Использование комплексообразователей при эксплуатации установок обратного осмоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование комплексообразователей при эксплуатации установок обратного осмоса

Первов А. Г., д.т.н., «WATERLAB», Рудакова Г. Я., к.х.н.,

ООО «НПФ Траверс», Андрианов А. П., «WATERLAB», Москва

Применение процесса обратного осмоса (нанофильтрации) чрезвычайно перспективно не только в промышленной водоподготовке (пищевая промышленность, энергетика, медицина, опреснение воды), но и в питьевом водоснабжении.

Современное состояние городского строительства требует подачи в здания не только качественной питьевой воды, удовлетворяющей требованиям СанПиН, но и воды для специальных технологических нужд: подпитки контуров теплосети и отопления, оросителей и испарителей систем кондиционирования воздуха, паровых котлов «крышных котельных» для систем теплоснабжения.

В зависимости от требований к качеству подготовленной воды в системах нанофильтрации используются мембраны с разными показателями селективности (солезадерживающей способностью). Для нужд подпитки теплосети и горячего водоснабжения карбонатный индекс KI очищенной воды в мембранных установках должен удовлетворять следующим условиям:

осмос обратный промышленный водоснабжение

KI = [Ca²⁺]*[HCO₃-] ? 2 - 5,

где [Ca²⁺] и [HCO₃-] - концентрация кальция и щелочность, мг-экв/л.

Для обеспечения таких требований идеально подходят нанофильтрационные мембраны в сочетании с мембранными элементами с открытым каналом, исключающим образование застойных зон и осадка карбоната кальция, резко снижающего время работы аппарата.

При необходимости получения питательной воды для паровых котлов и контуров систем кондиционирования воздуха требуется вода со значениями жесткости на уровне 0,01 - 0,02 мг-экв/л. Традиционно для получения глубоко умягченной воды используются двухступенчатые системы натрий-катионирования или вместо первой ступени натрий-катионирования - установки обратного осмоса. И в том и в другом случае схемы глубокого умягчения требуют высоких эксплуатационных затрат (на таблетированную соль, ингибитор, моющие растворы, частое сервисное обслуживание) и расходов на утилизацию регенерационных растворов. Экономический эффект от применения технологии нанофильтрации определяется сокращением затрат на обслуживание установок.

На основе вышеприведенных разработок созданы схемы двухступенчатого умягчения воды с применением мембранных нанофильтрационных аппаратов на первой ступени и аппаратов обратного осмоса на второй ступени (рис. 1). При эксплуатации таких схем часто не требуются реагенты. Период безостановочной работы составляет свыше 2500 ч.

Рис. 1. Технологическая схема получения глубоко умягченной воды

1 - насос первой ступени;

2 - нанофильтрационные аппараты первой ступени;

3 - насос второй ступени;

4 - ингибиторный патрон;

5 - обратноосмотический аппарат; 6 - промежуточный бак-аккумулятор;

7 - вентиль регулировки давления

Для определения эксплуатационных характеристик мембранных схем с использованием аппаратов обратного осмоса и нанофильтрации (определение типа моющих растворов, времени непрерывной работы и др.) разработана специальная компьютерная программа. Благодаря новым типам мембран и мембранным аппаратам продолжительность работы максимально увеличена, что приводит к снижению затрат на обслуживание установки.

Программы по использованию химикатов, предлагаемые поставщиками реагентов, не всегда дают исчерпывающую информацию. Эффективность часто ограничивается допустимыми пределами растворимости солей и требованиями не превышать эти пределы. А рекомендации по промывкам носят общий характер, не будучи точно привязаны к каждому конкретному случаю. Обоснование выбора доз и расходов реагентов серии «Аминат» для ингибирования и промывки установок обратного осмоса и нанофильтрации выполнено на основании опытных данных. В таблице 1 приведены характеристики реагентов серии «Аминат».

