RU2793787C2 - Method for removing pollutants from wastewater from industrial production and a system for implementing such method - Google Patents

Method for removing pollutants from wastewater from industrial production and a system for implementing such method Download PDF

Info

Publication number
RU2793787C2
RU2793787C2 RU2020143798A RU2020143798A RU2793787C2 RU 2793787 C2 RU2793787 C2 RU 2793787C2 RU 2020143798 A RU2020143798 A RU 2020143798A RU 2020143798 A RU2020143798 A RU 2020143798A RU 2793787 C2 RU2793787 C2 RU 2793787C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compartment
wastewater
waste water
production
concentration
Prior art date
Application number
RU2020143798A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020143798A (en
Inventor
Петр ЧЛАДЕК
Клайв M. Х. БРЕРЕТОН
Эрик Робин МИЛКЕ
Original Assignee
Яра Интернэшнл Аса
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Яра Интернэшнл Аса filed Critical Яра Интернэшнл Аса
Publication of RU2020143798A publication Critical patent/RU2020143798A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2793787C2 publication Critical patent/RU2793787C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: removal of contaminants from wastewater.
SUBSTANCE: claim is related to a method of removal of contaminants from wastewater from the industrial production of fertilizers, in particular wastewater from the production of nitrophosphate or other mineral or organomineral fertilizers. The method includes the steps of concentrating the pollutants in the wastewater, chemically converting the pollutants in the wastewater by means of electrolysis, recycling the electrolyzed wastewater into industrial production. As a result of electrolysis, pollutants form a gas. The wastewater concentration step is carried out using a direct osmosis module or a pressurized osmosis module comprising a first compartment and a second compartment separated by a membrane. The step of concentrating the waste water includes the step of directing the waste water to the first compartment of the osmosis module. The recycling step includes directing the electrolyzed waste water to the second compartment of the osmosis module and recycling the waste water from the second compartment of the osmosis module to fertilizer production.
EFFECT: increased efficiency of pollutant removal, increased current utilization factor.
11 cl, 4 dwg, 6 ex

Description

Область техники настоящего изобретенияTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Настоящая заявка относится к новой системе и способу обработки с применением электролиза концентрированной сточной воды от промышленного производства удобрений, в частности, сточной воды от производства нитрофосфатных или других минеральных или органоминеральных удобрений.The present application relates to a new system and method for the treatment using electrolysis of concentrated waste water from the industrial production of fertilizers, in particular waste water from the production of nitrophosphate or other mineral or organo-mineral fertilizers.

Уровень техники настоящего изобретенияState of the art of the present invention

Промышленная сточная вода представляет собой один из важных источников загрязнения водной среды. В течение последнего столетия огромное количество промышленной сточной воды было выпущено в реки, озера и на прибрежные территории. Это привело к серьезным проблемам загрязнения водной среды и вызвало неблагоприятные воздействия на экологическую систему.Industrial wastewater is one of the important sources of water pollution. During the last century, vast quantities of industrial wastewater have been released into rivers, lakes and coastal areas. This has led to serious water pollution problems and caused adverse impacts on the ecological system.

Существуют многочисленные типы промышленной сточной воды в зависимости от различных отраслей промышленности и загрязняющих веществ; каждый сектор производит свое особенное сочетание загрязняющих веществ. На основании разнообразных характеристик промышленной сточной воды обработка промышленной сточной воды должна быть специально предназначена для определенного типа производимых выбросов.There are numerous types of industrial wastewater depending on different industries and pollutants; each sector produces its own particular combination of pollutants. Based on the varied characteristics of industrial wastewater, industrial wastewater treatment must be tailored specifically to the specific type of emissions produced.

Во многих промышленных системах задача заключается в том, чтобы уменьшить количество сточной воды, выпускаемой в окружающую среду, посредством рециркуляции выпускаемой сточной воды обратно в соответствующую промышленную систему. В рамках промышленного производства удобрений природа сточной воды может варьироваться в зависимости от типов производимых удобрений и конкретных осуществляемых процессов.In many industrial systems, the goal is to reduce the amount of wastewater released to the environment by recycling the discharged wastewater back to the appropriate industrial system. Within the industrial production of fertilizers, the nature of the wastewater may vary depending on the types of fertilizers produced and the particular processes involved.

Минеральные удобрения содержат один или несколько первичных (основных) питательных вещество, представляющих собой азот (N), фосфор (Р) и калий (K) в неорганической форме или в форме карбамида или цианамида. Основные питательные вещества (N, Р и K) требуются для растений в больших или умеренных количествах. В зависимости от состава минеральные удобрения также содержат другие питательные вещества, требуемые для растений в меньшей степени, такие как Са, Mg и S. Микроэлементы, требуемые в малых количествах, представляют собой В, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn. Удобрения классифицируют в зависимости от содержания в них основных питательных веществ: простые удобрения обычно содержат только одно основное или первичное питательное вещество (N, Р или K), в то время как комплексные удобрения содержат два или более основных питательных веществ (удобрения NP, РК или NPK и, более конкретно, NP или NPK).Mineral fertilizers contain one or more primary (basic) nutrients, which are nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) in inorganic form or in the form of urea or cyanamide. Essential nutrients (N, P and K) are required by plants in large or moderate amounts. Depending on the composition, mineral fertilizers also contain other nutrients required by plants to a lesser extent, such as Ca, Mg and S. Trace elements required in small quantities are B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn. Fertilizers are classified according to their content of essential nutrients: simple fertilizers usually contain only one primary or primary nutrient (N, P or K), while complex fertilizers contain two or more primary nutrients (NP, PK or NPK and more specifically NP or NPK).

Существуют два общих способа получения комплексных удобрений, а именно, смешанный кислотный способ и нитрофосфатный способ. В частности, в нитрофосфатном способе фосфатную породу сначала растворяют в избытке азотной кислоты, и Са(NO3)2⋅4H2O удаляют после варки из раствора исходного фосфата посредством охлаждения и фильтрования. Затем, нейтрализуя образующийся в результате фильтрат, получают раствор, содержащий, главным образом, нитрат аммония и двойные фосфаты аммония и кальция. Посредством испарения раствора, содержащего нитрат аммония, моноаммонийфосфат и дикальцийфосфат (AN-MAP-DCP), получают расплавленную суспензию, к которой могут быть добавлены соли, представляющие собой хлорид калия и сульфат калия. Используя указанные исходные компоненты и описанный способ, можно получать широкое разнообразие составов удобрений в результате последующего образования частиц из раствора комплексных удобрений.There are two general methods for producing complex fertilizers, namely the mixed acid method and the nitrophosphate method. In particular, in the nitrophosphate process, the phosphate rock is first dissolved in an excess of nitric acid, and Ca(NO 3 ) 2 ⋅4H 2 O is removed after pulping from the original phosphate solution by cooling and filtering. Then, by neutralizing the resulting filtrate, a solution containing mainly ammonium nitrate and double ammonium and calcium phosphates is obtained. By evaporating a solution containing ammonium nitrate, monoammonium phosphate and dicalcium phosphate (AN-MAP-DCP), a molten suspension is obtained, to which potassium chloride and potassium sulfate salts can be added. Using these initial components and the described method, it is possible to obtain a wide variety of fertilizer compositions as a result of the subsequent formation of particles from a solution of complex fertilizers.

Основные компоненты сточной воды, образующейся от производства удобрений NP или NPK, представляют собой аммиак, нитраты, фториды и фосфаты, и при этом сточная вода также может содержать тяжелые металлы из фосфатной породы, такие как Cd, Hg и Zn.The main components of wastewater from the production of NP or NPK fertilizers are ammonia, nitrates, fluorides and phosphates, and the wastewater may also contain heavy metals from the phosphate rock such as Cd, Hg and Zn.

В 2002 году Австрийское агентство по защите окружающей среды выпустило отчет, озаглавленный «Уровень техники производства удобрений в связи с директивой по комплексному предотвращению и контролю загрязнений (IPPC)», монография том 105, М-105 (см. http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/publikationen/M105.pdf; см. также «Наилучшие доступные технологии предотвращения и контроля загрязнений в европейском промышленном производстве удобрений», буклет №7 из 8 «Производство удобрений NPK нитрофосфатным способом» Европейской ассоциации производителей удобрений, 2000 г.). В австрийском отчете представлено обсуждение конкретных способов уменьшения выбросов сточной воды и приведены следующие семь рекомендаций в отношении уровня техники нитрофосфатного способа, в частности:In 2002, the Austrian Environmental Protection Agency issued a report entitled "State of the Art of Fertilizer Production in Relation to the Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Directive", monograph volume 105, M-105 (see http://www.umweltbundesamt .at/fileadmin/site/publikationen/M105.pdf, see also Best Available Techniques for the Prevention and Control of Contamination in the European Fertilizer Industry, Booklet #7 of 8, Nitrophosphate NPK Fertilizer Production, European Fertilizer Association, 2000 .). The Austrian report discusses specific ways to reduce wastewater emissions and makes the following seven recommendations regarding the state of the art of the nitrophosphate process, in particular:

1. устранение противопенных реагентов из обработки фосфатной породы;1. elimination of antifoam agents from phosphate rock treatment;

2. возвращение скрубберной жидкости, образующейся в результате обработки отходящих газов от обработки фосфатной породы, в производственный процесс;2. returning the scrubbing liquid resulting from the treatment of off-gases from the processing of phosphate rock to the production process;

3. возвращение промывочной воды для промывания песка в производственный процесс;3. return of washing water for sand washing to the production process;

4. устранение непосредственного охлаждения/тушения, например, конденсации отработанных паров;4. elimination of direct cooling/extinguishing, for example, condensation of exhaust vapors;

5. возвращение скрубберной жидкости, образующейся в результате очистки отходящих газов аммонизации, в производственный процесс;5. return of the scrubbing liquid resulting from the purification of the ammonization off-gases to the production process;

6. объединенная очистка отходящих газов блоков нейтрализации/испарения и гранулирования/высушивания; и6. combined cleaning of exhaust gases of neutralization/evaporation and granulation/drying units; And

7. применение буферных резервуаров в целях компенсации колебаний объема и содержания сточной воды.7. the use of buffer tanks to compensate for fluctuations in the volume and content of waste water.

Рекомендация 2 соответствует вышеупомянутой задаче уменьшения количества сточной воды, выпускаемой в окружающую среду, посредством рециркуляции выпускаемой сточной воды обратно в соответствующую промышленную систему. Оказывается выгодной рециркуляция содержащей азот, фосфор и калий сточной воды в производство удобрений NPK, поскольку это уменьшает воздействие на окружающую среду и оптимизирует количества исходных материалов и воды, которые поступают в производственный процесс.Recommendation 2 is in line with the aforementioned objective of reducing the amount of wastewater released into the environment by recycling the discharged wastewater back into an appropriate industrial system. It is beneficial to recycle nitrogen, phosphorus and potassium containing wastewater to NPK fertilizer production as it reduces the environmental impact and optimizes the amounts of raw materials and water that enter the production process.

Хлориды обычно рассматриваются как важные загрязняющие вещества в сточной воде от производства удобрений. Это может быть обусловлено относительно низкими уровнями содержания хлоридов, которые присутствуют в сточной воде от производства удобрений и могут составлять лишь приблизительно 1000 ч./млн. В качестве сравнения питьевая вода имеет максимальное содержание хлоридов на уровне 250 ч./млн, в то время как соленая вода содержит 35000 ч./млн хлорида натрия, причем соответствующая хлоридная часть составляет приблизительно 21400 ч./млн. По этой причине содержание хлоридов, присутствующих сточной воде от производства удобрений, обычно не рассматривают в качестве проблемы для окружающей среды.Chlorides are commonly regarded as important contaminants in wastewater from fertilizer production. This may be due to the relatively low levels of chlorides that are present in wastewater from fertilizer production and may be only about 1000 ppm. As a comparison, drinking water has a maximum chloride content of 250 ppm, while salt water contains 35,000 ppm sodium chloride, with a corresponding chloride fraction of approximately 21,400 ppm. For this reason, the content of chlorides present in waste water from fertilizer production is not usually considered as an environmental problem.

Однако необходимо соблюдать пределы безопасности при рециркуляции сточной воды от производства удобрений обратно в раствор, используемый для производства удобрений. По существу, при высоких температурах на стадии гранулирования или испарения для последующего образования гранул необходимо соблюдать строгие ограничения в отношении хлора в целях предотвращения разложения нитрата аммония и связанных с этим опасностей пожара и взрыва. Следовательно, уровень рециркуляции сточной воды необходимо контролировать в отношении содержания хлора, которое должно оставаться ниже предела безопасности в растворе для производства удобрений перед стадией гранулирования.However, safety limits must be observed when recycling wastewater from fertilizer production back into the solution used for fertilizer production. As such, at high temperatures in the granulation or evaporation step for subsequent granulation, strict chlorine restrictions must be observed in order to prevent the decomposition of ammonium nitrate and the associated fire and explosion hazards. Therefore, the level of waste water recirculation must be controlled with respect to the chlorine content, which must remain below the safety limit in the fertilizer solution before the granulation step.

В качестве альтернативы, обработка сточной воды в целях удаления хлора обеспечит дополнительную гибкость по отношению к объему сточной воды, возвращаемой в процесс, и/или к содержанию хлора в фосфатной породе, которая поступает на первую стадию процесса.Alternatively, treating the wastewater to remove chlorine will provide additional flexibility with respect to the volume of wastewater returned to the process and/or the chlorine content of the phosphate rock that enters the first stage of the process.

Обработка содержащей соединения азота сточной воды в целях удаления соединений азота раскрыта в документе US 6,132,627. В результате электролиза хлоридные ионы превращаются в гипохлоритные ионы, и реакция этих гипохлоритных ионов с соединениями азота приводит к получению чистого газообразного азота, СО2 и хлоридных ионов. Хлоридные ионы могут быть превращены в гипохлоритные ионы посредством рециркуляции сточной воды обратно в электролизер.The treatment of nitrogen-containing wastewater to remove nitrogen compounds is disclosed in US 6,132,627. Electrolysis converts chloride ions into hypochlorite ions, and the reaction of these hypochlorite ions with nitrogen compounds produces pure nitrogen gas, CO 2 and chloride ions. The chloride ions can be converted to hypochlorite ions by recycling the waste water back to the cell.

В документе JPS 5113007 раскрыта двухстадийная обработка сточной воды от производства химических удобрений. На первой стадии CaF2 удаляют в первом электрохимическом элементе посредством адсорбции на диатомите, активированном посредством предварительного электролиза. На второй стадии во втором электролизере амины превращаются в хлорамины посредством реакции с хлором и гипохлоритом. Хлор и гипохлорит получают отдельно в результате электролиза морской воды, и полученную подвергнутую электролизу воду добавляют во второй электролизер для обработки сточной воды от производства удобрений. В этом втором электролизере электролиз и адсорбция посредством электролитически активного диатомита обеспечивают устойчивость хлораминов. При этом на двух стадиях обработки удаляют фосфаты и SiO2.JPS 5113007 discloses a two-stage treatment of wastewater from chemical fertilizer production. In the first step, CaF 2 is removed in the first electrochemical cell by adsorption on diatomaceous earth activated by pre-electrolysis. In the second stage, in the second electrolyser, amines are converted to chloramines by reaction with chlorine and hypochlorite. Chlorine and hypochlorite are obtained separately by the electrolysis of sea water, and the resulting electrolyzed water is added to a second electrolyser for treating waste water from fertilizer production. In this second electrolytic cell, electrolysis and adsorption by electrolytically active diatomaceous earth ensure the stability of the chloramines. In this case, phosphates and SiO 2 are removed in two processing steps.

