Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 628.162.4

05.23.04. - Водопостачання, каналізація

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка ресурсозберігаючої технології регенерації натрій-катіонітових фільтрів

Синєжук Інна Борисівна

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти та науки України

Науковій керівник: Найманов Яубекір Опірович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри "Міське будівництво та господарство" Донбаської державної академії будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

- Прокопчук Іван Тимофійович, доктор технічних наук, професор кафедри водопостачання Київського національного університету будівництва та архітектури;

- Гомеля Микола Дмитрович, кандидат хімічних наук, доцент, завідувач кафедри екології та технології рослинних полімерів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться "28" квітня 2004р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий "25" березня 2004 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., професор О.А. Василенко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сьогодні значне місце у вирішенні проблеми створення безстічних систем водопостачання займає питання переробки і повторного використання високомінералізованих стічних вод. Значними джерелами утворення таких вод є установки водопідготовки (УВП) промислових підприємств і енергооб'єктів, на яких для пом'якшення води в основному застосовуються натрій-катіонітові фільтри. Для регенерації таких фільтрів використовується розчин хлориду натрію (NaCl), при цьому залежно від початкової жорсткості води і продуктивності установки споживання технічної кухонної солі може становити в середньому від 2000 до 10000 т/рік. З цієї кількості корисно використовуються близько 30% масового вмісту іонів натрію, а всі іони, що залишилися, скидаються у навколишнє середовище з відпрацьованими регенераційними розчинами та промивними водами. Це є однією з причин постійного підвищення солевмісту у воді поверхневих водойм.

Таким чином, розробка ефективних і економічних заходів щодо суттєвого зменшення витрат регенераційних реагентів та захисту водних об'єктів від забруднення мінеральними солями УВП є актуальною і важливою задачею, пов'язаною із збереженням таких природних ресурсів як кам'яна сіль. Одним з напрямків вирішення цієї проблеми є повторне використання відпрацьованих регенераційних розчинів (ВРР) натрій-катіонітових фільтрів.

Зв'язок дисертації з науково-технічними програмами. Роботу виконано у відповідності до плану наукових і дослідних робіт кафедри міського будівництва та господарства Донбаської державної академії будівництва та архітектури по замовленню Міністерства освіти та науки України, що присвячені питанням удосконалення роботи установок водопідготовки промислових підприємств.

Метою роботи є розробка і наукове обґрунтування комплексного методу регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів першого та другого ступенів катіонування.

Задачі дослідження:

провести аналіз існуючих методів обробки і повторного використання стічних вод станцій водопідготовки;

дослідити процес регенерації натрій-катіонітового фільтру з повторним використанням частини ВРР;

експериментально визначити параметри процесу повторного використання відпрацьованих розчинів NaCl; встановити вплив його використання на тривалість пом'якшення води;

встановити раціональні параметри відбору ВРР, придатних для повторного використання;

розробити технологічні схеми процесу натрій-катіонування з повторним використанням ВРР та випробувати процес в промислових умовах;

провести економічну оцінку запропонованої технології повторного використання ВРР.

Об'єкт дослідження - пом'якшення води на натрій-катіонітових фільтрах.

Предмет дослідження - процес регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів.

Методи дослідження - експериментальні дослідження в лабораторних та промислових умовах процесу регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням ВРР і теоретичний аналіз отриманих результатів. Дослідження проводилися з використанням сучасних методик проведення експериментів, обладнання та методів обробки експериментальних даних (метод найменших квадратів, кореляційний аналіз).

Наукова новизна роботи:

розроблено, досліджено і науково обґрунтовано технологію регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів;

вперше досліджено вплив використання відпрацьованих регенераційних розчинів на тривалість пом'якшення води, дослідним шляхом визначено оптимальне співвідношення часу подачі відпрацьованого і свіжого регенераційних розчинів та мінімальну допустиму концентрацію NaCl у відпрацьованому регенераційному розчині;

експериментально встановлено раціональні параметри відбору відпрацьованих регенераційних розчинів на повторне використання, а саме тривалість відбору і час початку відбору.

Практичне значення отриманих результатів.

Практична цінність результатів наукових досліджень полягає в тому, що розроблено технологічну схему регенерації натрій-катіонітових фільтрів із повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів та запропоновано методику визначення основних технологічних параметрів такої регенерації.

Розроблена технологія впроваджена у промислове виробництво на п'ятій та шостій станціях хімводоочистки (ХВО-5 та ХВО-6 відповідно) Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча. В промислових умовах отримана фактична економія технічної кухонної солі на 27-31%. Повторне використання відпрацьованих регенераційних розчинів привело до зниження скидання хлоридів до навколишнього середовища. Величина скорочення скидання хлорид-іона по станціях ХВО, що розглядаються, складає у 2000 р. 5080 т, а у 2001р. - 6422 т.

