2. Методы опреснения и обессоливания воды.

Методы опреснения и обессоливания воды подразделяются на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния. К первой группе относятся дистилляция, замораживание и др. методы, ко второй - ионообмен, электродиализ, обратный осмос (гипер­фильтрация) и др. На АЭС находят применение дистилляция, ионный об­мен, электродиализ и другие.

Выбор метода обуславливается качеством исходной воды, требова­нием к качеству очищенной воды, производительностью установки и тех­нико-экономическими соображениями.

Очистка воды методом дистилляции. Дистилляция - процесс по­догрева водного раствора до кипения, отбора образующегося водяного, па­ра и его конденсации. Полученный конденсат водяного пара называют дистиллятом (дистиллированной водой). Если процесс дистилляции по­вторить, то получим бидистиллят.

Дистилляция - традиционный и самый распространенный способ оп­реснения воды, этим методом получают 96 % всей опресняемой в мире во­лы. Моряками он применяется еще со времен древней Греции и в настоя­щее время продолжает оставаться основным источником пресной воды на морских кораблях.

Дистилляция используется для очистки воды от любых загрязнений (взвешенных и растворенных), кроме летучих и газообразных. Этот метод используется для опреснения воды с большой степенью минерализации (морская вода) и для воды загрязненной вредными веществами, которую нельзя сбрасывать в естественные источники.

На АЭС испарительные установки в основном применяют в установках спецводоочистки: СВО-3, СВО-6, СВО-7.

Для производства воды заполнения контуров ЯЭУ и их подпитки из природной воды на отечественных АЭС испарительные установки не применяют исходя из технико-экономических соображений.

Очистка воды методом вымораживания. Вымораживание - метод опреснения воды, заключающийся в охлаждении соленой воды ниже тем­пературы замерзания, отделении образовавшегося льда и последующем его плавлении. Концентрация растворенных веществ в воде при этом значи­тельно снижается, однако существующие методы нагрева и разработанные на их основе конструкции дистилляторов значительно экономичнее реф­рижераторных установок и опреснителей на их основе. Поэтому метод вымораживания не нашел широкого применения и используется в основ­ном там, где есть естественные источники холода. Этим методом полу­чают всего 0,1 % мирового производства опресненной воды.

Электродиализ. Электродиализ - процесс удаления из растворов (проводников второго рода) ионизированных веществ путем переноса их через мембраны в поле постоянного электрического тока. В такой системе возникает направленное движение ионов Н⁺ и ОН^- , причем катионы дви­жутся к катоду, а анионы - к аноду, при этом электродиализатор разделяют на отсеки с помощью специальных мембран, катионопроницаемые и анионопроницаемые мембраны. При этом катионопроницаемые мембраны пропускают катионы и не пропускают анионы, а анионопроницаемые мембраны наоборот пропускают анионы и не пропускают катионы.

Принцип работы виден из функциональной схемы электродиализатора:

Обессоленная вода

Ионитные мембраны для процессов электродиализа должны об­ладать высокой селективностью, малой проницаемостью, химической стойкостью, хорошей электрической проводимостью, высокой механи­ческой прочностью, определяющей продолжительный срок службы в про­мышленных условиях.

Внедрение электродиализа началось более 20 лет назад, но широкое использование его тормозится необходимостью предварительной очистки воды от взвешенных и коллоидных частиц, которые могут осаждаться на мембранах и ухудшать их проницаемость. Возможно "отравление" мем­бран органическими примесями, что ухудшает их работу и приводит к "об­разованию кальциевых и магниевых отложений. Сдерживают применение электродиализа также сложность аппаратуры и высокие эксплуатационные расходы по замене мембран.

Электродиализ выгодно использовать для опреснения соленых вод, так как удельные затраты на удаление солей снижаются с ростом минера­лизации исходной воды. В настоящее время этим методом получается около 3 % всей опресняемой воды.

Метод обратного осмоса. Метод деминерализации воды обратным осмосом (гиперфильтрация) основан на прохождении чистого растворите­ля через полупроницаемую мембрану при давлении, превышающем осмо­тическое. Движущей силой этого процесса является разность между при­ложенным и осмотическим давлениями:

Где: р - избыточное давление над исходным раствором;

- осмотическое давление соответственно исходного раствора и рас­твора, прошедшего через мембрану.