В заявках WO 2017/103041 и WO 2017/103042 представлены способы обработки промышленной сточной воды, в частности, сточной воды от производства нитрофосфатных удобрений или сточной воды от производства других минеральных и органоминеральных удобрений. В обеих заявках раскрыто удаление хлоридов в форме газообразного хлора посредством электролиза сточной воды. Кроме того, в заявке WO2017/103042 решена проблема образования отложений в катодной камере посредством рециркуляции кислого анолита в катодную камеру, в результате чего отложения растворяются. В заявках раскрыты низкие концентрации хлоридов, составляющие 250 ч./млн после их удаления посредством электрохимической обработки. В заявке WO 2017/103042 раскрыт коэффициент использования фарадеевского тока, составляющий 8,6%.Applications WO 2017/103041 and WO 2017/103042 present methods for treating industrial waste water, in particular waste water from the production of nitrophosphate fertilizers or waste water from the production of other mineral and organo-mineral fertilizers. Both applications disclose the removal of chlorides in the form of chlorine gas by electrolysis of waste water. In addition, WO2017/103042 solves the problem of deposit formation in the cathode chamber by recirculating the acid anolyte into the cathode chamber, whereby the deposit is dissolved. The applications disclose low chloride concentrations of 250 ppm after their removal by electrochemical treatment. WO 2017/103042 discloses a Faraday current utilization factor of 8.6%.

Соответственно, требуются более эффективные системы и способы удаления загрязняющих веществ из сточной воды от промышленного производства, в частности, из сточной воды от производства удобрений.Accordingly, more efficient systems and methods for removing contaminants from wastewater from industrial production, in particular from wastewater from fertilizer production, are required.

Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief summary of the present invention

В настоящем документе описана новая концепция удаления загрязняющих веществ из сточной воды от промышленного производства, в частности, от производства удобрений. Было обнаружено, что эффективность процесса может быть значительно увеличена посредством концентрирования загрязняющих веществ в сточной воде перед стадией электролиза.This paper describes a new concept for the removal of contaminants from wastewater from industrial production, in particular from the production of fertilizers. It has been found that the efficiency of the process can be greatly increased by concentrating contaminants in the wastewater prior to the electrolysis step.

Согласно аспекту настоящей заявки раскрыт способ удаления загрязняющих веществ из сточной воды от промышленного производства. Этот способ включает следующие стадии:According to an aspect of the present application, a method is disclosed for removing contaminants from industrial wastewater. This method includes the following steps:

a) концентрирование загрязняющих веществ в сточной воде;a) concentration of contaminants in wastewater;

b) химическое превращение загрязняющих веществ в сточной воде посредством электролиза, при этом, в частности, загрязняющие вещества образуют газ в результате электролиза; иb) chemical transformation of pollutants in waste water by means of electrolysis, whereby, in particular, the pollutants form a gas as a result of electrolysis; And

c) рециркуляция подвергнутой электролизу сточной воды в промышленное производство. Было обнаружено, что посредством стадии концентрирования способ обеспечивает повышенную эффективность стадии электролиза.c) recycling electrolyzed wastewater to industrial production. It has been found that by means of the concentration step, the method provides an increased efficiency of the electrolysis step.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке загрязняющие вещества представляют собой хлориды, и концентрация хлоридов в сточной воде после стадии концентрирования составляет от 1250 до 2250 ч./млн, в частности, от 1500 до 2250 ч./млн и, более конкретно, от 1750 до 2250 ч./млн.In an exemplary process according to the present application, the contaminants are chlorides and the concentration of chlorides in the wastewater after the concentration step is between 1250 and 2250 ppm, in particular between 1500 and 2250 ppm and more particularly between 1750 up to 2250 ppm

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке стадию концентрирования сточной воды осуществляют, используя модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении, содержащий первый отсек и второй отсек разделенные мембраной.In an exemplary method according to the present application, the wastewater concentration step is carried out using a direct osmosis module or a pressurized osmosis module comprising a first compartment and a second compartment separated by a membrane.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке способ включает дополнительную стадию направления сточной воды в первый отсек модуля осмоса, и стадия рециркуляции включает стадии направления подвергнутой электролизу сточной воды во второй отсек модуля осмоса и рециркуляции сточной воды из второго отсека модуля осмоса в производство удобрений.In an exemplary method according to the present application, the method includes the additional step of directing wastewater to the first compartment of the osmosis module, and the recycling step includes the steps of directing electrolyzed wastewater to the second compartment of the osmosis module and recycling wastewater from the second compartment of the osmosis module to fertilizer production.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке поток сточной воды в первом отсеке модуля осмоса является противоположно направленным по отношению к потоку во втором отсеке модуля осмоса.Within the framework of the possible method according to the present application, the flow of waste water in the first compartment of the osmosis module is opposite to the flow in the second compartment of the osmosis module.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке способ включает дополнительную стадию добавления солевого раствора во второй отсек модуля осмоса или выше по потоку.In an exemplary method according to the present application, the method includes the additional step of adding a brine solution to the second compartment of the osmosis module or upstream.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке солевой раствор, добавленный во второй отсек модуля осмоса или выше по потоку, содержит одну или несколько солей из нитрата аммония, двойных фосфатов аммония и кальция и нитрата кальция.In an exemplary process according to the present application, the brine added to the second compartment of the osmosis module or upstream contains one or more salts of ammonium nitrate, double ammonium and calcium phosphates, and calcium nitrate.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке промышленное производство представляет собой производство удобрений, в частности, производство нитрофосфатных или других минеральных или органоминеральных удобрений и, более конкретно, промышленное производство композиций, содержащих нитрат аммония.Within the scope of the possible method according to the present application, industrial production is the production of fertilizers, in particular the production of nitrophosphate or other mineral or organo-mineral fertilizers, and more specifically the industrial production of compositions containing ammonium nitrate.

В рамках возможного способа согласно настоящей заявке загрязняющие вещества представляют собой хлориды, и концентрация хлоридов в подвергнутой электролизу сточной воде составляет менее чем 350 ч./млн.In an exemplary process according to the present application, the contaminants are chlorides and the concentration of chlorides in the electrolyzed waste water is less than 350 ppm.

Согласно следующему аспекту настоящей заявки раскрыта система удаления из сточной воды от промышленного производства загрязняющих веществ, присутствующих в сточной воде. Система может содержать блок концентрирования, предназначенный для присоединения с возможностью переноса текучей среды к сточной воде от промышленного производства, и блок электрохимической обработки, предназначенный для удаления загрязняющих веществ и присоединенный с возможностью переноса текучей среды ниже по потоку блока концентрирования. Блок электрохимической обработки может содержать электролитический блок и может быть предназначен для присоединения с возможностью переноса текучей среды к рециркуляции обработанной сточной воды в промышленное производство. Блок концентрирования может представлять собой модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении, и при этом модуль осмоса может содержать первый отсек и второй отсек, разделенные мембраной. Сточная вода от промышленного производства, подлежащая обработке, может быть присоединена с возможностью переноса текучей среды к первому отсеку. Первый отсек может быть присоединен с возможностью переноса текучей среды к впуску блока электрохимической обработки. Выпуск блока электрохимической обработки может быть присоединен с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку, и второй отсек может быть предназначен для присоединения с возможностью переноса текучей среды к промышленному производству, в частности, сконфигурирован таким образом, что сточная вода, обработанная в блоке электрохимической обработки, может протекать через второй отсек и рециркулировать в промышленное производство. Необязательно источник солевого раствора присоединен с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку.According to a further aspect of the present application, a system is disclosed for removing industrial wastewater from contaminants present in wastewater. The system may include a concentration unit for fluid transfer connection to industrial waste water and an electrochemical treatment unit for contaminant removal and fluid transfer downstream of the concentration unit. The electrochemical treatment unit may comprise an electrolytic unit and may be designed to be fluidly coupled to the recycling of treated wastewater to industrial production. The concentration unit may be a direct osmosis module or a pressurized osmosis module, and the osmosis module may comprise a first compartment and a second compartment separated by a membrane. Wastewater from industrial production to be treated may be fluidly connected to the first compartment. The first compartment may be fluidly connected to the inlet of the electrochemical processing unit. The outlet of the electrochemical treatment unit may be fluidly connected to the second compartment, and the second compartment may be designed to be fluidly connected to industrial production, in particular configured such that the wastewater treated in the electrochemical treatment unit, can flow through the second compartment and be recycled to industrial production. Optionally, a brine source is fluidly connected to the second compartment.

В возможной системе согласно настоящей заявке система содержит блок концентрирования, присоединенный с возможностью переноса текучей среды к сточной воде от производства удобрений, и блок электрохимической обработки для удаления загрязняющих веществ, присоединенный с возможностью переноса текучей среды ниже по потоку относительно блока концентрирования и присоединенный с возможностью переноса текучей среды к рециркуляции обработанной сточной воды в производство удобрений.In an exemplary system according to the present application, the system comprises a concentrating unit operably coupled to transfer fluid to wastewater from fertilizer production and an electrochemical treatment unit to remove contaminants coupled to circulate fluid downstream of the concentration unit and movably coupled fluid to recycle treated wastewater into fertilizer production.

В возможной системе согласно настоящей заявке блок концентрирования представляет собой модуль прямого осмоса, модуль осмоса при повышенном давлении, модуль обратного осмоса или модуль электродиализа.In an exemplary system according to the present application, the concentration unit is a direct osmosis module, a pressurized osmosis module, a reverse osmosis module, or an electrodialysis module.

В возможной системе согласно настоящей заявке блок концентрирования представляет собой модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении, содержащий первый отсек и второй отсек, разделенные мембраной. Сточная вода от промышленного производства, подлежащая обработке, присоединена с возможностью переноса текучей среды к первому отсека, первый отсек присоединен с возможностью переноса текучей среды к блоку электрохимической обработки, и обработанная сточная вода присоединена с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку и протекает через второй отсек для рециркуляции в промышленное производство. Необязательно источник солевого раствора присоединен с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку.In an exemplary system according to the present application, the concentration unit is a direct osmosis module or a pressurized osmosis module comprising a first compartment and a second compartment separated by a membrane. Industrial wastewater to be treated is fluidly connected to the first compartment, the first compartment is fluidly connected to the electrochemical treatment unit, and the treated wastewater is fluidly connected to the second compartment and flows through the second compartment for recycling to industrial production. Optionally, a brine source is fluidly connected to the second compartment.

В возможной системе согласно настоящей заявке блок концентрирования содержит несколько модулей осмоса, в частности, два или три модуля осмоса, соединенных последовательно.In an exemplary system according to the present application, the concentration unit comprises several osmosis modules, in particular two or three osmosis modules connected in series.

В возможной системе согласно настоящей заявке поток сточной воды в первом отсеке модуля осмоса течет в противоположном направлении по отношению к потоку воды во втором отсеке модуля осмоса.In an exemplary system according to the present application, the flow of waste water in the first compartment of the osmosis module flows in the opposite direction with respect to the flow of water in the second compartment of the osmosis module.

Согласно следующему аспекту настоящей заявки раскрыто применение системы согласно второму аспекту настоящей заявки в производстве удобрений, в частности, в производстве нитрофосфатных удобрений, или в производстве других минеральных или органоминеральных удобрений, более конкретно, в производстве удобрений, представляющих собой композиции, содержащие нитрат аммония.According to a further aspect of the present application, the use of the system according to the second aspect of the present application in the production of fertilizers, in particular in the production of nitrophosphate fertilizers, or in the production of other mineral or organomineral fertilizers, more specifically in the production of fertilizers that are compositions containing ammonium nitrate, is disclosed.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

На фиг. 1 схематически проиллюстрирован способ концентрирования, электролиза и рециркуляции сточной воды от производства удобрений.In FIG. 1 schematically illustrates a process for the concentration, electrolysis and recycling of wastewater from fertilizer production.

На фиг. 2А и 2В схематически проиллюстрирован способ концентрирования, включающий осмос, электролиз и рециркуляцию сточной воды от производства удобрений.In FIG. 2A and 2B schematically illustrate a concentration process involving osmosis, electrolysis, and recirculation of wastewater from fertilizer production.

На фиг. 3 схематически проиллюстрирован многоступенчатый модуль осмоса для концентрирования сточной воды от производства удобрений перед электрохимической обработкой и для рециркуляции сточной воды после электрохимической обработки.In FIG. 3 schematically illustrates a multi-stage osmosis module for concentrating wastewater from fertilizer production before electrochemical treatment and for recycling wastewater after electrochemical treatment.

Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed disclosure of the present invention

Во всем тексте описания и формулы настоящего изобретения слова «включать» и соответствующие грамматические формы означают «включающий, но не ограниченный», и они не предназначены, чтобы исключать, и не исключают другие фрагменты, добавки, компоненты, целые числа или стадии. Во всем тексте описания и формулы настоящего изобретения единственное число охватывает множественное число, если иное условие не требуется согласно контексту. В частности, если в описании настоящего изобретения используются грамматические формы единственного числа, следует понимать, что является возможным как единственное число, так и множественное число, если иное условие не требуется согласно контексту.Throughout the description and claims of the present invention, the words "include" and the corresponding grammatical forms mean "including but not limited to", and they are not intended to exclude, and do not exclude other fragments, additives, components, integers or steps. Throughout the text of the description and claims of the present invention, the singular covers the plural, unless otherwise required according to the context. In particular, if singular grammatical forms are used in the description of the present invention, it should be understood that both the singular and the plural are possible unless otherwise required by the context.

Признаки, целые числа, характеристики, соединения, химические фрагменты или группы, описанные в связи с конкретным аспектом, вариантом осуществления или примером настоящей заявки, следует рассматривать как применимые к любому другому аспекту, варианту осуществления или примеру, описанному в настоящем документе, если отсутствует несовместимость. Все признаки, представленные в описании настоящего изобретения (включая любые признаки в сопровождающей формуле изобретения, реферате и фигурах), и/или все стадии любого способа или процесса, описанного таким образом, могут быть объединены в любом сочетании, за исключением сочетаний, в которых по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или стадий являются взаимоисключающими. Настоящая заявка не ограничена деталями какого-либо из представленных выше вариантов осуществления. Настоящая заявка распространяется на любой новый признак или на любое новое сочетание признаков, представленных в описание настоящего изобретения (включая любые признаки в сопровождающей формуле изобретения, реферате и фигурах), или на любую новую стадию или на любое новое сочетание стадий любого способа или процесса, описанного таким образом.Features, integers, characteristics, compounds, chemical moieties, or groups described in connection with a particular aspect, embodiment, or example of this application should be considered applicable to any other aspect, embodiment, or example described herein, unless there is incompatibility. . All features set forth in the description of the present invention (including any features in the accompanying claims, abstract and figures) and/or all steps of any method or process so described may be combined in any combination, except for combinations in which at least some of such features and/or steps are mutually exclusive. The present application is not limited to the details of any of the above embodiments. This application extends to any new feature or to any new combination of features presented in the description of the present invention (including any features in the accompanying claims, abstract and figures), or to any new step or to any new combination of steps of any method or process described Thus.