Особистий внесок автора: приведені в дисертації результати одержані самим автором на основі виконаного аналізу існуючих методів обробки відпрацьованих регенераційних розчинів натрій-катіонітових фільтрів та експериментальних досліджень. Автором визначено основний критерій відбору відпрацьованих регенераційних розчинів, встановлені основні параметри відбору і повторного використання відпрацьованих розчинів NaCl, проведені експериментальні дослідження і оброблені їх результати, виконано розрахунок економічної ефективності від впровадження пропонованої технології та розроблено технологічні схеми відбору відпрацьованих регенераційних розчинів для промислових умов.

Апробація роботи. Основні результати і окремі розділи роботи доповідались на міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і перспективи очищення і повторного використання води" (м. Харків, 2000 р.), на ІІІ конференції країн СНД по екології хімічних виробництв "Экология-98" (м. Северодонецьк, 1998 р.), на VIII всеукраїнській науковій конференції аспірантів і студентів "Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів" ДДТУ (м. Донецьк, 1998 р.), на 24-й студентській конференції ДонДАБА (м. Макіївка, 1998) і на II Маріупольській екологічній конференції "Экология промышленного города" (м. Маріуполь, 1997р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, у тому числі 6 у фахових виданнях, 5 з них написано одноосібно, отримано патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури із 124 найменувань, п'яти додатків. Загальній об'єм дисертації 180 сторінок, в тому числі 112 сторінок основного тексту, 28 таблиць, 24 рисунка.

Зміст роботи

У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи.

В першому розділі розглянуто склад стічних вод натрій-катіонітових фільтрів деяких металургійних підприємств України та Росії. Показано, що основним компонентом (75%) у складі відпрацьованих регенераційних розчинів є NaCl, причому цей регенераційний реагент не використовується повторно і разом з іншими солями жорсткості скидається в каналізаційну мережу. На підставі робіт Фейзієва Г.К., Мамченко О.В., Мещерського М.О., СинявськогоО.В., Резнікова Ю.М. та ін. виконано аналіз існуючих методів обробки мінералізованих стічних вод натрій-катіонітових установок, наведено принципові технологічні схеми обробки ВРР. Приведені в цих публікаціях дані дозволяють розділити способи обробки ВРР на такі основні групи: застосування на УВП випарних апаратів або електродіалізаторів, сумісна обробка продувних вод парогенераторів і ВРР, а також використання содовапняної обробки для видалення катіонів жорсткості з ВРР. Але всі ці схеми водопідготовки характеризуються складністю, дорожнечею і часто вимагають застосування нестандартного устаткування. Більш доцільними є методи регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням ВРР від попередніх регенерацій без якої-небудь їх обробки. Однак чітких критеріїв відбору ВРР на повторне використання і конкретних даних по таких показниках як концентрація і тривалість подачі відпрацьованого розчину на фільтри не знайдено.

Приведено відомості про сучасні марки катіонітів і їх властивості, оцінено вплив різних факторів на регенерацію натрій-катіонітових фільтрів. По літературним даним ефективність регенерації можна підвищити збільшенням тривалості контакту іоніту з регенераційним розчином, підвищенням температури регенераційного розчину, збільшенням витрат реагенту, підвищенням концентрації розчину солі. Проте всі ці способи не економічні і вимагають додаткових витрат. Мещерським М.О., Голубцовим В.О., Клячко В.О., Апельциним І.Е. для підвищення ефективності регенерації запропоновано застосовувати ступінчату регенерацію натрій-катіонітових фільтрів. На першому етапі проводити регенерацію слабким розчином солі, а на другому - переходити на регенерацію концентрованим розчином. Аналіз літературних відомостей показав, що на сьогоднішній момент немає єдиної думки з приводу оптимальної концентрації розчину NaCl при ступінчатій регенерації. В той же час відомо, що при такій регенерації висока концентрація натрію в регенераційному розчині в кінці регенерації забезпечує більшу глибину пом'якшення води чим при звичайній регенерації, а також на 20% знижуються витрати солі. Таким чином, аналогом ступінчатої регенерації можна вважати досліджуваний спосіб регенерації катіоніонітів із двох стадій - з використанням на початку відпрацьованого розчину, а потім свіжого регенераційного розчину солі.

Розглянуто основні закономірності іонного обміну та наведено теоретичні передумови повторного використання ВРР. На основі аналізу ізотерми Нікольського у безрозмірних концентраціях, визначено що величина константи обміну залежить від повної обмінної ємності катіоніта і сумарної концентрації іонів у розчині, що обмінюються, та для умови пом'якшення води на натрій-катіонітовом фільтрі має вигляд:

(1)

де zi, zj - валентності іонів, що обмінюються, рівні zi=zCa2+=2, zj=zNa+=1, h - розподільне відношення, обумовлене як h=C0/q0; q0 - повна обмінна ємність іоніту; C0 - сумарна концентрація іонів у розчині, рівна C0=(Ca2+, Mg2+, Na+); Kij - концентраційна константа обміну.

