteczki czystej wody pod wpływem wysokiego ciśnienia przechodzą przez membranę tworząc permeat, zaś cząsteczki soli i innych zanieczyszczeń takich jak: koloidy, bakterie zostają zatrzymane po stronie naporu wody surowej. Rozpuszczone cząsteczki soli i innych zanieczyszczeń ulegają koncentracji i są odprowadzane do kanalizacji. Gazowe składniki wody (tlen, dwutlenek węgla itd.) przechodzą przez membranę. 1.1 Parametry charakteryzujące urządzenia do odwróconej osmozy. Urządzenia do odwróconej osmozy różnią się między sobą stopniem odzysku wody, stopniem usunięcia soli, a także wyposażeniem wchodzącym w skład RO.
Stopień odzysku wody So oznacza procent dopływającej do membran wody, która wypływa z membran odsolona (permeat). Zwykle stopień odzysku wody wynosi 50-80%. Oznacza to, iż aby uzyskać wydajność 1 m3/h wody odsolonej przy stopniu odzysku równym 75%, należy dostarczyć jej do urządzenia w ilości 1,3 m3/h. Stopień usunięcia soli oznacza procent soli usuniętych z wody zasilającej przez membrany. Typowy stopień usunięcia soli dla membran RO wynosi 95-99%. Stopień przejścia soli oznacza procent rozpuszczonych soli, które przeszły przez membranę. Woda odsolona (permeat) oznacza produkt otrzymany w procesie RO.
1.2. Budowa urządzenia do odwróconej osmozy.
Podstawowym elementem urządzenia do odwróconej osmozy RO jest membrana (błona półprzepuszczalna). Produkowane obecnie membrany wytwarzane są z różnego rodzaju tworzyw sztucznych. Membrana wraz z tzw. przekładką jest nawinięta spiralnie na perforowanej rurze. Rura ciśnieniowa tworząca obudowę membrany może być wykonana ze stali nierdzewnej lub z PCV. Woda pod odpowiednim ciśnieniem wpływa do modułu membrany i rozdzielana jest na dwa strumienie: wody odsolonej odprowadzanej rurą centralną do wylotu oraz odsolin (koncentratu soli i koloidów) odprowadzanych do odpływu (kanalizacji). Technologia „przepływu krzyżowego” zastosowana w membranach (przepływ wody zasilającej i koncentratu równoległy do membrany) wykorzystuje ciśnienie, które inicjuje niskotemperaturowy i niskoenergetyczny proces oczyszczania.
Wydajność membran do odwróconej osmozy zależy od wielu parametrów. Są nimi: ciśnienie, temperatura wody, stężenie soli, stopień odzysku wody i odczyn wody. Urządzenia do RO posiadają niezbędną armaturę (zawory odcinające, zawory zwrotne, elektromagnetyczne) i przyrządy pomiarowe (manometry, rotametry, konduktometr). Zmontowane są przeważnie na stalowej ramie lub, dla małych wydajności, na tablicy do powieszenia na ścianie. Do tłoczenia wody do membran (podnoszenie ciśnienia wody surowej) stosuje się wysokociśnieniowe pompy, zazwyczaj wykonane z brązu lub ze stali szlachetnej. 1.3. Technologia przygotowania wody do procesu odwróconej osmozy.
Przygotowanie wody przed podaniem jej na RO polega na usunięciu z niej wszystkich substancji mogących zakłócić lub uniemożliwić pracę membran wskutek ich zablokowania. Typowy ciąg technologiczny wstępnego przygotowania wody do procesu odwróconej osmozy wygląda następującą:
Prawidłową technologię przygotowania wody do procesu odwróconej osmozy, determinuje pełna analiza wody surowej, którą należy wykonać przed doborem urządzenia. 1.4. Parametry wody zasilającej urządzenie RO. Twardość ogólna – twardość wody zasilającej urządzenie RO powinna być bliska 00n (niektórzy producenci podają Tw < 0,5dH). Wolny chlor – zawartość wolnego chloru w wodzie zasilającej dla membran różnych producentów waha się w granicach 0¸0,1 mg/dm3. Mętność - powinna być mniejsza od 1 NTU. Odczyn – dla większości membran dopuszczalny zakres pH wynosi 2¸11. Temperatura – maksymalna dopuszczalna temperatura robocza wody wynosi 40oC. Krzemionka – zawartość krzemionki ma wpływ na wielkość stopnia odzysku. Dla danej zawartości krzemionki w wodzie zasilającej należy sprawdzić stopień odzysku wody według poniższej formuły:
Typowy stopień odzysku wody wynosi 75%. Stosowanie urządzeń do odwróconej osmozy posiada szereg zalet w stosunku do odsalania wody innymi metodami m.in. nie wymaga stosowania kwasów i zasad. 1.5. Kryteria doboru urządzeń do odwróconej osmozy. W celu zapewnienia bezawaryjnej pracy oraz ze względu na wrażliwość membran, woda wpływająca do urządzenia RO musi spełniać określone warunki co do granicznych zawartości pewnych związków w niej zawartych – głównie żelaza, twardości, mętności. Ponadto membrany RO są nieodporne na rozpuszczony w wodzie chlor. Z tego względu woda poddawana procesowi odwróconej osmozy musi być zawsze wstępnie uzdatniona.
