PL189762B1

PL189762B1 - Sposób oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych i układ do oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych

Info

Publication number: PL189762B1
Application number: PL97323756A
Authority: PL
Inventors: Marek Gryta; Maria Tomaszewska; Antoni Waldemar Morawski
Original assignee: Politechnika Szczecinska
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2005-09-30
Also published as: PL323756A1

Abstract

1. Sposób oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych polegajacy na ich rozdzieleniu metoda destylacji membranowej na czysta wode i koncentrat, znamienny tym, ze roztwór poregeneracyjny w stanie nienasyconym pod- grzewa sie do temperatury nie przekraczajacej 333 K, a nateze- nie przeplywu wzdluz powierzchni m em bran dobiera sie tak, aby tem peratura roztworu opuszczajacego modul nie byla nizsza od 326 K, zas tem peratura wody przepl ywajac e j po drugiej membran na wlocie do modulu wynosila przynajm- niej 293 K, nastepnie w trakcie przeplyw u przez m odul membranowy roztw ór poregeneracyjny zageszcza sie odpa- rowujac wode przez pory hydrofobowej niezwilzonej mem- brany, po czym odparowujaca wode kondensuje sie i zbiera po drugiej stronie membrany, a zageszczony roztwór poddaje sie krystalizacji w temperaturze ponizej 320 K, po czym z roztworu usuwa sie zarodki krystalizacji i dodaje sie nowe porcje oczysz- czanego roztworu w ilosci równowazacej objetosc wytraconej soli oraz objetosc odparowanej wody, po czym roztwór poddaje sie ponownemu zatezaniu. 3. Uklad od oczyszczania wodnych roztworów po regene- racji wymieniaczy jonowych w destylacji membranowej pola- czonej z krystalizacja soli, znam ienny tym , ze ma dodat- kowy zbiomik obiegowy (4), którego lej osadowy polaczony jest z krystalizatorem (7), z którego odplyw polaczony jest z lejem osadowym zbiornika obiegowego (4), a górny od- plyw ze zbiornika (4) polaczony jest z odplywem zbiornika retencyjnego roztworów poregeneracyjnych (1), który polaczo- ny jest poprzez wymiennik ciepla (2) z wejsciem nadawy do sekcji modulów membranowych (3), natomiast drugie wejscie sekcji membranowej (3) polaczone jest poprzez wymiennik ciepla (6) ze zbiornikiem kondensatu (5), który jest polaczony z wyjsciem obiegu destylatu z sekcji membranowej (3). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych i układ do oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych.

Zmiękczanie i demineralizacja wody metodą wymieniaczy jonowych polega na przepuszczeniu surowej wody, zawierającej szereg rozpuszczonych soli, przez warstwę wymieniacza jonowego, zwanego jonitem. Podczas wymiany jonowej usuwane z wody jony wiązane są przez jonity aż do momentu wyczerpania ich zdolności jonowymiennej. Zdolność tę przywraca się przez przemycie jonitu czynnikiem regeneracyjnym, który najczęściej stanowią roztwory NaOH (regeneracja anionitu) i HC1 (regeneracja kationitu). Uzyskany roztwór poregeneracyjny zawiera jony uprzednio usunięte przez jonit z wody oraz nadmiar czynnika regenerującego. Roztwory poregeneracyjne są trudne do oczyszczenia i z reguły odprowadza się je po neutralizacji do środowiska.

Znany jest z polskiego opisu patentowego 179430 sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych polegający na wykorzystaniu destylacji membranowej w układzie przeciwprądowym i utrzymaniu różnicy temperatur po obu stronach hydrofobowej membrany porowatej umieszczonej w komorze permeacyjnej i oddzielającej obieg ciepłego strumienia surówki, stanowiący ście189 762 ki promieniotwórcze w obiegu o temperaturze Tj, od obiegu zimnego strumienia destylatu stanowiącego wodę w obiegu o temperaturze T₂ < Ti.

Znany jest z polskiego opisu patentowego 175490 sposób zatężania wodnych roztworów kwasu lotnego oraz układ do zatężania wodnego roztworu kwasu lotnego. Sposób polega na tym, że rozcieńczone wodne roztwory kwasu lotnego zatęża się w temperaturze poniżej jego temperatury wrzenia przy wypełnionych fazą gazową porach membrany, po czym przez membranę wydziela się z roztworu składniki lotne. Roztwór przed membraną którego stężenie dąży do stężenia równowagowego, jak i kondensat za membraną znajdują się w obiegach zamkniętych. Układ składa się z co najmniej trzech stopni modułów membranowych i w każdym stopniu nadawa rozdzielona jest od destylatu membraną hydrofobową. Nadawa I stopnia połączona jest z nadawą Π stopnia , która połączona jest z nadawą ΙΠ stopnia. Destylat z II stopnia zawracany jest do nadawy I stopnią destylat ΙΠ stopnia zawracany jest do nadawy II stopnią przy czym nadawa i destylat w każdym stopniu posiadają niezależne obiegi zamknięte.

Znany jest też z polskiego opisu patentowego 179218 sposób i układ do wydzielania kwasu solnego i chlorku żelazowego z ich wodnych roztworów na drodze destylacji membranowej, w którym krystalizator jest jedną z części obiegu głównego nadawy. Stan przesycenia uzyskuje się schładzając roztwór przed krystalizatorem, a roztwór nienasycony uzyskuje się rozgrzewając odciek z krystalizatora w drugim wymienniku ciepła, umiejscowionym przed wejściem do modułu.

Opisanych wyżej rozwiązań nie można stosować do oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji jonitów. W przypadku rozwiązania opisanego w patencie nr 179430 stężenia pierwiastków promieniotwórczych są minimalne i uzyskiwany w tym przypadku koncentrat jest w rzeczywistości rozcieńczonym roztworem, co wyklucza krystalizację. Stosowanie do zatężania ścieków z regeneracji jonitów instalacji opisanej w tym patencie prowadzi do wrastania kryształów soli w pory membran, co powoduje po kilku godzinach zniszczenie modułu membranowego. Z podobnych względów do omawianych celów nie można stosować rozwiązań protonowych w patencie autorów PL 175490, który opracowano do zatężania i rozdzielania mieszaniny cieczy o różnej lotności. Układ opisany w patencie 179218 przeznaczony jest do oczyszczania roztworu zawierającego chlorek żelazą a więc sól bardzo dobrze rozpuszczalną i o dużej zmienności rozpuszczalności w funkcji temperatury. Okazało się, że w przypadku soli których rozpuszczalność niewiele się zmienia wraz z temperaturą układ ten nie zabezpieczył modułu membranowego przed krystalizacją w nim soli. Do soli takich należy NaCl, która to sól jest głównym składnikiem ścieków z regeneracji jonitów.

Celem wynalazku jest sposób prowadzenia destylacji membranowej umożliwiający zastosowanie jej do oczyszczania roztworów po regeneracji jonitów oraz układ do oczyszczania roztworów poregeneracyjnych poprzez ich rozdzielanie na czystą wodę i krystalizujący koncentrat soli.

Sposób według wynalazku polegający na ich rozdzieleniu metodą destylacji membranowej na czystą wodę i koncentrat, charakteryzuje się tym, że roztwór poregeneracyjny w stanie nienasyconym podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej 333 K, a natężenie przepływu wzdłuż powierzchni membran dobiera się tak aby temperatura roztworu opuszczającego moduł nie była niższa od 326 K, zaś temperatura wody przepływającej po drugiej membran na wlocie do modułu wynosiła przynajmniej 293 K. Następnie w trakcie przepływu przez moduł membranowy roztwór poregeneracyjny zagęszcza się odparowując wodę przez pory hydrofobowej niezwilżonej membrany, po czym odparowującą wodę kondensuje się i zbiera po drugiej stronie membrany. Zagęszczony roztwór poddaje się krystalizacji w temperaturze poniżej 320 K, po czym z roztworu usuwa się zarodki krystalizacji i dodaje się nowe porcje oczyszczanego roztworu w ilości równoważącej objętość wytrąconej soli oraz objętość odparowanej wody, po czym roztwór poddaje się ponownemu zatężaniu. Korzystnie wielkość powierzchni stosowanych membran dobiera się w ten sposób, aby ilość odparowanej przez nie wody nie przekraczała 70 - 75 % początkowej objętości ścieków.

Układ do oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych w destylacji membranowej połączonej z krystalizacją soli według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma dodatkowy zbiomik obiegowy, którego lej osadowy połączony jest z krystalizatorem. Odpływ z krystalizatora połączony jest z lejem osadowym zbiornika obiegowego, a górny od4

189 762 pływ ze zbiornika obiegowego połączony jest z odpływem zbiornika retencyjnego roztworów poregeneracyjnych, który połączony jest poprzez wymiennik ciepła z wejściem nadawy do sekcji modułów membranowych. Natomiast drugie wejście sekcji membranowej połączone jest poprzez wymiennik ciepła ze zbiornikiem kondensatu, który jest połączony z wyjściem obiegu destylatu z sekcji membranowej. Korzystnie moduły membranowe wykonane są z membran kapilarnych o średnicy wewnętrznej przynajmniej 1,8 mm.

Sposób według wynalazku objaśniono w przykładach wykonania. Układ według wynalazku pokazano na rysunku przedstawiającym układ do ciągłego oczyszczania ścieków z regeneracji jonitów.

Przykład 1.

Z 5 dm³ roztworu poregeneracyjnego zawierającego następujące składniki: 11000 mg Cl' /dm³,154 mg SOąYdm³,1200 mg Ca² /dm³, 560 mg Mg²⁺/dm³,625 mg Na⁺/dm³,171 mg K⁺/dnr oraz szereg innych jonów w ilości nie przekraczającej 10 mg/dm³ odparowuje się wodę przez pory hydrofobowej niezwilżonej membrany w module membranowym. Membrany o łącznej powierzchni 0,05 m² składają się na moduł membranowy. Moduł membranowy zbudowany jest ze szklanej obudowy o średnicy 22 mm, wewnątrz której wklejono 22 rurki polipropylenowe o średnicy wewnętrznej 1,8 mm. Porowatość membran wynosi 70% a średni rozmiar porów 0,25 mikrometra. Moduł podłączono do dwóch obiegów. Jeden obieg utworzony jest przed membraną i tworzy go zbiomik, pompa i wymiennik ciepła. Roztwór poregeneracyjny stopniowo zatęża się w obiegu przed membraną. Drugi obieg, obieg za membraną, utworzony jest przez połączenie wylotu sekcji membranowej ze zbiornikiem destylatu połączonego poprzez pompę i wymiennik ciepła z wlotem sekcji membranowej za membraną.

Do pierwszego obiegu wprowadzono 5 dm³ roztworu poregeracyjnego, a do drugiego 1 dm³wody destylowanej. Temperatura roztworu poregeneracyjnego wynosiła 333 K i odpowiednio wody destylowanej 293 K. Proces zatężania prowadzono przez 14 godzin. Otrzymano 1,5 dm³ roztworu (70 % współczynnik odzysku) o stężeniu 33 0000 mg C17dm³

Przykład II

Do badań zastosowano instalację opisaną w przykładzie I. Do pierwszego obiegu wprowadzono 5 dm³ roztworu poregeracyjnego o składzie: 11000 mg Cl'/dm³, 154 mg SCty/dm³, 1200 mg Ca²⁺/dm³, 560 mg Mg²⁺/dm³, 625 mg Na⁺/dm³, 171 mg K⁺/dm³ oraz szereg inirych jonów w ilości nie przekraczającej 10 mg/dm³. Do drugiego obiegu wprowadzono 1 dm³ wody destylowanej. Temperatury strumieni na wejściu i wyjściu z modułu membranowego wynosiły odpowiednio:

- roztwór poregeneracyjny na wejściu 333 K i na wylocie 326 K

- woda chłodząca na wlocie 293 K i na wylocie 299 K.