Представление численных значений посредством численных диапазонов включает все целые значения и дробные значения в указанных диапазонах, а также представленные конечные точки.The representation of numerical values by numerical ranges includes all integer and fractional values in the specified ranges, as well as the endpoints represented.

Термин «приблизительно» при использовании для представления измеряемого значения, такого как параметр, количество, период времени и так далее, предназначен для представления отклонений, составляющих +/-10% или менее, предпочтительно +/-5% или менее, предпочтительнее +/-1% или менее и еще предпочтительнее +/-0,1% или менее от указанного значения, и таким образом, указанные отклонения применяются в заявке, описанной в настоящем документе. Следует понимать, что само значение, к которому относится термин «приблизительно», также считается описанным.The term "approximately" when used to represent a measurable value such as a parameter, amount, period of time, and so on, is intended to represent deviations of +/-10% or less, preferably +/-5% or less, preferably +/- 1% or less, and even more preferably +/-0.1% or less of the specified value, and thus, these deviations apply in the application described herein. It should be understood that the very meaning to which the term "approximately" refers is also considered to be described.

Термин «от … до» при использовании в отношении диапазона измеряемого значения, такого как параметр, количество, период времени и так далее, также предназначен для представления предельных значений, относящихся к диапазону, который описан указанным образом.The term "from ... to" when used in relation to a range of a measurable value, such as a parameter, quantity, period of time, and so on, is also intended to represent limit values relating to a range that is described in this way.

Все документы, процитированные в настоящем описании, во всей своей полноте считаются включенными в него посредством ссылки.All documents cited in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

При чтении настоящего документа следует обратить внимание на все материалы и документы, которые поданы во время или до подачи описания настоящего изобретения в сочетании с настоящей заявкой, и которые являются открытыми для публичного ознакомления вместе с описанием настоящего изобретения, причем содержание всех таких материалов и документов включено в настоящий документ посредством ссылки.When reading this document, attention should be paid to all materials and documents that are filed at the time of or prior to the filing of the description of the present invention in conjunction with this application, and which are open for public review along with the description of the present invention, and the content of all such materials and documents is included to this document by reference.

Далее подробно описано настоящее изобретение, относящееся к удалению хлоридов из сточной воды от производства удобрений посредством образования и удаления газообразного хлора из сточной воды. Однако настоящая заявка может быть применена для удаления из любой промышленной сточной воды любых загрязняющих веществ, которые могут быть подвергнуты химическому превращению посредством электролиза, в целях рециркуляции сточной воды обратно в промышленное производство. Такие загрязняющие вещества присутствуют, например, в потоках, включая, без ограничения, солевые растворы, которые присутствуют в производстве урана и при электролизе сульфата натрия. В примерах 3 и 4 описаны такие применения для не относящейся к удобрениям сточной воде или рециркуляционным потокам, а в примере 6 также описано повышение эффективности фарадеевского тока вследствие предварительного концентрирования. В частности, загрязняющие вещества образуют газы и удаляются в газовой фазе в течение стадии электролиза.The present invention will now be described in detail in relation to the removal of chlorides from wastewater from fertilizer production by generating and removing chlorine gas from wastewater. However, the present application can be applied to remove from any industrial waste water any pollutants that can be subjected to chemical transformation through electrolysis, in order to recycle the waste water back into industrial production. Such contaminants are present, for example, in streams, including, without limitation, salt solutions, which are present in the production of uranium and in the electrolysis of sodium sulfate. Examples 3 and 4 describe such applications for non-fertilizer wastewater or recirculation streams, and Example 6 also describes the improvement in Faraday current efficiency due to preconcentration. In particular, contaminants form gases and are removed in the gas phase during the electrolysis step.

Как определено в настоящем документе, коэффициент использования фарадеевского тока представляет собой процентную долю проходящего через электролизер тока, которая используется для превращения загрязняющих веществ.As defined herein, the Faraday current utilization factor is the percentage of current passing through the cell that is used to convert contaminants.

При использовании в настоящем документе термин «блок электрохимической обработки» означает блок, в котором может происходить электрохимическая реакция, причем электрохимическая реакция предпочтительно представляет собой электролиз.As used herein, the term "electrochemical processing unit" means a unit in which an electrochemical reaction can take place, the electrochemical reaction being preferably electrolysis.

При использовании в настоящем документе термин «электролитический блок» означает блок, содержащий электролизер, в котором может происходить электролиз.As used herein, the term "electrolytic block" means a block containing an electrolytic cell in which electrolysis can take place.

Хлориды могут присутствовать в сточной воде от производства удобрений, в частности, в сточной воде от производства нитрофосфатных, органических или органоминеральных удобрений. Без ограничения теорией, источник хлоридов может представлять собой фосфатная порода в зависимости от места добычи фосфатной породы. Эти примеси могут присутствовать лишь в небольших концентрациях, составляющих приблизительно 1000 ч./млн. Если сточную воду просто выпускают в окружающую среду, такое содержание хлоридов не может представлять собой какие-либо проблемы в отношении окружающей среды или соблюдения соответствующих правил. Однако если сточная вода затем рециркулирует обратно в производство удобрений, то хлориды, даже если они присутствуют в небольших количествах, могут дестабилизировать нитрат аммония, который может становиться взрывчатым и создавать значительные проблемы в отношении безопасности. Более конкретно, в процессе производства, например, гранул NPK, вода испаряется, и при этом может значительно увеличиваться концентрация любого присутствующего хлорида. Поскольку при этом также присутствует нитрат аммония, их сочетание может затем становиться взрывоопасным.Chlorides may be present in wastewater from the production of fertilizers, in particular in wastewater from the production of nitrophosphate, organic or organomineral fertilizers. Without being limited by theory, the source of chlorides may be phosphate rock depending on where the phosphate rock is mined. These impurities may be present only in small concentrations of approximately 1000 ppm. If the waste water is simply released into the environment, this chloride content cannot pose any environmental or compliance issues. However, if the wastewater is then recycled back to the fertilizer industry, then the chlorides, even if present in small amounts, can destabilize the ammonium nitrate, which can become explosive and pose significant safety concerns. More specifically, during the manufacturing process of, for example, NPK pellets, water evaporates and the concentration of any chloride present may increase significantly. Since ammonium nitrate is also present, the combination can then become explosive.

Применение электролиза для удаления хлоридов из сточной воды от производства удобрений было описано в заявках WO 2017/103041 и WO 2017/103042. После того, как сточную воду подвергают электролизу, и концентрация хлоридов снижается до подходящих уровней, подвергнутая электролизу сточная вода рециркулирует в производство удобрений.The use of electrolysis to remove chlorides from wastewater from fertilizer production has been described in WO 2017/103041 and WO 2017/103042. After the waste water is electrolyzed and the chloride concentration is reduced to suitable levels, the electrolyzed waste water is recycled to the fertilizer industry.

Электролиз представляет собой хорошо известную технологию, и следующее обсуждение реакций на электродах, а также природы возможных электродов и электролитов не предназначено в целях ограничения общности технологии для специалиста в данной области техники.Electrolysis is a well known technology, and the following discussion of electrode reactions and the nature of possible electrodes and electrolytes is not intended to limit the generality of the technology to those skilled in the art.

Как упомянуто выше, потоки сточной воды с низким содержанием хлоридов могут иметь конкретные преимущества в отношении производства нитрофосфатных, других минеральных или органоминеральных удобрений, а также, в частности, когда сточная вода рециркулирует обратно в производство удобрений, как описано в настоящей заявке.As mentioned above, low chloride wastewater streams can have particular advantages in relation to the production of nitrophosphate, other mineral or organomineral fertilizers, and also, in particular, when the wastewater is recycled back to the production of fertilizers, as described in this application.

