Результат интеллектуальной деятельности: Способ и оборудование очистки воды от стронция

Изобретение относится к способам очистки воды от стронция, в том числе для питьевых целей.

Известен способ очистки исходной воды от стронция при его соосаждении с солями жесткости известковым молоком в виде гидроокиси, с последующим отстаиванием и фильтрацией через зернистую загрузку. Однако этот способ, с учетом небольшой глубины очистки, трудоемкости приготовления реагента и затратами на нейтрализацию избытка щелочности фильтрата кислотой, представляется малоэффективным.

Более эффективными способами извлечения стронция из воды являются ионообменные, на природных и искусственных ионообменниках.

Известен способ очистки от стронция на природном сорбенте клиноптилолите, Патент RU 2032626. Недостатком этого способа является невысокая обменная емкость этого сорбента, с учетом поглощения ионов жесткости кальция и магния и организация ионного обмена в прямотоке.

Прототипом предлагаемому способу является очистка питьевой воды от стронция на сильнокислых катионитах в Na⁺ форме. При этом исследованиями, проведенными в НИИ ВОДГЕО, установлено, что снижение концентрации стронция при ионном обмене осуществляется пропорционально снижению концентрации солей жесткости – Mg²⁺, Ca²⁺. Предварительная подготовка исходной воды сравнительно проста, ограничивается, как правило, удалением избытка мутности, железа путем фильтрации через зернистую загрузку.

Сильнокислотные гелиевые катиониты – отечественный КУ-2-8ЧС и импортные аналоги (С-100Е и др.) сорбируют из водного раствора согласно ряду селективности до девяти металлов. Н<Na<K<Cs<Mg<Cu<Ca<Sr<Ce<Ba .

Стронций находится в ряду рядом с кальцием.

При использовании катионита в Na⁺ форме можно предположить, что стронций будет вытеснять при ионном обмене не только натрий, но и магний и кальций. Однако недостатком этого способа является малая селективность стронция по отношению к кальцию, поскольку, установлено – стронций в природе является спутником кальция в морской воде. Рабочий цикл по Sr ионообменника ограничен проскоком солей жесткости, его проскок на выходе фильтра наблюдается вместе с солями жесткости.

Фирмой «ROHM IHAAS» на основании опытных данных по обессоливанию воды с использованием однородных гранул катионита в H⁺ форме было показано положительное влияние размера частиц на продолжительность фильтроцикла. При замене смолы этой фирмы Амберлайт IR120 с неоднородными гранулами (300÷1200 мкм) смолой Амберджет 1200 с однородностью в узком пределе (400-800 мкм), продолжительность фильтроцикла увеличилась на 11÷13%, т.е. в данном случае проскок катиона Na⁺ наблюдался по времени примерно на эти величины позже. Соответственно, по расчету сокращалось число регенераций ионообменника в месяц и удельный расход реагента – серной или соляной кислоты.

Известно, что при продвижении сорбционного фронта на высоте загрузки он испытывает отрицательное влияние потока воды вблизи стенки фильтра с зернистой загрузкой. Для фильтров больших диаметров до 3^х м изменение скорости достигает в пределах 1,6÷5,0 раз Б.Н.Фрог и авт. ж. Водоподготовка № 4, 2007, с. 48-49. За счет перемешивания концентраций глубина очистки от солей жесткости снижается с 0,190 до 0,3 Известен способ, при котором путем отвода фильтрата из пристеночного зазора шириной 50 мм удается повысить эффективность работы фильтра-умягчителя и увеличить продолжительность фильтроцикла. Однако недостатком этого способа является необходимость контроля паразитного отбора и дополнительное поддержание потока, то есть увеличение связанных с ним эксплуатационных затрат.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, – повышение селективности извлечения стронция при очистке воды, увеличение продолжительности рабочего цикла оборудования и уменьшение связанных с ним эксплуатационных затрат.