Таблица 1

Эксперименты, проведенные на основе массового баланса, позволяет определить количество и скорость образования осадка CaCO₃ в зависимости от состава исходной воды, наличия ингибитора и параметров установки: типа мембран, величины рабочего давления, выхода фильтрата, температуры. Технологическая схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Сначала определяется количество образованного осадка в зависимости от времени и величины выхода фильтрата. Скорость осадкообразования выражается как производная функции зависимости количества осадка от времени и наглядно представляется в виде зависимости от величины выхода фильтрата (рис. 3). Эффективность действия ингибитора определяется снижением скорости осадкообразования для заданных условий (рис. 4).

Рис. 3. Стадии определения скорости осадкообразования на мембранах ОПМН-К при различных составах исходной воды

а - концентрация кальция в циркуляционном растворе; водопроводная вода + NaCl (20 мг-экв/л) + ингибитор; водопроводная вода + Na₂SO₄ (20 мг-экв/л); водопроводная вода + MgCl₂ (20 мг-экв/л); водопроводная вода + NaCl (20 мг-экв/л); водопроводная вода; водопроводная вода + NaHCO₃

(3 мг-экв/л); б - масса осадка, накопленного на мембране в зависимости от кратности концентрирования; в - скорость роста осадка в зависимости от кратности концентрирования; г - скорость роста осадка в зависимости от времени; водопроводная вода + NaHCO₃; водопроводная вода; водопроводная вода + NaCl; водопроводная вода + MgCl₂; водопроводная вода + Na₂SO₄

Для эксплуатации установки важно прогнозировать снижение производительности и селективности мембран в процессе накопления осадка. При накапливании осадка в аппаратах определяется скорость осадкообразования в зависимости от количества образовавшегося осадка. Интегрирование полученной зависимости дает зависимость количества осадка от времени работы аппарата для заданных условий. Выбор времени, когда установку останавливают на промывку, зависит от количества накопленного осадка. Требуемое количество промывочного раствора и режим промывки подбираются на основе оптимизационных расчетов.

В зависимости от параметров установки (производительность, тип мембран, рабочее давление, выход фильтрата) и состава исходной воды технологический расчет позволяет определить: вид и марку необходимых реагентов; дозы реагентов и их расходы; снижение производительности установки с течением времени и рекомендуемое время работы установки до промывки, а также рекомендует инструкцию по эксплуатации и промывке.

Виды моющих растворов подбираются в зависимости от происхождения и состава исходной воды и наличия в ней потенциальных осадкообразующих веществ. Например, для подземной воды ожидается образование карбоната кальция и железистых отложений, реже - других малорастворимых солей (сульфата или силиката кальция). Для поверхностной воды наряду с карбонатом кальция характерны органические осадки и биологические обрастания. Скорость их образования исследована по той же методике.

В зависимости от состава исходной воды для любого типа установки специально разработанная специалистами компьютерная программа позволяет: подобрать наиболее эффективный реагент; определить дозы и годовую потребность в реагентах; выбрать технологию промывки; определить параметры установки; прогнозировать работу установки. Технологический расчет предполагает представить схему установки, определить входящие в нее узлы, выбрать оборудование, реагенты, расходные материалы, методы их применения.

В приведенных на рис. 5 таблицах представлены результаты обработки исходных данных (состава исходной воды и заданных параметров работы установки) и составления рекомендаций по выбору и применению реагентов. Пример ввода данных показан на рис. 5, а. Результаты технологического расчета установки показаны на рис. 5, б. На рис. 5, в представлена таблица рекомендаций по выбору и применению реагентов. На рис. 5, г показана инструкция по проведению химических промывок с применением реагентов «Аминат».

Рис. 5. Компьютерная программа расчета состава очищенной воды при нанофильтрации

а - введение показателей качества исходной воды и параметров установки: производительности, типа и числа мембранных аппаратов, степени извлечения пермеата; б - результаты расчета - технологические показатели; в - рекомендации по применению реагентов марки «Аминат»; г - инструкция по промывке мембранной установки

Однако современное дозирующее оборудование достаточно дорого. Для установок малой производительности (при дозировании не более 5 г/ч) насос-дозатор с расходной емкостью ингибитора оказывается экономически невыгодным и неудобным с точки зрения эксплуатации. Для обеспечения малых доз ингибитора требуется разбавление. При длительном нахождении разбавленного ингибитора в расходных баках происходит его бактериальное загрязнение. Жидкие ингибиторы обычно имеют низкое содержание продукта (порядка 20%), что усложняет их транспортировку и использование. Указанные недостатки современных жидких ингибиторов при их применении в установках малой производительности заставляют искать новые решения.