Для одного виду катіоніту величина повної обмінної ємності q0 є постійною, отже, змінюючи концентрацію іонів C0 у розчині, можна змінити спорідненість іоніту до іонів, що обмінюються, тобто змінити форму ізотерми обміну. При В>1 іоніт переважніше поглинає іони кальцію з розчину. При регенерації катіоніту сумарна концентрація іонів C0 в розчині різко зростає, а повна обмінна ємність q0 залишається постійною, як наслідок, зменшується спорідненість катіоніта до кальцію і збільшується спорідненість до натрію. Катіоніт переважно буде сорбірувати іони натрію з розчину і відновлювати свою обмінну ємність навіть при підвищеному вмісту солей жорсткості в регенераційному розчині. За даними Клячко В.О. і Апельцина І.Е. встановлено, що після пропуску відпрацьованого розчину NaCl необхідно подавати на фільтр свіжий розчин для підвищення ефективності регенерації. Зроблено висновок, що найбільш доцільним напрямом досліджень є розробка технології регенерації натрій-катіонітових фільтрів із двох стадій, з використанням на початку відпрацьованого, а потім свіжого регенераційного розчину солі.

На основі зробленого аналізу, обґрунтовано вибраний напрям і сформульовано основні задачі досліджень.

У другому розділі описано лабораторну установку, визначено цілі, методику і послідовність експериментів, наведено результати досліджень.

Комплекс лабораторних досліджень проводився з метою визначення принципової можливості повторного використання відпрацьованих регенераційних розчинів натрій-катіонітових фільтрів, а також основних параметрів процесу відбору і використання відпрацьованого розчину NaCl при подальших регенераціях. Лабораторні дослідження складалися з трьох серій експериментів, для кожного режиму проводилося по п'ять циклів сорбції-десорбції.

У першій серії дослідів фіксувалися наступні величини: тривалість пом'якшення води, кінетика зміни концентрацій хлоридів і загальної жорсткості на виході з колони при регенерації.

За головний критерії відбору ВРР на повторне використання була прийнята середня концентрація NaCl (СNaClср) в порції відпрацьованого регенераційного розчину. Так як концентрація сульфатів (4-5 мг-екв/дм³) у ВРР мала в порівнянні із вмістом хлоридів (600-800 мг-екв/дм3), то концентрацію NaCl (% мас) у ВРР було запропоновано обчислювати за отриманими значеннями концентрації хлоридів (СClср-) і загальної жорсткості (Жо.ср), вираженими в еквівалентній формі, по формулі:

СNaClср=, (2)

де ENaCl - еквівалент NaCl, рівний 58,5; d - відносна густина розчину, приблизно рівна 1.

Кінетичні криві процесу регенерації, а також графік зміни концентрації хлориду натрію, побудовані за отриманими даними, показані на рис. 1.

Рис. 1. Кінетичні криві регенерації лабораторної колонки від часу регенерації

Як видно на рис. 1 максимум на кривій хлоридів наступає на 6 хвилин пізніше, ніж на кривій жорсткості, ця обставина є однією з головних причин, що дозволяє використовувати ВРР повторно. Концентрація NaCl у відпрацьованому розчині, обчислена за формулою (2) досягає максимуму на 16 хвилині від початку регенерації і складає 4,7% (рис. 1). На основі тимчасової розбіжності максимальних значень загальної жорсткості і вмісту хлоридів, було запропоновано відбирати ВРР на повторне використання після досягнення максимальних значень загальної жорсткості у ВРР (рис.1). В процентному відношенні від загального часу регенерації і відмивки рекомендована тривалість відбору ВРР на повторне використання складає 27% (рис. 1).

Використання ВРР не повинне приводити до зниження тривалості процесу пом'якшення води, тому на другому етапі лабораторних досліджень було визначено мінімально допустиму концентрацію NaCl у відпрацьованому розчині і співвідношення часу подачі відпрацьованого і свіжого розчинів, при яких тривалість пом'якшення води не зменшується. Результати другого етапу експериментальних досліджень подано на рис. 2.

Рис. 2. Вплив використання відпрацьованого регенераційного розчину на тривалість пом'якшення води при різних співвідношеннях часу подачі відпрацьованого і свіжого розчинів у відсотках від часу регенерації: 1 - 30/70, 2 - 35/65, 3 - 40/60, 4 - 50/50, 5 - 55/45, 6 - 60/40

Як видно з графіків (рис. 2), тривалість пом'якшення води не зменшується, якщо концентрація відпрацьованого регенераційного розчину не нижче 3,5% і час подачі відпрацьованого розчину складає не більше 50% від загальної тривалості регенерації.

Третя серія лабораторних досліджень полягала в уточненні початкового часу відбору ВРР на повторне використання і оптимального проміжку часу, протягом якого необхідно відбирати ВРР на повторне використання.

