Баромембранная водоподготовка

Источниками водоснабжения для котельных и бытовых водогрейных котлов являются городские водопроводы, артезианские скважины и поверхностные водоемы. В большинстве случаев перед подачей воды в котел требуется ее водоподготовка.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Водоподготовка для котельной заключается в удалении из воды механических примесей, растворенных минеральных солей и органических соединений, растворенных в воде газов – CO2 и O2. Для водогрейных котлов, в том числе бытовых, водоподготовка может проводиться раз в год перед подачей воды в систему отопления, ведь функционируют такие котлы как закрытые системы.

Обязательное условие для всех видов воды, используемой в котлах всех типов, – отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100 °С рекомендуется использование деминерализованной или умягченной воды, в зависимости от типа устанавливаются нормативы ее качества.

Если удаление механических примесей не составляет сложностей, то на втором этапе удалить растворенные вещества не так просто. Для этого используются ионообменные технологии, а в последнее время все большее применение находят ультрафильтрация и обратный осмос.

Методы

Ультрафильтрация и обратный осмос относятся к баромембранным методам очистки воды, суть которых заключается в продавливании растворителя через поры полупроницаемой мембраны, задерживающей более крупные молекулы растворенных веществ (рис. 1).

На рисунке 1: Концентрат, Макромолекулы, Ионы и молекулы воды, Полупроницаемая мембрана, Основа мембраны, Фильтрат

Для метода ультрафильтрации размеры пор на мембранах составляют 30–1000 Å, рабочее давление – 0,2–1,0 МПа. Для обратного осмоса размеры пор –1–15 Å, рабочее давление – 0,5–8,0 МПа. Процесс прохождения примесей через мембраны при ультрафильтрации – просеивание, он наиболее схож по механизму с задерживанием частиц на фильтрах механической очистки. В мембранах обратного осмоса прохождение ионов и молекул является более сложным процессом диффузии и поэтому зависит от ряда факторов, таких как состав исходной воды, загрязнение мембран, заряд мембран и коэффициент концентрации солей.

Именно обратный осмос применяется для деминерализации воды. С помощью этого метода на мембране задерживаются почти все ионы – 92–99 %, а при двухступенчатой системе – и до 99,9 %. Таким образом достигается и умягчение воды, и обезжелезивание. В системах глубокого обессоливания (ТЭС) обратный осмос находит применение вместо водород-катионитных и гидроксид-анионитных фильтров первой ступени, что позволяет сократить потребление большого количества кислот и щелочей, а также избавиться от сточных вод, содержащих эти реагенты.  Кроме этого, установки обратного осмоса успешно применяются для подготовки подпиточной воды паровых котлов.

В то же время при использовании всех видов мембран в баромембранных методах предъявляются определенные требования к качеству входной воды. Наименее требовательны к составу входной воды мембраны ультрафильтрации. Они допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц (от 50 до 40 000 мг/л в зависимости от типа мембран) и работают в широком диапазоне рН (от 1 до 13). При использовании мембран обратного осмоса предъявляются достаточно высокие требования к качеству входной воды. Обычно необходима предварительная обработка воды, которая заключается в удалении взвешенных частиц, растворенного железа и нейтрализации окислителей. Все виды мембран нуждаются в периодической промывке и очистке, в том числе химически усиленной. Несоблюдение технологии эксплуатации может привести к необратимым процессам загрязнения и порчи мембран.

Учитывая все вышеизложенное, ультрафильтрация используется как наиболее эффективный метод предподготовки воды перед обратным осмосом. Ультрафильтрационные мембраны эффективно задерживают взвешенные и коллоидные вещества, органические загрязнения, обусловливающие цветность. Использование ультрафильтрации дает гарантию высокого качества очищенной воды, несмотря на сезонные колебания качества исходной воды.

Если ультрафильтрационные мембраны применяются в качестве технологии предочистки перед подачей воды на обратносмотическую мембрану, в исходную воду добавляют флокулянт – необходимая мера для повышения эффективности задержания органических загрязнений, которые могут образовывать осадки на таких мембранах. Однако исследования показали, что низкомолекулярные (менее 200 кДа) органические вещества оказывают очень слабое влияние на обратноосмотические мембраны.

Во время эксплуатации модули ультра- и микрофильтрации подвержены загрязнению органическими и неорганическими коллоидными элементами. Вследствие такого загрязнения производительность модулей снижается, и необходимо проводить их периодическую чистку.

Кроме использования как стадии предочистки перед обратным осмосом, ультрафильтрация может применяться как самостоятельный метод осветления воды в качестве предочистки перед ее подачей на установки ионообменного обессоливания или умягчения.

Рис. 2 Тангенциальная ультрафильтрация

Ультрафильтрация, как правило, бывает двух типов – тангенциальная (рис. 2 ) и тупиковая (рис. 3 ).

Рис. 3 Тупиковая ультрафильтрация

Наибольшее распространение получила именно тупиковая фильтрация вследствие своей экономичности и относительной простоты реализации.

Оборудование

Мембраны для баромембранных фильтрационных аппаратов (рис. 4) изготавливаются из полимерных материалов: целлюлозы и ее эфиров, полиамидов, полиолефинов, сополимеров акрилонитрила с винилхлоридом, поливинилхлорида. Применяются и керамика, и металлы.

Рис. 4 Установка ультрафильтрации

Мембранные аппараты изготавливают четырех типов.

• Плоскокамерные: мембранный элемент состоит из двух плоских мембран,  расстояние между ними 1,5–5,0 мм. В этом промежутке расположен пористый дренажный материал. Плотность упаковки мембран (поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата) – 60–300 м2/м3. Вследствие такой малой производительности аппараты этого типа применяют там, где потребность в деминерализованной воде небольшая.
• Трубчатые: аппарат состоит из пористых трубок диаметром 5–20 мм. Материал, который служит мембраной, наносится на поверхность трубки (внутреннюю или наружную). Плотность упаковки у этого типа аппаратов также небольшая – 60–200 м2/м3.
• Рулонные: мембранный элемент имеет вид пакета, три кромки которого герметизированы, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода пермеата. По окружности трубки таких пакетов несколько, все они вместе с сетками накручиваются на трубку. Разделяемая вода движется в продольном направлении по межмембранным каналам, а пермеат поступает в отводящую трубку. Плотность упаковки таких аппаратов высокая – 300–800 м2/м3, но из-за сложности их изготовления они применяются в основном на средних и больших производствах.
• Волоконные: мембранный элемент имеет вид полого волокна. Аппарат представляет собою цилиндр, заполненный пучком пористых полых волокон с наружным диаметром 80–100 мкм и толщиной стенки 15–30 мкм. Разделяемая вода омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат. В этих аппаратах очень большая плотность упаковки – до 20 000 м2/м3, они широко используются в опреснительных установках, например, при получении питьевой воды из морской воды и рассолов.

Огромное значение имеет модульный принцип, заложенный в основу создания баромембранных фильтрационных установок, который позволяет легко наращивать их мощности в соответствии с размахом поставленных задач.

Статья из журнала «Аква-Терм» №6 (88), рубрика «Водоснабжение и вододоподготовка»

вернуться назад

Читайте также:

Опыт проектирования систем тригенерации с применением газопоршневых электростанций Bosch

Современные твердотопливные котлы, сжигающие древесину

Анализ состояния, модернизация и развитие рынка промышленного котельного и энергетического оборудования

АПРО защитит интересы отечественных производителей климатического оборудования