Strumienie przepływały przez moduł w układzie współprądowym. Po uzyskaniu stężenia około 70,8 g Cr/dm³ (84% współczynnik odzysku) z zatężanego roztworu zaczął wypadać osad drobnokrystalicznej soli. Zatężanie kontynuowano, aż do uzyskania 0,5 dm³ końcowej objętości zatężanego roztworu poregeneracyjnego. W obiegu chłodzącym obserwowano ciągły przyrost objętości kondensującej się wody o przewodnictwie właściwym nie przekraczającym 10 mikroS/cm. Wydajność strumienia destylatu w procesie wynosiła około 120 dm³wody w przeliczeniu na 1 m² membrany w ciągu 24 godzin.

Układ przedstawiony na fig. 1 przedstawia zmodyfikowaną instalację do destylacji membranowej połączonej z krystalizatorem dla ciągłego oczyszczania ścieków z regeneracji jonitów. Układ składa się ze zbiornika retencyjnego 1 ścieków połączonego poprzez wymiennik ciepła 2 z wejściem nadawy do sekcji modułów membranowych 3, z której zatężony roztwór odprowadzany jest do zbiornika obiegowego 4, który połączony jest bocznikiem z krystalizatorem 7, z którego odciek powraca do zbiornika 4. Obieg destylatu przepływającego po drugiej stronie membran składa się ze zbiornika destylatu 5 oraz chłodnicy 6. Sekcja membranowa 3 może składać się z jednego dużego modułu lub odpowiedniej liczby mniejszych modułów jednostkowych. Moduły te połączone są w układzie szeregowo-równołegłym, gdzie „n” to liczba modułów połączonych szeregowo, a „m” to liczba szeregów modułów czyli modułów połączonych równolegle w każdym stopniu układu.

189 762

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych polegający na ich rozdzieleniu metodą destylacji membranowej na czystą wodę i koncentrat, znamienny tym, że roztwór poregeneracyjny w stanie nienasyconym podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej 333 K, a natężenie przepływu wzdłuż powierzchni membran dobiera się tak aby temperatura roztworu opuszczającego moduł nie była niższa od 326 K, zaś temperatura wody przepływającej po drugiej membran na wlocie do modułu wynosiła przynajmniej 293 K, następnie w trakcie przepływu przez moduł membranowy roztwór poregeneracyjny zagęszcza się odparowując wodę przez pory hydrofobowej niezwilżonej membrany, po czym odparowującą wodę kondensuje się i zbiera po drugiej stronie membrany, a zagęszczony roztwór poddaje się krystalizacji w temperaturze poniżej 320 K, po czym z roztworu usuwa się zarodki krystalizacji i dodaje się nowe porcje oczyszczanego roztworu w ilości równoważącej objętość wytrąconej soli oraz objętość odparowanej wody, po czym roztwór poddaje się ponownemu zatężaniu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wielkość powierzchni stosowanych membran dobiera się w ten sposób, aby ilość odparowanej przez nie wody nie przekraczała 70 - 75 % początkowej objętości ścieków.

3. Układ od oczyszczania wodnych roztworów po regeneracji wymieniaczy jonowych w destylacji membranowej połączonej z krystalizacją soli, znamienny tym, że ma dodatkowy zbiomik obiegowy (4), którego lej osadowy połączony jest z krystalizatorem (7), z którego odpływ połączony jest z lejem osadowym zbiornika obiegowego (4), a górny odpływ ze zbiornika (4) połączony jest z odpływem zbiornika retencyjnego roztworów poregeneracyjnych (1), który połączony jest poprzez wymiennik ciepła (2) z wejściem nadawy do sekcji modułów membranowych (3), natomiast drugie wejście sekcji membranowej (3) połączone jest poprzez wymiennik ciepła (6) ze zbiornikiem kondensatu (5), który jest połączony z wyjściem obiegu destylatu z sekcji membranowej (3).

4. Układ według zastrz.

5, znamienny tym, że moduły membranowe wykonane są z membran kapilarnych o średnicy wewnętrznej przynajmniej 1,8 mm.