Для удобства эксплуатации небольших систем обратного осмоса авторами проведены исследования по разработке и получению твердого ингибитора с набором заданных свойств, по испытаниям эффективности его растворения в дозаторах специальных конструкций, а также по сравнительной оценке ингибирующих свойств [1, 2].

Разработанный продукт представляет собой смесь органических и неорганических соединений фосфора. По физическим свойствам он обладает достаточной скоростью растворения.

На рис. 6 приведены результаты сравнительных определений интенсивности осадкообразования карбоната кальция в аппаратах с обратноосмотическими мембранами. Значения скорости осадкообразования представлены в зависимости от кратностей объемного концентрирования исходной воды в аппарате. Расчеты скорости осадкообразования проведены для известного ингибитора Аминат и новых ингибиторов «Продукт 1» и «Продукт 2» дозами ингибиторов 5 и 10 мг/л. Интенсивность осадкообразования зависит от величины селективности мембран. В аппаратах с высокоселективными обратноосмотическими мембранами (99% и выше) накопление карбоната кальция идет значительно интенсивнее, чем в аппаратах с нанофильтрационными мембранами с величиной селективности на уровне 70%.

Для дозирования сухого ингибитора в исходную воду перед мембранными установками разработаны патроны-дозаторы, изготовленные на базе прозрачных корпусов-держателей патронных фильтров. Ингибитор засыпается в корпус патронного фильтра, и его расход фиксируется по уровню. По мере прохождения воды через патронный фильтр ингибитор медленно растворяется. Разработаны типоразмеры патронов-дозаторов для установок производительностью от 0,005 до 10 м³/ч. Скорость растворения ингибитора в патроне и доза ингибитора зависят от расхода воды. Для каждого типоразмера патрона-дозатора и типа ингибитора исследован режим растворения. На рис. 7 представлены зависимости дозы ингибитора в прошедшей через патрон воде от расхода. Различные составы ингибиторов («Продукт 1» и «Продукт 2») дают разные дозы. Зная дозу ингибитора и расход воды, проходящей через патрон, можно определить время работы патрона и максимальный объем пропущенной через патрон воды до полного растворения ингибитора.

Как показали исследования, оптимальная доза ингибитора для установок обратного осмоса находится в пределах 5-10 мг/л [1]. Поэтому для каждого требуемого номинального расхода подбирается патрон-дозатор и корректирующее дозу устройство, вставляемое в патрон. Разработанные патроны-дозаторы находят применение не только в качестве предфильтров в установках обратного осмоса. Для небольших объектов, например, автономных источников тепла и бойлерных мини-дозаторы эффективны для дозирования ингибиторов отложений в подпиточную воду котлов и ингибиторов коррозии в контуры горячей или охлаждающей воды.

Для прогнозирования качества воды, очищенной с помощью нанофильтрационных мембран, разработана специальная программа, которая позволяет для разных типов мембран определить концентрации различных ионов, а также значения цветности и перманганатной окисляемости в фильтрате и концентрате установок в зависимости от состава исходной воды, величины рабочего давления, выхода фильтрата (табл. 2).

Таблица 2

Примечание: Ф - фильтрат, К - концентрат

Главное преимущество программы состоит в возможности проведения оптимизации при выборе наиболее эффективных для заданного случая типа и марки мембран, соответствующих высокому качеству очищенной воды, минимальным значениям эксплуатационных затрат, расхода электроэнергии, величины сброса концентрата (рис. 8, 9).

Традиционно считается, что главным недостатком мембранной технологии является высокий расход воды на собственные нужды (от 35 до 50% расхода фильтрата). Разработанная программа по прогнозированию состава фильтрата нанофильтрационных установок позволяет определить концентрации различных загрязнений в фильтрате в зависимости от соотношения расхода фильтрата и концентрата (рис. 8, а).

