Опреснение и обессоливание воды

Процесс удаления солей из воды в зависимости от степени их извлечения называется обессоливанием или опреснением. При обессоливании воды снижают концентрацию растворенных солей до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде, а при опреснении воды – до концентрации, допустимой при использовании воды для хозяйственно-питьевых нужд.

Методы обессоливания воды можно условно разделить на две группы: физические и физико-химические.

К физическим методам относятся дистилляция и вымораживание.

При использовании метода дистилляции воду нагревают до кипения, пары проходят через холодильник, конденсируются и дистиллят собирается в приемник. Этим способом можно освободиться от всех растворенных нелетучих веществ.

Вымораживание основано на использовании явления разделения кристаллов пресного льда и рассола при замерзании соленой воды. Температура замерзания рассола ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации солей. Поэтому в твердое состояние вначале переходит чистая вода, а некоторое количество рассола оказывается включенным в массу пресного льда.

С увеличением температуры окружающей среды первыми в жидкое состояние переходят включения рассола, которые с частью растаявшего пресного льда идут в сброс. Когда температура окружающей среды повышается до 4 ^оС, остается рыхлая масса пресного льда, при таянии которого и получается пригодная для использования пресная вода.

К физико-химическим методам опреснения и обессоливания воды относятся обратный осмос, электродиализ и ионный обмен.

Обратный осмос (гиперфильтрация) представляет собой процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны с порами примерно 1 нм, которые проницаемы для молекул воды, но непроницаемы для гидратированных ионов.

Как известно, самопроизвольный переход воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловлен движущей силой, называемой осмотическим давлением. Если в растворе повысить давление сверх осмотического, то наблюдается переход растворителя в обратном направлении – обратный осмос. Давление, необходимое для проведения процесса составляет 6-10 МПа. Обратный осмос широко используется для обессоливания в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов). В последнее время гиперфильтрация начала применяться и для умягчения воды.

Достоинствами метода являются: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения реагентов; простота конструкций аппаратуры. Недостатки метода: возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран.

Электродиализ – это процесс обессоливания воды основанный на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы. Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых состоит из камер, отделенных одна от другой мембранами (рис. 5).

O₂ H₂

H+

| | | | | | |

Cl-   Na+

| | | | | | |

OH-

_

+

HCl NaCl NaOH

Рис. 5. Схема электродиализатора с пористыми диафрагмами.

В среднюю камеру заливают солевой раствор, а в боковые – чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород, а в анодном пространстве образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород, а катодном пространстве образуется щелочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается, стремясь к минимальному значению.

Кроме простых пористых мембран также используют электрохимически активные (ионообменные) мембраны. В данном случае повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной ионообменной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные диафрагмы представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины с малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1-2 мм. Во избежание засорения мембран очищаемую воду освобождают от взвешенных и коллоидных частиц.

Для деминерализации (обессоливания) воды также используется метод ионного обмена. Для этого воду последовательно пропускают сначала через Н – катионит, а затем через ОН - анионит. Химизм процесса обессоливания можно выразить следующими уравнениями:

Н[Kат] + NaCl ⇄ Na[Kат] + HCl

[Aн]OH + HCl ⇄ [Aн]Cl + H₂O

На рис. 6 представлена схема обессоливания воды с последовательным применением Н-катионирования и ОН-анионирования. Вода последовательно проходит через катионитовый 1, затем анионитовый 2 фильтры и попадает в дегазатор 3, где она освобождается от диоксида углерода и кислорода. Далее обработанная вода через сборник 4 направляется к потребителю.

H₂O CO₂, O₂

1 2

\\\\\\\ ///////

\\\\\\\ /////// 3

\\\\\\\ ///////

H₂O

◍

Рис. 6. Схема установки для обессоливания воды ионитами:

1 – катионитовый фильтр; 2 – анионитовый фильтр;

3 – дегазатор; 4 – сборник воды.

Поиск по сайту: