RU2182890C1

RU2182890C1 - Technology of thorough purification of underground water

Info

Publication number: RU2182890C1
Application number: RU2000130833A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Гофман; Л.Е. Марков; В.М. Головков; А.И. Блудов
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: processes of purification of underground water for drinking and public water supply systems. SUBSTANCE: proposed technology deals with methods of purification of underground water from iron, manganese and hard salts in particular. It can be used to win desalted water for preparation of electrolyte for storage batteries. Technology of thorough purification of underground water includes stage of successive mechanical filtration, Na zeolyte softening with regeneration of cationic exchanger by 5-7% solution of sodium chloride and electrodialysis demineralization. Before stage of mechanical filtration water is subjected to aeration. Mechanical filtration is carried out in pressure filter filled with inert material. Quartz sand, quartzite, albite, granodiorite, scorched rock and so on are used in the capacity of inert material. At stage of electrodialysis demineralization proportion of flows of diluent Q_d and brine Q_b is ( 3-5 ):1. EFFECT: optimal technology of purification of bicarbonate underground water in combination with method of electrodialysis demineralization. 1 cl, 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к способам глубокой очистки подземных вод, в частности к способам очистки природных вод от железа, марганца и солей жесткости, и может быть использовано с целью получения обессоленной воды для приготовления аккумуляторною электролита. Кроме того, изобретение может быть использовано в любых отраслях промышленности, где требуется дистиллированная вода. The invention relates to methods for deep purification of groundwater, in particular to methods for purifying natural waters of iron, manganese and hardness salts, and can be used to obtain demineralized water for the preparation of battery electrolyte. In addition, the invention can be used in any industries where distilled water is required.

Широко распространен метод термической дистилляции воды, заключающийся в испарении воды при нагревании и сборе охлажденного конденсата (Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды/ Кульский Л.А. и др.- Киев: Наукова думка, 1980.- Часть 1,- 680с). Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса термического испарения и большой расход охлаждающей воды. К тому же промышленные дистилляторы однократной перегонки не позволяют получить воду требуемого качества. Удельное электрическое сопротивление воды, ρ₀= 100-140 кOм•cм, в то время как по ГОСТ 6709-72 ρ₀ дистиллированной воды должно быть не менее 200 кОм•см.The method of thermal distillation of water is widespread, which consists in evaporating water during heating and collecting cooled condensate (Reference on the properties, methods of analysis and water purification / L. Kulsky et al. - Kiev: Naukova Dumka, 1980.- Part 1, - 680s ) The disadvantage of this method is the high energy intensity of the process of thermal evaporation and the high consumption of cooling water. In addition, industrial distillators of a single distillation do not allow to obtain water of the required quality. The electrical resistivity of water, ρ ₀ = 100-140 kOhm • cm, while according to GOST 6709-72 ρ ₀ distilled water should be at least 200 kOhm • cm.

Известен способ электродиализного обессоливания воды, включающий в себя стадию механической фильтрации через угольный фильтр, стадию умягчения посредством пропускания воды через Na-катионитовый фильтр с регенерацией катионита 5-7%-ным раствором хлористого натрия и электродиализное обессоливание (Гребенюк В.Д. Электродиализ.-Киев: Техника 1976,- 160с). Недостатком способа является то, что он непригоден для очистки гидрокарбонатных подземных вод. Максимальное электрическое сопротивление воды, полученной данным способом, составляло 20 кОм•см, что далеко от требований ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Данный способ выбран за прототип. A known method of electrodialysis desalination of water, which includes the stage of mechanical filtration through a carbon filter, the stage of softening by passing water through a Na-cation exchange filter with the regeneration of cation exchange resin with a 5-7% solution of sodium chloride and electrodialysis desalination (Grebenyuk V.D. Electrodialysis .- Kiev: Technique 1976, - 160s). The disadvantage of this method is that it is unsuitable for the purification of bicarbonate groundwater. The maximum electrical resistance of the water obtained by this method was 20 kOhm • cm, which is far from the requirements of GOST 6709-72 "Distilled water. Technical conditions". This method is selected for the prototype.

Таким образом задачей изобретения является разработка экономически выгодного способа получения обессоленной воды, соответствующей требованиям ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Thus, the objective of the invention is to develop a cost-effective method for producing demineralized water that meets the requirements of GOST 6709-72 "Distilled water. Technical conditions".

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в выборе оптимальной технологической схемы очистки бикарбонатных подземных вод в сочетании с методом электродиализного обессоливания. The technical result achieved by the invention is to select the optimal technological scheme for the purification of bicarbonate groundwater in combination with the method of electrodialysis desalination.

Предлагается способ глубокой очистки подземных вод, включающий, как и прототип, последовательные стадии механической фильтрации, Na-катионирования с регенерацией катионита 5-7% раствором хлористого натрия и электродиализного обессоливания. В отличие от прототипа, перед стадией механической фильтрации воду подвергают аэрации, а механическую фильтрацию осуществляют в напорном фильтре, заполненном инертным материалом. В качестве инертного материала могут использоваться кварцевый песок, кварциты, альбитофир, горелые породы и др. A method for deep underground water purification is proposed, which includes, like the prototype, successive stages of mechanical filtration, Na-cationization with the regeneration of cation exchange resin with a 5-7% solution of sodium chloride and electrodialysis desalination. Unlike the prototype, water is subjected to aeration before the stage of mechanical filtration, and mechanical filtration is carried out in a pressure filter filled with an inert material. As inert material, quartz sand, quartzite, albitofire, burned rocks, etc. can be used.

На стадии электродиализного обессоливания соотношение потоков дилюата Q_обесс и рассола Q_расс составляет (3-5):1.At the stage of electrodialysis desalination, the ratio of the _diluent flows Q _obess and brine Q _ras is (3-5): 1.

В дальнейшем суть предлагаемого изобретения поясняется описанием технологической схемы, изображенной на прилагаемом чертеже, и примерами конкретного исполнения способа. In the future, the essence of the invention is illustrated by a description of the technological scheme depicted in the attached drawing, and examples of specific performance of the method.

На чертеже представлена технологическая схема процесса глубокой очистки подземной воды. Исходная вода поступает в аэратор 1, где насыщается кислородом воздуха. Ионы Fе²⁺, присутствующие в воде в виде растворимого гидрокарбоната Fe(HCО₃)₂, окисляются кислородом до Fe⁺³ и переходят в нерастворимую гидроокись Fe(OH)₃. Далее вода подастся насосом 2 в механический напорный фильтр 3, где освобождается oт железа. Направление фильтрации сверху вниз. В верхней части фильтра 3 имеется смотровое окошко из оргстекла, через которое можно следить за накоплением осадка гидроокиси железа на верхней границе фильтрующего слоя. При накоплении слоя осадка толщиной 2-4 см он смывается при интенсивном взрыхлении фильтрующей загрузки обратным током воды, снизу вверх, в течение 15-20 мин. Обезжелезенная вода поступает на Na-катионитовый фильтр 4, заполненный ионообменной смолой КУ-2 в Na⁺-форме. Направление фильтрации сверху вниз. При этом вода почти полностью освобождается oт солей жесткости. Остаточное содержание кальция 0,6-1,5 мг/л, магния менее 0,5 мг/л. Регенерация катионита осуществляется 5-7%-ным раствором хлористого натрия, который готовится в солерастворителе 5. Раствор подается насосом в верхнюю часть колонны 4. Направление регенерации сверху вниз. После регенерации катионит промывается обезжелезенной водой и вновь готов к работе. Вода, очищенная от солей жесткости и железа, подается в электродиализатор 6, где разделяется на два потока: дилюат и рассол. Соотношение потоков дилюата Q_обесс и рассола Q_расс определено экспериментально и составляет (3-5):1. Обессоленная вода поступает в накопительную емкость 8, а рассол, который представляет собой раствор солей натрия, в основном гидрокарбоната и хлорида, и не является токсичным, сбрасывается в канализацию. На выходе дилюата из электродиализатора 6 установлен прибор контроля качества воды 7, который измеряет удельное электрическое сопротивление воды ρ₀. Электрические параметры электродиализатора подбираются таким образом, чтобы прибор 7 показывал ρ₀ не менее 200 кОм•см.The drawing shows a flow diagram of a deep underground water purification process. The source water enters the aerator 1, where it is saturated with oxygen. The Fe ^{2+ ions} present in water in the form of soluble Fe (HCO ₃ ) ₂ bicarbonate are oxidized by oxygen to Fe ⁺³ and turn into insoluble Fe (OH) ₃ hydroxide. Next, the water is pumped 2 to the mechanical pressure filter 3, where it is freed from iron. Filtration direction from top to bottom. In the upper part of the filter 3 there is a viewing window made of plexiglass, through which you can monitor the accumulation of sediment of iron hydroxide at the upper boundary of the filter layer. With the accumulation of a sediment layer with a thickness of 2-4 cm, it is washed off with intensive loosening of the filter load by the reverse flow of water, from bottom to top, for 15-20 minutes. Iron-free water enters Na-cation exchange filter 4, filled with KU-2 ion-exchange resin in the Na ⁺ form. Filtration direction from top to bottom. In this case, water is almost completely freed from hardness salts. The residual calcium content of 0.6-1.5 mg / l, magnesium less than 0.5 mg / l. The regeneration of cation exchange resin is carried out with a 5-7% solution of sodium chloride, which is prepared in a salt solvent 5. The solution is pumped to the top of the column 4. The direction of regeneration is from top to bottom. After regeneration, the cation exchange resin is washed with iron-free water and is ready for use again. Water purified from hardness salts and iron is supplied to the electrodialyzer 6, where it is divided into two streams: dilute and brine. The ratio of the _diluent flows Q _obess and brine Q _{ras was} determined experimentally and amounts to (3-5): 1. Desalted water enters the storage tank 8, and the brine, which is a solution of sodium salts, mainly hydrocarbonate and chloride, and is not toxic, is discharged into the sewer. At the outlet of the dilute from the electrodialyzer 6, a water quality control device 7 is installed, which measures the electrical resistivity of water ρ ₀ . The electrical parameters of the electrodialyzer are selected so that the device 7 showed ρ ₀ not less than 200 kOhm • see