Досліджено вплив часу початку відбору ВРР на концентрацію NaCl у відібраній порції розчину. Тривалість відбору була прийнята постійною і складала 4,5 хвилини, що відповідає нижній межі (30%) тривалості використання ВРР згідно рис. 2. На повторне використання відбирали ВРР з концентрацією NaCl не нижче 3,5%. Показано (табл. 1 виділено сірим кольором), що на повторне використання доцільно відбирати ВРР починаючи з 12-14 хвилини від початку регенерації, що складає 40-46,7% від загального часу регенерації і відмивки. Це на 2-4 хвилини (6,7-13,3% від загального часу регенерації і відмивки) пізніше досягнення максимального значення жорсткості у відпрацьованому розчині. Відібраний розчин в цей час регенерації має вміст NaCl на рівні 4,0-4,1%, що вище 3,5%.

регенерація натрій катіонітовий фільтр

Таблиця 1

Вплив часу початку відбору на концентрацію NaCl у відпрацьованому регенераційному розчині

Час початку відбору (відлік часу ведеться від початку регенерації)	Жорсткість ВРР, Жо ср., мг-екв/дм3	Загальний вміст хлоридів, СCl-ср, мг-екв/дм3	Концентрація NaCl, СNaClср, %
в хвилинах	в % від загального часу регенерації і відмивки
0	0	10,0	75,0	0,4
2	6,7	27,5	156,3	0,8
…
8	26,7	227,5	537,5	1,8
10	33,3	221,3	742,5	3,1
12	40,0	196,8	905,0	4,1
14	46,7	174,8	853,8	4,0
16	53,3	149,3	681,3	3,1
18	60,0	116,3	545,0	2,5
…
26	86,7	22,5	53,5	0,2

На наступному етапі було визначено раціональну тривалість відбору ВРР на повторне використання. Початок відбору у всіх дослідах цієї серії був на 13 хвилині від початку регенерації, що відповідає трьом хвилинам після досягнення максимального вмісту солей жорсткості у відпрацьованому розчині. Тривалість відбору була прийнята 4.5, 6, 7.5 і 10 хвилин, що відповідає 30%, 40%, 50% і 67% часу подачі регенераційного розчину на іонообмінну колонку. Як показали дослідження (табл. 2 виділено сірим кольором), концентрація NaCl достатньо висока при відборі регенераційного розчину на повторне використання протягом 4,5-7,5 хвилин. Цей інтервал відповідає рекомендованій вище тривалості відбору ВРР (рис. 1) і складає 15-25% загальної тривалості регенерації і відмивки.

Таблиця 2

Вплив тривалості відбору на концентрацію NaCl у відпрацьованому регенераційному розчині

Тривалість відбору	Жорсткість ВРР, Жо ср., мг-екв/дм3	Загальний вміст хлоридів, СCl-ср, мг-екв/дм3	Концентрація NaCl, CNaCl, %
в хвилинах	в % від загального часу регенерації і відмивки
4,5	15,0	185,8	879,4	4,1
6	20,0	185,7	854,2	3,9
7,5	25,0	180,1	785,8	3,5
10	33,3	161,6	733,4	3,3

Отже, у ході лабораторних досліджень вивчено вплив використання відпрацьованих розчинів NaCl різних концентрацій і при різних співвідношеннях часу подачі відпрацьованого і свіжого розчинів солі на тривалість корисної роботи фільтра.

Встановлено, що ВРР натрій-катіонітових фільтрів доцільно відбирати на повторне використання з концентрацією NaCl не нижче 3,5%. При цьому рекомендовано починати відбір після досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості через 2-4 хвилини, що складає 6,7-13,3% від загального часу регенерації і відмивки. А саме - починаючи з 12-14 хвилини регенерації, що дорівнює 40-46,7% від загального часу регенерації і відмивки.

Тривалість відбору складає 4,5-7,5 хвилин або 15-25% від загального часу регенерації і відмивки. Такий розчин рекомендовано подавати на фільтр у перші 30-50% часу регенерації, при цьому не спостерігається зменшення тривалості пом'якшення води.

У третьому розділі наведено результати промислових випробувань запропонованої технології на п'ятій та шостій станціях хімводоочистки Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча.

Досліджено кінетику регенерації натрій-катіонітових фільтрів першого та другого ступенів на ХВО-5 і ХВО-6.

Підтверджено, що в промислових умовах так само як і в лабораторних дослідженнях максимальні значення загальної жорсткості і вмісту хлоридів у відпрацьованих регенераційних розчинах не співпадають у часі.

Вибір початкового моменту і тривалості відбору ВРР на повторне використання для натрій-катіонітових фільтрів в промислових умовах ґрунтувався на тих же принципах, що і в лабораторних дослідженнях. Головним критерієм відбору ВРР на повторне використання була середня концентрація солі (СNaClср), за додатковий критерій було прийняте значення відношення середньої концентрації солі в еквівалентній формі до середньої жорсткості відпрацьованого регенераційного розчину (параметр D):

D=(СCl-ср - Жо.ср.)/Жо.ср (3)

З двох відібраних порцій ВРР з приблизно однаковими в них концентраціями NaCl вибирали ту порцію, для якої значення параметра D найбільше.