Электролиз концентрированной сточной воды может быть использован для доведения концентрации хлоридов до уровней, составляющих менее чем 500 ч./млн и, частности, менее чем 350 ч./млн, еще более конкретно, менее чем 250 ч./млн. Во всех случаях, представленных в настоящей заявке, содержание хлоридов было измерено согласно стандарту ASTM D512-12 посредством потенциометрического титрования нитратом серебра с применением ионоселективного электрода.Electrolysis of concentrated waste water can be used to bring the chloride concentration to levels of less than 500 ppm and in particular less than 350 ppm, even more specifically less than 250 ppm. In all cases presented in this application, the chloride content was measured according to ASTM D512-12 by potentiometric titration with silver nitrate using an ion selective electrode.

Электролиз может быть осуществлен при повышенных температурах. Анолит и/или католит могут иметь температуру выше 20°С. В частности, анолит и/или католит могут иметь температуру выше 30°С. В частности, анолит и/или католит могут иметь температуру выше 40°С. В частности, анолит и католит могут иметь температуру в диапазоне от 30 до 80°С. Температуры, превышающие температуру кипения раствора при атмосферном давлении, могут быть использованы, если способ осуществляют при повышенном давление. Работа при повышенной температуре может упрощать удаление хлора из раствора, в котором хлор образуется в течение электролиза. Работа при повышенном давлении может привести к уменьшению размеров любого оборудования для обработки газа.The electrolysis can be carried out at elevated temperatures. The anolyte and/or catholyte may have a temperature above 20°C. In particular, the anolyte and/or catholyte may have a temperature above 30°C. In particular, the anolyte and/or catholyte may have a temperature above 40°C. In particular, the anolyte and catholyte may have a temperature in the range from 30 to 80°C. Temperatures above the boiling point of the solution at atmospheric pressure can be used if the process is carried out at elevated pressure. Operation at an elevated temperature can facilitate the removal of chlorine from a solution in which chlorine is formed during electrolysis. Operation at elevated pressures can result in downsizing of any gas handling equipment.

Обработка концентрированной сточной воды от производства нитрофосфатных, других минеральных или органоминеральных удобрений в электрохимическом элементе обеспечивает удаление хлоридов. На аноде хлориды окисляются с образованием хлора, который высвобождается в форме газообразного хлора. Окисление хлоридов с образованием хлора конкурирует с окислением воды с образованием кислорода. Относительная скорость окисления хлорида с образованием хлора по сравнению со скоростью окисления воды увеличивается при увеличении концентрации хлорида. По этой причине предварительное концентрирование может способствовать экономической эффективности процесса. После высвобождения в электролизере газообразный хлор может быть отделен от жидкости, выходящей из электролизера, а затем его можно удалять, используя скруббер отходящего газа, перед выпуском любых оставшихся безвредных газов в атмосферу вместе с образующимся кислородом. В качестве альтернативы, после скруббера газ, который может содержать компоненты, такие как водород, может быть использован в качестве питающего газа для сжигающих устройств. Кроме того, если газ используется для дополнения воздуха в сжигающем оборудовании, и если это сжигающее оборудование соответствующим образом снабжено устройством для поглощения кислых газов, то газы могут быть направлены непосредственно в сжигающее оборудование.Treatment of concentrated waste water from the production of nitrophosphate, other mineral or organic fertilizers in an electrochemical cell ensures the removal of chlorides. At the anode, the chlorides are oxidized to form chlorine, which is released as chlorine gas. The oxidation of chlorides to form chlorine competes with the oxidation of water to form oxygen. The relative rate of oxidation of chloride to form chlorine compared to the rate of oxidation of water increases with increasing chloride concentration. For this reason, preconcentration can contribute to the economic efficiency of the process. After being released in the cell, chlorine gas can be separated from the cell effluent and then removed using an off-gas scrubber before any remaining harmless gases are vented to the atmosphere along with the resulting oxygen. Alternatively, after the scrubber, the gas, which may contain components such as hydrogen, can be used as feed gas for combustion devices. In addition, if the gas is used to supplement the air in the combustion equipment, and if this combustion equipment is suitably equipped with an acid gas absorption device, the gases can be directed directly to the combustion equipment.

Подходящая система обработки отходящего газа, которая может быть использована для поглощения высвобождающегося хлора, может содержать, например, NaOH, используемый в качестве очищающего реагента. В таком случае образуются NaCl, а также NaClO, который может быть повторно использован в качестве реагента для удаления загрязнений или выпущен в море после превращения NaClO в NaCl с применением, например, тиосульфата натрия или бисульфита натрия. Кроме того, можно использовать твердотельные скрубберы, или смесь газообразных Cl2, О2 и Н2 можно сжигать регулируемым образом, как описано выше.A suitable off-gas treatment system that can be used to absorb liberated chlorine may contain, for example, NaOH as a scrubbing agent. In this case, NaCl is formed, as well as NaClO, which can be reused as a decontamination agent or released to the sea after converting NaClO to NaCl using, for example, sodium thiosulfate or sodium bisulfite. In addition, solid state scrubbers may be used, or a mixture of Cl 2 , O 2 and H 2 gases may be combusted in a controlled manner as described above.

В то время как кислород и хлор высвобождаются на аноде, как правило, в процессе катодной реакции высвобождается газообразный водород. Обычно оказывается благоприятным разделение анодной и катодной реакций, для чего используется пористый сепаратор (диафрагма) или ионоселективная мембрана (пористая или ионоселективная). Это может производить множество благоприятных результатов, включая следующие:While oxygen and chlorine are released at the anode, hydrogen gas is typically released during the cathodic reaction. Usually it is favorable to separate the anodic and cathodic reactions, for which a porous separator (diaphragm) or an ion-selective membrane (porous or ion-selective) is used. This can produce many beneficial results, including the following:

1. предотвращение паразитных окислительно-восстановительных пар (например, Fe2+/Fe3+ и NO3 -/NO2 -), которые снижают коэффициент использования фарадеевского тока;1. prevention of parasitic redox pairs (eg, Fe 2+ /Fe 3+ and NO 3 - /NO 2 - ), which reduce the Faraday current utilization factor;

2. содержание ионов металла вдали от катода в целях сокращения до минимума риска электроосаждения;2. keeping metal ions away from the cathode in order to minimize the risk of electrodeposition;

3. разделение потоков газов (представляющих собой хлор/кислород, высвобождающиеся на аноде, и водород, высвобождающийся на катоде) по соображениям безопасности и в целях последующей заключительной обработки, поскольку смешивание потоков газов может приводить к образованию взрывчатой смеси или опасных компонентов (это относится к смесям водорода и кислорода, а также к смесям водорода и хлора); и3. separating the gas streams (which are chlorine/oxygen released at the anode and hydrogen released at the cathode) for safety reasons and for subsequent post-treatment purposes, since the mixing of gas streams can lead to the formation of an explosive mixture or hazardous components (this applies to mixtures of hydrogen and oxygen, as well as mixtures of hydrogen and chlorine); And

4. предотвращение взаимных реакций продуктов друг с другом.4. prevention of mutual reactions of products with each other.

5. Хотя в типичном электролизере анолитный и католитный отсеки разделяет микропористый сепаратор или мембрана, неразделенный электролизер также может быть использован для цели настоящей заявки. Этот альтернативный подход обеспечивает преимущество упрощения конструкции электролизера, содержащего только один контур текучей среды, и, разумеется, устраняет необходимость сепаратора. Однако он не обладает преимуществами, которые представлены выше.5. Although in a typical cell, the anolyte and catholyte compartments are separated by a microporous separator or membrane, an undivided cell can also be used for the purpose of this application. This alternative approach provides the advantage of simplifying the design of an electrolyser containing only one fluid circuit and, of course, eliminates the need for a separator. However, it does not have the advantages presented above.