Предлагаемый способ глубокой очистки подземных вод является эффективным способом получения высококачественной дистиллированной воды с минимальными энергозатратами. The proposed method of deep underground water treatment is an effective way to obtain high-quality distilled water with minimal energy consumption.

Пример 1. Для очистки подземной воды использовалась установка производительностью 50 л/ч. Диаметры механического и Na-катионитового фильтров 250 мм. Высота фильтрующей загрузки 1200 мм. Механический фильтр заполнен кварцевым песком с размером частиц 0,7-1,2 мм, а Na-катионитовый - ионообменной смолой КУ-2 в Na⁺-форме. Электродиализатор (ЭДА) собран из десяти пар мембран МК-40 и МА-40 с прокладками лабиринтного типа. Исходная вода имела общую жесткость 3,1 моль/м³. Содержание железа (общего) 0,52 мг/л.Example 1. For the purification of underground water, a plant with a capacity of 50 l / h was used. The diameters of the mechanical and Na-cation exchange filters are 250 mm. The height of the filter load is 1200 mm. The mechanical filter is filled with quartz sand with a particle size of 0.7-1.2 mm, and the Na-cation exchange resin is filled with KU-2 ion-exchange resin in the Na ⁺ form. The electrodialyzer (EDA) is assembled from ten pairs of MK-40 and MA-40 membranes with labyrinth type gaskets. The source water had a total hardness of 3.1 mol / m ³ . The iron content (total) of 0.52 mg / L.

Исходная вода подавалась в аэратор, где насыщалась кислородом воздуха. Аэратор снабжен автоматикой для поддержания уровня воды. Далее насосом CHl 2-20 вода подавалась в верхнюю часть механического фильтра, где освобождалась от осадка гидроокиси железа. Скорость прокачки через механический фильтр 70-90 л/ч. Содержание железа после механического фильтра 0,15-0,2 мг/л. Периодичность промывки фильтра обратным током воды зависит от содержания железа в исходной воде и составляет примерно один раз в 15-30 дней. Обезжелезенная вода из нижней части механического фильтра подавалась в верхнюю часть Na-катионитового фильтра. Ионы Са²⁺ и Mg²⁺, определяющие жесткость волы, поглощаются катионитом и из нижней части фильтра выходит умягченная вода. Общая жесткость воды после ионообменного фильтра 0,02 моль/м³. Регенерация катионита осуществлялась 5-7%-ным раствором хлористого натрия. Периодичность регенерации зависит от жесткости исходной воды. Фильтр снабжен расходомером, чтобы знать количество умягченной воды, и через 5-7 м³ производится регенерация катионита. Обезжелезенная и умягченная вода поступала в электродиализатор. Питание ЭДА осуществляется от источника постоянного электрического тока. Напряжение питания 250-300 В. Потребляемый ток 2,5-3 А. Контроль за качеством дистиллята ведется по прибору, измеряющему удельное электрическое сопротивление воды. Величина тока подбирается таким образом, чтобы ρ₀ воды было 200-210 кОм•см. При меньшем ρ₀ вода не будет соответствовать требованию ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Повышение ρ₀ более 210 кОм•см приводит к непроизводительным затратам электроэнергии. Качество воды и энергозатраты зависят от соотношения потоков дилюата и рассола. Экспериментально было оптимизировано соотношение Q_обесс/Q_расс. При постоянном потоке дилюата, равном 50 л/ч, изменялся поток воды через рассольные камеры Данные сведены в таблицу 1.The source water was supplied to the aerator, where it was saturated with oxygen. The aerator is equipped with automation to maintain the water level. Then, with a CHl 2-20 pump, water was supplied to the upper part of the mechanical filter, where it was freed from the precipitate of iron hydroxide. Pumping speed through a mechanical filter is 70-90 l / h. The iron content after the mechanical filter is 0.15-0.2 mg / L. The frequency of washing the filter with reverse water flow depends on the iron content in the source water and is approximately once every 15-30 days. Iron-free water from the lower part of the mechanical filter was supplied to the upper part of the Na-cation exchange filter. The Ca ²⁺ and Mg ^{2+ ions} , which determine the stiffness of the ox, are absorbed by the cation exchanger and softened water emerges from the bottom of the filter. The total hardness of the water after the ion exchange filter is 0.02 mol / m ³ . Cation exchanger regeneration was carried out with a 5-7% solution of sodium chloride. The frequency of regeneration depends on the hardness of the source water. The filter is equipped with a flow meter to know the amount of softened water, and after 5-7 m ³ cation exchanger is regenerated. Iron-free and softened water entered the electrodialyzer. EDA is powered from a constant current source. The supply voltage is 250-300 V. The consumed current is 2.5-3 A. The quality of the distillate is monitored by a device that measures the electrical resistivity of water. The current value is selected so that ρ _{0 of} water is 200-210 kOhm • cm. At lower ρ _{0, the} water will not meet the requirement of GOST 6709-72 "Distilled water. Technical conditions". Raising ρ ₀ more than 210 kOhm • cm leads to unproductive energy costs. Water quality and energy consumption depend on the ratio of diluent to brine flows. The experimentally optimized ratio Q _obess / Q _races . With a constant dilute flow of 50 l / h, the flow of water through the brine chambers changed. The data are summarized in table 1.

Как видно из таблицы 1, оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола Q_обесс/Q_расс составляет (3-5):1. При Q_обесс/Q_расс менее 3:1 резко снижается удельное электрическое сопротивление очищенной воды. При Q_обесс/Q_расс более 5: 1 качество воды улучшается незначительно, но начинается заметный разогрев электродиализатора, т.е. часть электричества тратится на выделение тепла.As can be seen from table 1, the optimal ratio of the flow of dilute and brine Q _obess / Q _races is (3-5): 1. When Q _obess / Q _rass less than 3: 1 sharply decreases the electrical resistivity of the purified water. When Q _obess / Q _{rass is} more than 5: 1, the water quality improves slightly, but the noticeable heating of the electrodialyzer begins, i.e. part of the electricity is spent on heat.

Результаты анализа воды приведены в таблице 2. The results of the analysis of water are shown in table 2.

Как видно из таблицы 2, вода полностью соответствует требованиям ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная. Технические условия". Потребляемая мощность установки с учетом перекачки воды 1-1,2 кВт•ч. As can be seen from table 2, the water fully complies with the requirements of GOST 6709-72 "Distilled water. Technical conditions". The power consumption of the installation, taking into account the pumping of water, is 1-1.2 kW • h.

Claims

A method of deep underground water purification, which includes successive stages of mechanical filtration, Na-cationization with the regeneration of cation exchange resin with a 5-7% solution of sodium chloride and electrodialysis desalination, characterized in that the water is subjected to aeration before the mechanical filtration stage, mechanical filtration is performed in a pressure filter, filled with an inert material, and at the stage of electrodialysis desalting, the ratio of the diluent and brine flows Q _obess / Q _{races is} in the range (3-5): 1.