Запропоновано середні значення загальної жорсткості і вмісту хлоридів в ВРР обчисляти за формулами:

Жо.ср= (4)

СCI-ср=, (5)

де fCl(t) - функціональна залежність загального вмісту хлоридів (в мг-екв/дм³) від часу регенерації; fжо(t) - те ж іонів жорсткості (в мг-екв/дм³) від часу регенерації; Т - тривалість відбору відпрацьованого регенераційного розчину на повторне використання; t1 - початковий час відбору відпрацьованих розчинів NaCl на повторне використання.

Для підвищення точності обчислень весь період регенерації і відмивки було прийнято за одиницю, а час виражався у відносних одиницях.

Знайдено функціональні залежності загальної концентрації хлоридів СCl-=f-Cl-(t) і іонів жорсткості Ж0=fЖ0(t) у відпрацьованих регенераційних розчинах від часу регенерації для кожного катіонітового фільтра на станціях хімводоочистки, що розглядаються. Обчислено коефіцієнти кожної з функціональних залежностей для всіх фільтрів перших і других ступіней на ХВО-5 і ХВО-6, коефіцієнти кореляції і середньоквадратичні помилки кожної із залежностей.

Для фільтрів першого ступеня відбір ВРР на повторне використання починали після досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості, при цьому середня концентрація NaCl в ВРР повинна бути не нижче 3,5%. Що стосується фільтрів другого ступеня, то тут було вирішено починати відбір ВРР на повторне використання у момент досягнення концентрації NaCl не нижче 3,5% і продовжувати відбір до моменту падіння концентрації нижче 3,5%, тому що жорсткість ВРР після фільтрів другого ступеня низька і значення параметру D завжди високе.

Рекомендовано усереднювати в одній ємності відпрацьовані регенераційні розчини першого та другого ступенів. Це підвищує якість відпрацьованого регенераційного розчину і збільшує його об'єм. Даний розчин подається на регенерацію фільтрів першого ступеня у перші 30-50% часу подачі регенераційного розчину, а потім протягом 70-50% часу, що залишилися, подається свіжий розчин солі.

Після впровадження розроблених схем повторного використання ВРР у дослідно-промислову експлуатацію було вирішено автоматизувати вузли відбору з метою підвищення надійності їх роботи. Схеми відбору ВРР на повторне використання для обох станцій хімводопідготовки були істотно спрощені, тому що автоматична система керування відбором ВРР як фільтрів першої так і другої ступіней була настроєна на єдиний рівень концентрації NaCl. Остаточні параметри відбору ВРР на повторне використання наведені в табл. 3.

На ХВО-5 відбір ВРР фільтрів першого та другого ступенів починався у момент досягнення концентрації NaCl 3,9% (табл. 3) і тривав до моменту падіння концентрації нижче цього рівня. Для умов ХВО-6 рівень концентрації NaCl, за яким проводиться відбір, складав 4,6% (табл. 3).

По результатам промислових досліджень, які виражені в процентному відношенні від загального часу регенерації і відмивки, показано, що час початку відбору 39-50% для фільтрів першого ступеня ХВО-5 і ХВО-6 практично співпадає за значеннями, отриманими в лабораторних умовах - 40-47%. Значення тривалості відбору ВРР знаходяться на одному рівні, як в промислових умовах - 17-22%, так і в лабораторних - 13-27%. Початок відбору ВРР щодо моменту досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості в ВРР для промислових і лабораторних умов складає відповідно 6-17% і 7-13%. Оскільки тривалість відбору ВРР для фільтрів другого ступеня ХВО-5 і ХВО-6 значно довша, ніж для фільтрів першого ступеня, то в процентному відношенні від загального часу регенерації і відмивки досліджувані показники відбору не розглядалися.

Таблиця 3

Рекомендовані час початку відбору і тривалість відбору відпрацьованих розчинів NaCl фільтрів першого та другого ступенів

Станція хімводоочистки	Номер ступеня	Час початку відбору ВРР, хвл (% від загального часу регенерації і відмивки)	Тривалість відбору, хвл (% від загального часу регенерації і відмивки)	Концентрація NaCl в момент початку відбору, СNaClн.м., %	Середня концентрація NaCl за час відбору, СNaClср, %	Значення відношення D за час відбору
		від початку регенерації	від моменту досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості
ХВО-5	I	45 (50)	5 (6)	15 (17)	3,9	3,9	2,8
	II	22		53	3,9	8,1	30,1
ХВО-6	I	35 (39)	15 (17)	20 (22)	4,6	5,2	2,9
	II	16		77	4,6	8,6	38,4

Запропоновано методику визначення основних параметрів відбору ВРР на повторне використання при впровадженні запропонованого способу регенерації на промислових установках водопідготовки:

проведення хіміко-аналітичних досліджень діючих режимів регенерації іонообмінних фільтрів перших і других ступенів;

обчислення концентрацій солі СNaCI за формулою (2);

побудова за результатами досліджень середніх кінетичних кривих зміни вмісту солей жорсткості і концентрації NaCl в ВРР фільтрів перших і других ступенів від часу регенерації;

визначення за побудованими кінетичними кривими регенерації фільтрів першого ступеня часу початку і тривалості відбору ВРР. Рекомендовано починати відбір ВРР через певний час після досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості в ВРР, який складає 6-17% від загального часу регенерації і відмивки. При цьому початкова концентрація NaCl повинна бути не нижче 3,5%. Продовжувати відбір ВРР необхідно до моменту падіння концентрації нижче за ту, яка була на початку відбору. Для фільтрів других ступенів відпрацьований регенераційний розчин відбирають на повторне використання при тому ж рівні концентрації солі, як і для фільтрів першого ступеня. На цей рівень налаштовується система автоматичного управління процесом відбору.

У четвертому розділі наведено технологічні схеми вузлів відбору і повторного використання ВРР для ХВО-5 і ХВО-6, складено режимні карти фільтроциклів натрій-катіонітних фільтрів першого і другого ступенів при повторному використанні ВРР.

Досліджено вплив використання ВРР на тривалість пом'якшення води в промислових умовах. Показано, що при регенерації фільтрів першого ступеня по запропонованій технології тривалість корисної роботи фільтрів не зменшується в порівнянні з регенерацією одним свіжим регенераційним розчином.

Зроблено розрахунок балансових схем режиму регенерації з повторним використанням ВРР для середнього фільтра першого і другого ступенів катіонування на розглянутих станціях ХВО. Визначено, що маси затриманих солей жорсткості одним фільтром першого ступеня протягом фільтроциклу при повторному використанні відпрацьованого регенераційного розчину і без його використання збігаються.

Складено рекомендації щодо розрахунку процесу регенерації з повторним використанням відпрацьованих розчинів NaCl при проектуванні установок двоступінчастого пом'якшення води на натрій-катіонітових фільтрах. Показано ще раз доцільність повторного використання відпрацьованих регенераційних розчинів, тому що при цьому зменшується витрата реагенту для регенерації фільтрів першого ступеня на 30-50%, а також знижуються витрати води на власні потреби.

У п'ятому розділі розраховано річний економічний ефект від впровадження розробленої технології на ХВО-5 і ХВО-6 металургійного комбінату ім. Ілліча в м.Маріуполі. В промислових умовах отримана фактична економія технічної кухонної солі 31% на ХВО-5 і 27% на ХВО-6. У 2000 р. економічний ефект складає відповідно 238 тис. грн. на ХВО-5 і 117 тис. грн. на ХВО-6. За умов 2001 року, економічна ефективність для розглянутих установок сягає 178 тис. грн. і 470 тис. грн. відповідно. Крім економії солі, повторне використання відпрацьованих регенераційних розчинів привело до зниження скидання хлоридів до навколишнього середовища. В чисельному вираженні скорочення валового скидання хлорид-іона в чистому вигляді від станцій водопідготовки у 2000 р. дорівнює 5080 т, а у 2001 р. - 6422 т.

Загальні висновки

Обґрунтовано доцільність розробки технології регенерації натрій-катіонітових фільтрів з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів від попередніх регенерацій.

У ході лабораторних досліджень доведено можливість повторного використання відпрацьованих розчинів NaCl. Встановлено, що використання відпрацьованого розчину з концентрацією NaCl не нижче 3,5% протягом 30-50% часу регенерації не приводить до зменшення тривалості пом'якшення води. Експериментально визначено основні параметри відбору і повторного використання відпрацьованого регенераційного розчину.

Досліджено кінетику регенерації натрій-катіонітових фільтрів в промислових умовах на п'ятій і шостій станціях водопідготовки Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча та зроблено математико-статистичну обробку результатів досліджень. Визначено функціональні залежності загальної концентрації хлоридів і іонів жорсткості у відпрацьованих регенераційних розчинах від часу регенерації для кожного катіонітового фільтру.

По результатам лабораторних і промислових досліджень встановлено, що на повторне використання доцільно відбирати відпрацьований регенераційний розчин від фільтрів першого ступеня після досягнення максимальних концентрацій солей жорсткості в ньому через час, який у відсотках від усього часу регенерації і відмивки складає 6-17%, тривалість відбору в процентному відношенні від усього часу регенерації і відмивки доцільно приймати 15-25%. При цьому початкова концентрація розчину NaCl повинна бути не нижче 3,5%. Для фільтрів другого ступеня відпрацьований регенераційний розчин відбирають на повторне використання згідно того рівня концентрації розчину NaCl, що був визначений для фільтрів першого ступеня. Відібрані таким чином відпрацьовані регенераційні розчини першого і другого ступенів катіонування доцільно усереднювати в одній ємності і потім використовувати цей розчин у початкові 30-50% часу регенерації фільтрів першого ступеня.