Для удаления хлорида, в контексте обработки сточной воды, в частности, от производства нитрофосфатных, других минеральных или органоминеральных удобрений, анолит представляет собой сточную воду. Сточную воду можно концентрировать на стадии концентрирования перед впуском в электролизер, где она превращается в анолит. Католит также может представлять собой сточную воду или концентрированный солевой раствор после обработки на анодной стороне электролизера, раствор кислоты, такой как азотная кислота, водный или другой соответствующий раствор, выбранный специалистом в данной области техники.For the removal of chloride, in the context of wastewater treatment, in particular from the production of nitrophosphate, other mineral or organic fertilizers, anolyte is wastewater. Wastewater can be concentrated in a concentration step before entering the electrolyzer where it is converted to anolyte. The catholyte may also be waste water or a concentrated salt solution after treatment at the anode side of the electrolytic cell, an acid solution such as nitric acid, an aqueous solution, or another appropriate solution selected by a person skilled in the art.

Анодный материал электролизера должен быть устойчивым в электролите. Кроме того, этот материал должен быть подходящим, чтобы выдерживать высвобождение кислорода и хлора, демонстрируя низкие скорости износа для обеих реакций, а также иметь низкое перенапряжение для высвобождения хлора. Типичные материалы, подходящие для применения в качестве анодных материалов, представляют собой легированный бором алмаз, содержащий покрытие титан, который покрывают оксиды металлов, такие как, например, оксид иридия, смешанный оксид иридия и рутения, и оксид олова), углерод (графит) и объемная платина. Как правило, для высвобождения хлора могут быть использованы известные электроды для промышленного производства хлора и щелочи, такие как электрод DSA™ от компании Permascand.The anode material of the cell must be stable in the electrolyte. In addition, this material must be suitable to withstand the release of oxygen and chlorine, showing low wear rates for both reactions, and also have a low overvoltage for the release of chlorine. Typical materials suitable for use as anode materials are boron-doped diamond containing a coating of titanium coated with metal oxides such as, for example, iridium oxide, mixed oxide of iridium and ruthenium, and tin oxide), carbon (graphite) and bulk platinum. Typically, known electrodes for commercial chlor-alkali production, such as the DSA™ electrode from Permascand, can be used to release chlorine.

Материалы, выбираемые в качестве катодных материалов, должны проявлять устойчивость в электролите и, в идеальном случае, низкое перенапряжение для получения водорода. Устойчивость зачастую не представляет собой проблемы, когда материал имеет катодную защиту, в том числе в процессе эксплуатации, но материал также должен быть устойчивым при остановке работы. В данном контексте, нержавеющая сталь может представлять собой подходящий и обоснованно недорогостоящий материал, но она никаким образом не ограничивает ряд доступных материалов, и существует широкое разнообразие других материалов, которые являются вполне очевидными для специалиста в данной области техники и также могут быть использованы для данной цели.The materials chosen as cathode materials should exhibit stability in the electrolyte and, ideally, low overvoltage to produce hydrogen. Stability is often not a problem when the material is cathodic protected, also during operation, but the material must also be stable when the operation is stopped. In this context, stainless steel may be a suitable and reasonably inexpensive material, but it does not in any way limit the range of materials available, and there is a wide variety of other materials that are quite obvious to one skilled in the art and can also be used for this purpose. .

Типичные сепараторы или диафрагмы являются полимерными по своей природе и могут представлять собой любые изделия из ряда имеющихся в продаже альтернатив, которые являются очевидными для специалиста в данной области техники. Сепараторы могут представлять собой диафрагмы, которые обеспечивают физическое разделение, но не осуществляют селективный перенос анионов или катионов, или ионообменные мембраны. Обычные примеры материалов диафрагмы представляют собой асбест или микропористый полипропилен. Подходящий сепаратор также может представлять собой диафрагму РМХ® от компании De Nora. Примерный ионообменный мембранный сепаратор представляет собой Nafion® (сополимер на основе сульфонированного фтополимера тетрафторэтилена), из которого состоит катионная селективная мембрана. В частности, могут быть использованы благоприятным образом сепараторы, разработанные для промышленного производства хлора и щелочи. Мембраны, которые используются для промышленного производства хлора и щелочи, как правило, изготовлены из перфорированных полимеров и являются устойчивыми к окислению хлором. Мембраны могут содержать один или несколько слоев, но обычно они состоят из двух слоев для применения в производстве хлора и щелочи. Один из указанных слоев состоит из перфорированного полимера, содержащего карбоксильные группы в качестве заместителя, и прилегает к катодной стороне. Другой слой состоит из перфорированного полимера, содержащего сульфоновые группы в качестве заместителей, и прилегает к анодной стороне. Для придания мембране механической прочности мембрана может быть армирована волокнами из политетрафторэтилена.Typical separators or diaphragms are polymeric in nature and can be any of a number of commercially available alternatives that are obvious to those skilled in the art. Separators can be diaphragms that provide physical separation but do not selectively carry anions or cations, or ion exchange membranes. Common examples of diaphragm materials are asbestos or microporous polypropylene. A suitable separator may also be a PMX® diaphragm from De Nora. An exemplary ion exchange membrane separator is Nafion® (a copolymer based on a sulfonated tetrafluoroethylene fluoropolymer), which constitutes a cation selective membrane. In particular, separators designed for industrial production of chlorine and alkali can be advantageously used. The membranes used in the industrial production of chlorine and alkali are usually made of perforated polymers and are resistant to chlorine oxidation. The membranes may contain one or more layers, but usually they consist of two layers for use in the production of chlorine and alkali. One of these layers consists of a perforated polymer containing carboxyl groups as a substituent and is adjacent to the cathode side. The other layer consists of a perforated polymer containing sulfonic groups as substituents and is adjacent to the anode side. To give the membrane mechanical strength, the membrane can be reinforced with polytetrafluoroethylene fibers.

В случае дехлорирования реакция на аноде может быть разделена на несколько дискретных стадий:In the case of dechlorination, the reaction at the anode can be divided into several discrete steps:

1. перенос хлорида посредством диффузии, миграции или конвекции из объема раствора к поверхности электрода (массоперенос);1. transfer of chloride by diffusion, migration or convection from the volume of the solution to the surface of the electrode (mass transfer);

2. десольватация сольватированного хлорида;2. desolvation of the solvated chloride;

3. окисление хлоридных ионов на поверхности анода (перенос заряда);3. oxidation of chloride ions on the anode surface (charge transfer);

4. высвобождение газообразного хлора.4. release of chlorine gas.

При электролизе хлоридов из сточной воды от промышленного производства удобрений и, более конкретно, от производства нитрофосфатных, других минеральных или органоминеральных удобрений первая стадия, а именно, массоперенос, может представлять собой лимитирующую стадию. Это обусловлено относительно низкими концентрациями присутствующих хлоридов, которые составляют, как правило, лишь приблизительно 1000 ч./млн. Как отмечено выше, ограничение массопереноса может быть снижено посредством увеличения концентрации частиц, которые подлежат переносу, в данном случае хлоридных ионов.In the electrolysis of chlorides from waste water from the industrial production of fertilizers, and more particularly from the production of nitrophosphate, other mineral or organic fertilizers, the first step, namely mass transfer, may be the limiting step. This is due to the relatively low concentrations of chlorides present, which are typically only about 1000 ppm. As noted above, mass transfer limitation can be reduced by increasing the concentration of particles to be transferred, in this case chloride ions.