Эффективность процессов обратного осмоса в значительной степени определяется свойствами применяемых мембран, которые должны отве­чать следующим требованиям: высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к воз­действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Обратным осмосом сейчас получают всего 1 % всей опрес­няемой воды в мире, хотя считается, что это один из наиболее перспектив­ных и экономичных способов опреснения. Сдерживает широкое применение этого метода отсутствие долго­вечных мембран.

Метод ионного обмена. Основан на явлении обмена ионов при контакте некоторых твердых веществ с растворами. В настоящее время на практике используется большое число как природных ионообменных веществ, так и искусственных ионитов различного состава.

Иониты - это нерастворимые в воде органические или неоргани­ческие вещества, содержащие активные группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на ионы растворов при контакте с ними.

Активные группы в ионитах - это функциональные группы кис­лотного или основного характера, которые присоединены к высокомо­лекулярному каркасу или матрице, причем иониты с однотипными фун­кциональными группами называют монофункциональными, а с обменны­ми группами различной природы - полифункциональными.

Используют органические иониты (крахмал, мелатин, целлюлозу, торф, древесину, наиболее широко - синтетические ионообменные смолы и сульфированные угли) и неорганические иониты - гидроксиды алюминия, железа бария, цеолиты, пермутиты.

На АЭС наиболее широко используют синтетические ионообменные смолы.

Наиболее часто в качестве катионита применяют катионит марки КУ-2-8 (катионит универсальный). Если после цифры 8 стоит буква ч – чистый, если чс – химически чистый ( 1 и 2 сорт ). Катионит марки КУ-2-8 стоек к разбавленным кислотам и щелочам, обладает высокой механической прочностью, термостойкостью ( до 120⁰С в Н-форме ). Его селективность очень высока к ионам Са²⁺ , Fe³⁺ , Ni²⁺ , Zn²⁺. Выпускается в виде сферических зерен размером 0,315 – 1,25 мм, цвет от желтого до темнокоричневого в Н⁺ форме.

Из анионитов наиболее широко применяется для очистки воды анионит АВ-17-8 (анионит высокоосновной), также как и катионит может быть особо чистым. Выпускается в виде сферических зерен размером 0,315 – 1,25 мм, цвет от желтого до темнокоричневого в ОН^- форме. Термически устойчив до 60⁰С.

Обработка воды методом ионного обмена экономически выгодна при солесодержании воды, не превышающем 1 г/кг. В противном случае ионо­обменные смолы быстро истощаются. Замена фильтрующего материала ввиду большой стоимости ионитов обходится дорого, а регенерация при­водит к появлению большого количества вод, требующих нейтрализации.

При написании химических реакций иониты обозначаются в виде RH⁺ и ROH^-, где R – сложный органический радикал катионита или анионита.

Процесс обработки воды с помощью катионитов называют катионированием, с помощью анионитов – анионированием. Обработка воды может производиться как при раздельной загрузке ионитов в корпуса фильтров, так и при совместной ( ФСД ).

При раздельной загрузке ионитов первым этапом очистки является катионирование. При этом реакции ионного обмена протекают по уравнениям типа:

а) катионирование - RH⁺ + Na⁺Cl^- R Na⁺ + H⁺ Cl^-

б) анионирование - ROH^- + H⁺ Cl^- R Cl^- + Н₂О

Таким образом, при последовательном катионировании и анионировании получается вода с очень малым содержанием солей.

Если процесс обессоливания воды на ионитных фильтрах длится достаточно долго, то иониты насыщаются и перестают поглощать ионы из растворов. В фильтрате появляются посторонние ионы, Этот момент называется проскоком ионов через фильтр, при чем в первую очередь будут проскакивать ионы стоящие в конце ряда интенсивности поглощений ионов. Интенсивность поглощений катионов зависит от их природы, ее можно представить следующим рядом:

Са⁺ Мg²⁺ К⁺ NH₄⁺ Na⁺ H⁺

Каждый предыдущий ион в этом ряду будет вытеснять последующий, если они присутствуют в воде в сопоставимых концентрациях.

Интенсивность поглощений анионов можно представить в следующем виде:

SO₄^-2 Cl^- NO₃^- HCO₃^- OH^-

В системах обессоливания природных вод Н-катионитные фильтры отключаются на регенерацию по проскоку натрия и регенерируются обычно 1-5% раствором Н₂SO₄. Процесс регенерации завершается отмывкой фильтра,

Необходимой для удаления из межзерного пространства слоя остатков регенерационного раствора и продуктов регенерации.

Аонитные фильтры, как правило, выводятся на регенерацию по проскоку хлоридов и регенерируются щелочью NаОН.