Складено алгоритм визначення основних параметрів відбору відпрацьованого регенераційного розчину на повторне використання при промисловому впровадженні розробленої технології на вже існуючих установках та запропоновано методику розрахунку основних технологічних показників процесу регенерації з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів при проектуванні установок двоступінчатого пом'якшення води.

Проведено промислове впровадження розробленої технології на двох станціях водопідготовки Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча. Підтверджено простоту, надійність реалізації і експлуатації вузла відбору і повторного використання відпрацьованих регенераційних розчинів. Встановлено, що в промислових умовах тривалість пом'якшення води не знижується при використанні відпрацьованого розчину NaCl для регенерації фільтрів першого ступеня у перші 50% часу регенерації, з подачею потім у останні 50% часу свіжого регенераційного розчину.

Виконано розрахунок річного економічного ефекту від впровадження запропонованої технології на Маріупольському металургійному комбінаті ім. Ілліча, який по двом станціям водопідготовки складає у 2000 р. 356 тис. грн., а в 2001 р. - 648 тис. грн. Встановлено, що в цілому по двом станціям реалізація розробленої технології дозволила скоротити в середньому на 30% витрати технічної кухонної солі і знизити скидання хлоридів до навколишнього середовища у формі хлорид-іона на 5080 т у 2000 р. і на 6422 т у 2001 р.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Синежук И.Б. Исследование кинетики регенерации Na-катионитовых фильтров в промышленных условиях // Коммунальное хозяйство городов. - Киев "Техніка", 2001. - вып. 30. - С. 56-60.

Синежук И.Б. Влияние использования отработанных регенерационных растворов на продолжительность фильтроцикла // Проблемы экологии. - Донецк: ДонНТУ, 2001 - 1. - С. 45-48.

Пат. 326228 Україна, C 02F 1/42. Спосіб регенерації іонообмінних фільтрів / І.Б. Синєжук, А.Я. Найманов, В.М.Павленко, В.М. Редя, В.А. Власенко, Б.Д. Синєжук, Н.В. Срока. - Опубл. 15.02.2001, Бюл. №1.

Синежук И.Б. Определение начального момента и оптимального периода времени отбора отработанных регенерационных растворов на повторное использование при Na-катионировании воды // Инженерные системы и техногенная безопасность в строительстве. - Макеевка: ДонГАСА, 1999 - 3(17). - С. 98-99.

Найманов А.Я., Синєжук І.Б. Попередній розрахунок економічної ефективності технології Na-катіонування з повторним використанням регенераційних розчинів // Инженерные системы и техногенная безопасность в строительстве. - Макеевка: ДонГАСА, 2001 - 2(27). - С. 87-88.

Синежук И.Б., Синежук Б.Д. К вопросу о повторном использовании отработанных регенерационных растворов при регенерации Na-катионитных фильтров// Инженерные системы и техногенная безопасность в строительстве. - Макеевка: ДонГАСА, 1998 -2(10). - с. 44-47.

Синежук И.Б. Малоотходная технология умягчения воды // Матеріали Міжнародної НПК "Проблеми і перспективи очищення та повторного використання води". - Київ: "Знання", 2000. - С.29-30.

Синежук Б.Д., Синежук И.Б. Разработка и промышленное внедрение способа регенерации Na-катионитных фильтров с повторным использованием отработанных регенерационных растворов// Материалы III конференции стран СНГ по экологии химических производств "Экология-98". - Северодонецк, 1998. - С. 42-43.

Синежук Б.Д., Никиша С.Б., Синежук И.Б. Разработка технологии Na-катионирования, позволяющей сократить сброс минеральных солей в окружающую среду// Зб. доповідей VIII Всеукраїнської наукової конференції аспирантів і студентів "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів". - Донецьк, 1998. - С. 72-73.

Синежук И.Б. Разработка способа регенерации Na-катионитных фильтров с повторным использованием отработанных регенерационных растворов // Материалы 24 студенческой конференции. - Макеевка: ДонГАСА, 1998 - 3(11). - С. 43.

Синежук Б.Д., Павленко В.М., Волохов И.В., Редя В.Н., Никиша С.Б., Синежук И.Б. Разработка и внедрение технологии катионирования, обеспечивающей снижение расхода природных ресурсов и сокращения сброса минеральных солей в окружающую среду // Материалы II Мариупольской конференции "Экология промышленного города". - Мариуполь: Стратегия, 1997 г. - С. 71.

Анотація

Синєжук І.Б. Розробка ресурсозберігаючої технології регенерації натрій-катіонітових фільтрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.23.04. - Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2003.