Ilość substancji rozpuszczonych. Pierwszym krokiem przy doborze RO jest wyliczenie ilości substancji rozpuszczonych w wodzie TDS (total dissolved solids). Indeks TDS można wyliczyć wg podanego niżej sposobu:
Na podstawie indeksu TDS można określić wydajność urządzenia RO dla danego ciśnienia. Maksymalna wartość TDS jest różna dla różnych membran i może wynosić: 500-2000 mg/dm3 dla membran do wody wodociągowej i 32000-35000 mg/dm3 dla membran do wody morskiej.
2. Demineralizacja metodą wymiany jonowej.
Demineralizacja metodą wymiany jonowej gwarantuje usunięcie z wody praktycznie wszystkich rozpuszczonych substancji. Metoda ta wymaga jednak rozbudowy instalacji o układy magazynowania i dystrybucji NaOH i HCl. Związki te służą do regeneracji złóż oraz do neutralizacji ścieków poregeneracyjnych.
Cząsteczki rozproszonych w wodzie soli, kwasów i zasad są zdysocjowane tzn. rozdzielone na dodatnio naładowane kationy i ujemnie naładowane aniony. Proces wymiany jonowej polega na wymianie jonów występujących w wodzie na jony wodoru lub wodorotlenku, które znajdują się na złożu. Kationy wymieniane są na wodór (H+), a aniony – na grupę wodorotlenową (OH-). Proces ten można przedstawić za pomocą następującej reakcji: H-RK + K+ + A- = K-RK + H+ + A- RA-OH + K+ + A- = RA-A + K+ + OH- Proces jest odwracalny, a wymiana zachodzi w równoważnych ilościach. Demineralizacja metodą wymiany jonowej może być przeprowadzona dwoma sposobami.
2.1. Demineralizacja w układzie dwóch kolumn.
Demineralizacja odbywa się w układzie dwóch kolumn, z których jedna wypełniona jest silnie kwasowym kationitem pracującym w cyklu wodorowym, druga – silnie zasadowym anionitem pracującym w cyklu wodorotlenowym. Kationy i aniony wymieniane są po kolei, tzn. na dwóch rozdzielonych stopniach (w dwóch kolumnach).
Po przepuszczeniu określonej ilości wody złoża jonitowe należy poddać regeneracji. Kationit regeneruje się 6% kwasem solnym HCl, który przechowywany jest w zbiorniku kwasu w formie zatężonej 33%. W wyniku procesu regeneracji kwasem powstają ścieki silnie kwaśne o pH 1-2, zawierające także duże ilości jonów chlorkowych. Do regeneracji anionitu używa się wodorotlenku sodowego NaOH o stężęniu 4-6%. Zasada ta magazynowana jest w zbiornikach ługu o stężęniu 42%. W wyniku tej regeneracji powstają ścieki alkaliczne o pH 11-12.
2.2. Demineralizacja na złożu mieszanym.
Demineralizacja odbywa się w jednym zbiorniku wypełnionym złożem mieszanym, będącym specjalnie zestawioną kombinacją jonitów, składającą się z kationów silnie kwasowych i anionitów silnie zasadowych. Stosunek ilościowy kationitu do anionitu zależy od składu chemicznego roztworu. Wymiana jonowa na złożu mieszanym pozwala na uzyskanie wody o wysokiej jakości, która znacznie przewyższa jakość wody uzyskanej w wyniku destylacji lub wymiany jonowej na dwóch kolumnach. Przy wymianie na złożu mieszanym usuwany jest także rozpuszczony CO2 oraz krzemionka. Złoże kationitu, wchodzące w skład złoża mieszanego, jest regenerowane kwasem solnym, a złoże anionitu – wodorotlenkiem sodowym. Mieszanina ziarna jonitowego, dzięki zastosowaniu płukania przeciwprądowego, jest rozdzielana przed regeneracją. Z powodu różnicy ciężarów właściwych względnie cięższe złoże kationitowe pozostaje w dolnej części zbiornika, a lżejsze ziarna anionitu zbierają się w górnej części zbiornika jonitowego. Po regeneracji złoże poddaje się płukaniu i wreszcie na zakończenie ziarna są ponownie intensywnie mieszane przy użyciu wody i powietrza.
|
typ EI8W |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