Максимальная степень концентрирования воды в установке (минимальный расход сбросного расхода концентрата) определяется предельно допустимым солесодержанием, которое в городских зданиях, в соответствии с правилами приема воды в канализацию, составляет 1000 мг/л. На рис. 8, б приведены зависимости общего солесодержания концентрата мембранных установок от величины выхода фильтрата (кратности объемного концентрирования воды в установке). Чем ниже паспортное значение селективности мембран по солям, тем большей степени объемного концентрирования (величины выхода фильтрата) можно добиться.

Чем ниже селективность мембран (рис. 8, а), тем хуже качество очищенной воды по заданному типу загрязнений (тем меньше будет величина выхода по фильтрату, соответствующая «проскоку» загрязнения - превышению его концентрации значения, определяемого требованиями СанПиН). Рисунки 8 и 9 иллюстрируют подбор оптимальных параметров работы установки (типа мембран, стоимости установки, величины выхода фильтрата) на примере снижения перманганатной окисляемости водопроводной воды.

Как видно из рис. 8, а, мембраны NE 70 позволяют сконцентрировать исходную воду всего в 4-5 раз (выход фильтрата 75-80%) без ущерба качеству очищенной воды по окисляемости. Однако по содержанию солей в концентрате (рис. 8, б) кратность концентрирования исходной воды может быть доведена до значения 14-16, и наоборот, для низконапорных обратноосмотических мембран качество фильтрата остается высоким при любых значениях выхода фильтрата, а максимальная кратность концентрирования исходной воды составляет не более 5.

Для достижения минимальной величины выхода фильтрата при высоком качестве очищенной воды можно часть фильтрата, получаемого при концентрировании воды мембранами NE 70, направлять на вход в установку, смешивая его с исходной водой. Данная мера повышает стоимость установки (требуются дополнительные мембраны), но позволяет добиться экономии исходной воды и сбросного потока концентрата (рис. 9, а). В условиях, когда потребители платят за каждый кубометр исходной воды и за сбрасываемую в канализацию воду, такой способ позволяет сократить общие расходы на очистку воды. На рис. 9 приведены примеры определения эксплуатационных расходов (стоимость водопроводной воды, замена мембран, затраты на электроэнергию) для разных типов мембран.

Как показывают результаты расчетов, применение мембран с низкой селективностью позволяет довести выход фильтрата до 96%, что в условиях высокой платы за воду делает системы нанофильтрации экономичными в отношении расходов на собственные нужды. Себестоимость очистки снижается с увеличением выхода фильтрата, что достигается использованием низкоселективных мембран (рис. 9, б), при этом ухудшается качество фильтрата. Выбор оптимального типа мембран определяется соображениями себестоимости, уровня загрязненности исходной воды и глубины ее очистки.

Рис. 9. Определение оптимальных параметров себестоимости очистки

a - себестоимость в зависимости от величины выхода фильтрата; 1 - BLN; 2 - NE 90; 3 - NE 70;

б - влияние качества воды на величину выхода фильтрата; 1 - себестоимость; 2 - качество фильтрата; _ - NE 70; Д - NE 90; ? - BLN

Описанные технологии применяются при разработке систем подготовки питательной воды паровых котлов среднего и высокого давления («крышных котельных» и мини-ТЭЦ) для теплоснабжения зданий или городских жилых комплексов (ЦТП) в комбинации систем нанофильтрации с системами обратного осмоса.

Литература

1. Pervov A. Scale formation prognosis and Cleaning Procedure Schedules in RO systems operation // Desalination. 1991. V. 83.

2. Pervov A.G., Rudakova G.Y. Development of new phosphonic acid-based scale inhibitors and evaluation of their performance in RO applications: Mineral scale formation and inhibition. - New York and London, Plenum Press, 1995.

3. Рудакова Г.Я., Попов К.И. Исследование состава выпускаемых промышленностью фосфонатов // Химическая промышленность. 1998. № 12.

4. Первов А.Г. Производство и сервис систем водоподготовки с применением мембран // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 5.

5. Первов А.Г., Бондаренко В.И., Жабин Г.Г. Применение комбинированных систем обратного осмоса и ионного обмена для подготовки питательной воды паровых котлов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 5.

6. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В. Программа для технологического расчета систем нанофильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 11.

Размещено на Allbest.ru