На підставі аналізу сучасного стану вирішення проблеми переробки і повторного використання мінералізованих стічних вод установок водопідготовки запропоновано спосіб регенерації натрій-катіонітових фільтрів першого ступеня у дві стадії - з використанням на початку відпрацьованого регенераційного розчину, без якої-небудь його обробки, а потім свіжого регенераційного розчину. Наведено результати лабораторних і промислових досліджень, на підставі яких розроблені рекомендації по визначенню параметрів відбору відпрацьованих регенераційних розчинів на повторне використання. Розроблено та впроваджено у промислове виробництво технологічні схеми вузлів відбору відпрацьованих регенераційних розчинів для умов п'ятої і шостої станцій хімводоочистки Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча. Запропоновано розрахунок процесу регенерації з повторним використанням відпрацьованих регенераційних розчинів на установках двоступінчастого натрій-катіонітового пом'якшення води.

Розроблена технологія може застосовуватися на установках водопідготовки промислових підприємств, що використовують для пом'якшення води натрій-катіонітові фільтри.

Ключові слова: натрій-катіонітові фільтри, регенерація, відпрацьований регенераційний розчин, повторне використання.

Аннотация

Синежук И.Б. Разработка ресурсосберегающей технологии регенерации натрий-катионитовых фильтров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04. - Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2003.

Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 124 наименований, пяти приложений, 28 таблиц и 23 рисунков.

Диссертация посвящена проблеме сокращения потребления технической поваренной соли и уменьшения сброса минерализованных сточных вод химводоподготовительных установок, на которых для умягчения воды используются натрий-катионитовые фильтры.

В работе рассмотрены основные способы обработки и повторного использования отработанных регенерационных растворов натрий-катионитовых установок. Установлено, что из-за сложности и дороговизны бессточных и малоотходных схем водоподготовки, перспективным направлением является способ регенерации в две стадии с использованием в начале отработанного раствора, а затем свежего регенерационного раствора соли. В ходе лабораторных и промышленных исследований определены основные параметры процесса повторного использования и отбора отработанных растворов поваренной соли, а именно соотношения времени подачи отработанного и свежего регенерационных растворов, минимально допустимая концентрация поваренной соли в отработанном растворе, начало и продолжительность отбора.

Установлено, что использование отработанного раствора с концентрацией поваренной соли не ниже 3,5% в течение 30-50% времени регенерации с обязательной последующей подачей свежего регенерационного раствора не приводит к уменьшению продолжительности умягчения воды. Определено, что в промышленных условиях на повторное использование следует отбирать отработанный регенерационный раствор от фильтров первой ступени после достижения максимального значения общей жесткости через время, которое в процентах от всего времени регенерации и отмывки составляет 6-17% и продолжать отбирать до момента падения концентрации поваренной соли в нем ниже начальной. Для фильтров последующих ступеней отработанный регенерационный раствор рекомендуется отбирать на повторное использование согласно того уровня концентрации поваренной соли, который был определен для фильтров первой ступени. Отработанные растворы поваренной соли от фильтров первой и последующих ступеней катионирования целесообразно усреднять в одной емкости. На вышеуказанный уровень концентрации настраивается система автоматического управления процессом отбора с целью повышения надежности работы узла.

Разработаны и внедрены в промышленное производство технологические схемы узлов отбора и повторного использования отработанных регенерационных растворов для пятой и шестой станций химводоочистки Мариупольского металлургического комбината им. Ильича. Предложена методика расчета процесса регенерации с повторным использованием отработанных регенерационных растворов на установках двухступенчатого Na-катионитного умягчения воды.

Исследования показали, что предлагаемый способ регенерации уменьшает потребление поваренной соли в среднем на 30% и снижает сброс хлоридов в окружающую среду.

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: натрий-катионитовые фильтры, регенерация, отработанный регенерационный раствор, повторное использование.

Annotation

Sinezhuk I.B. Development of the resources-economy technology of regeneration Na-cation exchangers. - Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of science Degree, technical (Ph.D), on specialty 05.23.04. - Water supply and sewerage systems. Kyiv National University for construction and architecture, Kyiv, 2003.

On the basis of the analysis a modern condition problem solution of processing and reuse mineralized waste water of water-treatment plants the way of regeneration Na-cation exchangers of the first step in two stages - with use in the beginning spent regenerated solution, without its any processing and then fresh regenerated solution is offered. The results of laboratory and industrial researches are given. The parameters of selection spent regenerated solutions on a reuse are determined. The technological schemes of units of selection spent regenerated solutions for conditions of the fifth and sixth water-treatment stations of the Mariupol Ilich integrated iron-and-steel works are developed. The technique of account of the process regeneration with reuse of the spent regenerated solutions on plants two-stage Na-cation of softening of water is offered.

The developed technology can be applied on water-treatment plants of the industrial enterprises using for water softening Na-cation exchangers.

Key words: Na-cation exchangers, regeneration, spent regenerated solutions, reuse.

Размещено на Allbest.ru

...