Поставленная задача решается за счет того, что для очистки питьевой воды от стронция Na или Н катионированием процесс ионного обмена ведут на монодисперсных катионитах с коэффициентом однородности менее 1,2 в зажатом слое загрузки, что могут быть применены цилиндрические фильтры при соотношении диаметра к высоте загрузки ионообменника не более 0,8, снабженные внутренними пристеночными отбойниками и дренажными щелевыми колпачками в оболочке металлической сетки с ячейками 0,28÷0,50 мм.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение селективности извлечения стронция при очистке воды, снижение перемешивания катионов и стабилизация потока обрабатываемой воды, пропускаемого через загрузку, увеличение глубины очистки от солей жесткости, солей стронция, уменьшение проскоков солей жесткости, повышение продолжительности фильтроцикла, увеличение продолжительности рабочего цикла.

Очистку воды от стронция ведут Na или Н катионированием, в том числе противоточным катионированием, процесс ионного обмена ведут на монодисперсных катионитах с коэффициентом однородности менее 1,2, например 0.6-0.7мм в зажатом слое загрузки, например загруженных в цилиндрических фильтрах из коррозионностойких материалов при соотношении диаметра к высоте загрузки ионообменника 0,8, при этом зажатие загрузки по высоте может быть обеспечено диафрагмой с отверстиями или из сетки, или верхней крышкой фильтра. Фильтры снабжены внутренними пристеночными отбойниками, например, в виде пластин или колец, расположенных по внутреннему периметру фильтра, и модернизированными щелевыми дренажными колпачками из нержавеющей стали в оболочке металлической сетки с ячейками 0,28÷0,50 мм.

Проведенные авторами лабораторные исследования в режиме умягчения воды Na-катионированием, в том числе противоточным катионированием, подтвердили увеличение продолжительности фильтроцикла на сильнокислотной монодисперсной смоле Амберджет 1200 при скорости 12÷18 м/л по сравнению с обычной смолой типа КУ-2-8ЧС или С-100Е. Отсутствие мелких гранул монодисперсной загрузки умягчительного фильтра позволяет практически исключить забивку щелей дренажных колпачков дополнительно защищенных сеткой и продолжительное время работать без обратных взрыхляющих промывок. Это позволяет использовать фильтры с зажатым слоем загрузки и стабилизировать гидродинамические характеристики потока воды через зернистую однородную загрузку.

Проведенные авторами теоретические и практические исследования гидродинамики потоков в зернистых загрузках показали, что подобные отрицательные явления исключаются при поперечном секционировании фильтра или использовании фильтров меньшего диаметра в блоках, Д.Н.Маслов, В.Н.Лукерченко ОАО «Конверсия» Станции очистки подземных вод сложного состава. докл. Акватэк 2004 г. Оптимальное соотношение диаметр/высота загрузки около 0,8. Отрицательное влияние пристеночного эффекта также снижается при внесении конструктивных дополнений, связанных со снижением проскока потока путем установки на внутренней стенке отбойников размещенных по высоте с интервалом 0,3 м дренажных щелевых колпачков в оболочке металлической сетки с ячейками 0,28÷0,50 мм Проведенные изложенные изменения и дополнения (см. Таблица), позволили повысить эффективность очистки воды от стронция. При одинаковом объеме загрузки 150 л цилиндрического нержавеющего фильтра диаметром 400 м с описанными конструктивными дополнениями монодисперсная загрузка с коэффициентом однородности менее 1,2 (0,60,7 мм) в зажатом слое позволила при противоточном режиме регенерации увеличить продолжительность цикла по проскоку стронция на 38%. Стабилизация фронта сорбции позволила повысить рабочую обменную емкость катионита с 1,2 до 1,7 . Удельный расход реагента поваренной соли сократился на 27%.

Сравнение способов очистки воды от стронция

(Исходная вода: Mg - 2; Ca - 3,5; Sr - 0,4 мг⋅экв/дм³)

Таблица

Характеристика параметров Прототип Предлагаемый способ Объем загрузки, л 150 150 Дисперсность, мм 0,3-0,9 0,6-0,7 Диаметр фильтра, м 0,4 0,4 Расход NaCl на регенерацию, кг 22 22 Продолжительность фильтроцикла - по солям жесткости, ч 16 18 - по проскоку стронция, ч 16 22 Рабочая емкость катионита по стронцию, 1,2 1,7 Удельный расход соли на регенерацию, 122 89