При длительной работе фильтров также увеличивается гидравлическое сопротивление их загрузки. Поэтому при увеличении перепада давления на фильтре до предельных значений фильтр должен быть выведен на регенерацию.

В некоторых очистительных установках ЯЭУ ( БОУ ) используют смешанную загрузку фильтров при соотношении катионита и анионита от 1:1 до 3:1. Смешанная загрузка ионитных фильтров обладает рядом преемуществ перед раздельной загрузкой фильтров: - процессы поглощения ионов протекают практически одновременно, что приводит к ускорению обмена; - при смешивании иониты занимают объем значительно превосходящий суммарный объем ингредиентов смеси, и образуют более проницаемый слой, что позволяет вести процесс с большей эффективностью при скоростях в 2-3 раза больших, чем скорость, чем скорость при раздельном ионировании.

К основным показателям качества ионитов относят:

Полная обменная емкость - это общее число всех ио­нообменных групп в единице объема ионита, выражающееся в мг-экв/л. Полная обменная емкость постоянна для данного ионита и зависит только от термического, химического и ионизирующего воздействия. Из-за необ­ходимости многократной регенерации ионитов их обменная емкость ис­пользуется лишь частично. В таком случае вводится понятие рабочей об­менной емкости ионитов, которая зависит от условий сорбции и регенера­ции ионитов. Для катионитов обменные емкости определяют по катионам, для анионитов - по анионам.

Сорбционная способность - это способность к избирательной сорбции ионов. Для оценки избира­тельной сорбционной способности ионитов определяют обменный коэф­фициент распределения К. При очистке раствора от ионов во время дости­жения равновесия эти ионы распределяются между ионитом и раствором. Отношение концентрации сорбируемого вещества в ионите к концентра­ции его в растворе при достижении равновесия и называется обменным ко­эффициентом распределения К. При К < 1 ионит обеднен по сравнению с раствором, а при К >1 обогащен ионами.

Коэффициент селективности определяет избирательность ионитов к тому или иному иону при прочих равных условиях. При этих условиях для определенных ионитов устанавливаются ряды селективности. Так, селек­тивность катионита КУ-2 очень высока к ионам Са²⁺, Fe³⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, что успешно используется в процессах водоподготовки.

Динамическая обменная емкость ДОЕ - количество ионов, которое может поглотить ионит до момента проскока поглощаемого компонента в динамических условиях. ДОЕ выражается в мг-экв поглощенного иона на 1 л ионита (мг-экв/л).

ДОЕ определяется по формуле:

ДОЕ =

где С - концентрация ионов (катионов для катионита или анионов для

анионита) в воде, мг-экв/л;

V - количество воды, пропущенной через фильтр до проскока погло­щаемого иона, л;

V₁ - объем ионита, л.

ДОЕ является величиной переменной зависящей от ря­да факторов:

- природы поглощаемого иона (например, емкость катионита по иону Na* меньше, чем по ионам Са²⁺ и Mg ⁺);

- концентрации поглощаемого иона и рН раствора (с уменьшением концентрации ДОЕ снижается);

- скорости фильтрации (с увеличением скорости ДОЕ уменьшается);

- температуры фильтруемой воды.

Химическая стойкость - нерастворимость и способность ионита и сохранять обменную емкость в воде и растворах кислот, щелочей и солей

Термическая стойкость - нерастворимость и способность ионита при заданных температурах сохранять обменную емкость.

При повышении температуры фильтруемой воды некоторые иониты частично разлагаются и ДОЕ уменьшается. Продукты разложения анионита, содержащие аминогруппы и обладающие поэтому слабощелочными свойствами, могут поглощаться катионитом. В результате этого ДОЕ смеси катионита и анионита с повышением температуры воды понижается. При повышении температуры выше допустимых значений может происходить разруше­ние ионитов с полной потерей ДОЕ и загрязнением воды продуктами paзложения.( Для анионитов предельная температура – 60⁰С, а для катионитов - 120⁰С.)

Радиационная стойкость - способность сохранять ДОЕ под воздействием радиации.

С увеличением радиации ДОЕ уменьшается за счет образования дополнительных сшивок. Кроме того, может происходить и разрушение (деструкция) полимерной основы ионитов. Аниониты менее радиационио стойки, чем катиониты.

Механическая прочность - способность сохранять свой грануломет­рический состав (зернение) при эксплуатации (не истираться, не растрескиваться, не образовывать измельченной смеси в процессе работы).

Набухаемость - способность ионита увеличивать свой объем при контакте с водой.