По соображениям безопасности, когда сточная вода рециркулирует обратно в производство нитрофосфатных удобрений, оказывается преимущественным снижение предельных уровней растворенного хлора в элементарной или ионной форме. Тем не менее, для большинства практически реализуемых целей, как правило, считается приемлемым уровень, составляющий менее чем 500 ч./млн, более конкретно, менее чем 350 ч./млн. Могут быть получены еще менее высокие уровни, такие как уровни ниже 250 ч./млн, ниже 200 ч./млн или ниже 150 ч./млн. Указанные уровни могут быть достигнуты более экономичным способом посредством удаления воды из исходного материала, электрохимической обработки более концентрированного исходного материала и последующего повторного объединения воды и обработанного исходного материала.For safety reasons, when wastewater is recycled back to the production of nitrophosphate fertilizers, it is advantageous to reduce the limit levels of dissolved chlorine in elemental or ionic form. However, for most practical purposes, a level of less than 500 ppm, more specifically, less than 350 ppm, is generally considered acceptable. Even lower levels may be obtained, such as levels below 250 ppm, below 200 ppm, or below 150 ppm. These levels can be achieved more economically by removing water from the feedstock, electrochemically treating the more concentrated feedstock, and then recombining the water and treated feedstock.

Было обнаружено, что дополнительная стадия концентрирования сточной воды перед электрохимической обработки приводит к повышению коэффициента использования фарадеевского тока электрохимической обработки посредством уменьшения ограничений массопереноса и кинетики. Согласно некоторым вариантам осуществления блок электрохимической обработки содержит электролитический блок. Этот обнаруженный факт может быть использован посредством эксплуатации имеющего меньшие размеры и меньшую капитальную стоимость электролизера при более высокой плотности электрического тока или посредством эксплуатации имеющего большие размеры и меньшую плотность электрического тока электролизера с более высокой кулоновской эффективностью и отдачей по напряжению. Для случая окисления хлоридов ток, необходимый для превращения хлоридных ионов в газообразный хлор, может быть уменьшен посредством питания электролизера хлоридами при более высокой входной концентрации. Такое уменьшение поверхности электрода в электрохимических элементах представляет собой основные преимущества одновременного уменьшения расходов, связанных с электродами, и воздействия электрохимического элемента на окружающую среду. Кроме того, снижаются эксплуатационные расходы.It has been found that the additional step of concentrating the waste water prior to the electrochemical treatment leads to an increase in the Faraday current utilization of the electrochemical treatment by reducing the limitations of mass transfer and kinetics. In some embodiments, the electrochemical processing unit comprises an electrolytic unit. This discovery can be exploited by operating a smaller, lower capital cost cell at higher current density, or by operating a larger, lower current density cell with higher Coulomb efficiency and voltage output. For the case of chloride oxidation, the current required to convert chloride ions to chlorine gas can be reduced by feeding the electrolytic cell with chlorides at a higher input concentration. This reduction of the electrode surface in electrochemical cells represents the main advantages of simultaneously reducing the costs associated with the electrodes and the impact of the electrochemical cell on the environment. In addition, operating costs are reduced.

Любая технология концентрирования, известная специалистам в данной области техники и подходящая для концентрирования раствора удобрений, может быть благоприятным образом использована в целях концентрирования системы перед процессом электрохимической обработки. Испарение, электродиализ, обратный осмос и прямой осмос представляют собой примеры таких технологий концентрирования.Any concentration technology known to those skilled in the art and suitable for concentrating the fertilizer solution can be advantageously used to concentrate the system prior to the electrochemical treatment process. Evaporation, electrodialysis, reverse osmosis and direct osmosis are examples of such concentration technologies.

Согласно конкретному варианту осуществления настоящей заявки модуль осмоса представляет собой модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении. В химическом процессе или в процессе обработки сточной воды, где являются различными концентрации солей в потоках, входящих в процесс и выходящих из него, в силу самого процесса или намерения добавления реагента, существуют возможности переноса воды между входящим и выходящим потоками с применением разности осмотического давления между двумя потоками. Это может быть использовано благоприятным образом в целях концентрирования исходного материала для процесса и обеспечения интенсификации процесса. Это происходит, в частности, в том случае, когда процесс осуществляется более эффективно при увеличении концентрации исходного материала. Если поток продукта в принципе оказывается более концентрированным в силу процесса, то прямой осмос может быть использован для концентрирования исходного материала посредством введения воды в продукт. В процессе прямого осмоса не изменяется общее количество воды, выходящей из процесса. Если обработка сточной воды осуществляется посредством электролиза, в прямом осмосе устраняется требование содержание всей воды в электрохимическом элементе. Даже если поток, выходящий из процесса, не отличается существенным образом по концентрации от исходного материала, все же существуют значительные преимущества обмена воды между впуском и исходным материалом, например, если продукт используется как «очищающий поток» на той стороне, которая традиционно представляет собой сторону пермеата системы обратного осмоса. Вода может быть перенесена из исходного материала на сторону очистки при значительно меньшем давлении, чем потребовалось бы для преодоления полного осмотического давления и получения чистой воды в качестве пермеата. Это называется осмосом при повышенном давлении. По сравнению с другими процессами концентрирования, такими как испарение или электродиализ, в процессах на основе осмоса, включая обратный осмос, прямой осмос и осмос при повышенном давлении, может быть обеспечено снижение капитальных и эксплуатационных расходов.According to a specific embodiment of the present application, the osmosis module is a direct osmosis module or a pressure osmosis module. In a chemical process or waste water treatment process where there are different salt concentrations in the incoming and outgoing streams, by virtue of the process itself or the intention of adding a reagent, there are possibilities for water transfer between the inlet and outlet streams using the osmotic pressure difference between two streams. This can be used to advantage in order to concentrate the starting material for the process and provide process intensification. This occurs in particular when the process is carried out more efficiently by increasing the concentration of the starting material. If the product stream is in principle more concentrated due to the process, then direct osmosis can be used to concentrate the feedstock by introducing water into the product. The direct osmosis process does not change the total amount of water leaving the process. If the wastewater treatment is carried out by means of electrolysis, direct osmosis eliminates the requirement that all water be contained in the electrochemical cell. Even if the process effluent does not differ significantly in concentration from the feed, there are still significant benefits of water exchange between the inlet and the feed, for example if the product is used as a "clean up stream" on what is traditionally the permeate reverse osmosis system. Water can be transferred from the feed to the cleaning side at a much lower pressure than would be required to overcome the full osmotic pressure and produce pure water as permeate. This is called pressurized osmosis. Compared to other concentration processes such as evaporation or electrodialysis, osmosis-based processes, including reverse osmosis, direct osmosis, and high pressure osmosis, can achieve lower capital and operating costs.

В частности, в производстве нитрофосфатных удобрений и для введения сточной воды в электрохимический элемент в целях удаления хлоридов из этой сточной воды полная концентрация растворенных солей составляет от 40 г/л до 100 г/л. Согласно некоторым вариантам осуществления электрохимический элемент представляет собой электролизер. Концентрация хлоридов составляет от 1250 ч./млн до 15000 ч./млн, или от 1500 ч./млн до 10000 ч./млн, или от 1750 ч./млн до 2500 ч./млн. Было обнаружено, что эффективность процесса удаления загрязняющих веществ может быть увеличена посредством концентрирования потока сточной воды до более высокой степени. После электрохимической обработки этого потока полная концентрация растворенных солей увеличивается лишь незначительно в диапазоне от 41 г/л до 105 г/л, причем это увеличение обусловлено потерями при электролизе и испарении, и концентрация хлоридов уменьшается до уровня ниже 350 ч./млн, или ниже 250 ч./млн, или ниже 200 ч./млн, или ниже 150 ч./млн. Обработанный раствор, выходящий из электролизера, затем вводят обратно в процесс. В частности, в обработанный раствор добавляют компоненты, такие как нитрат кальция, которые требуются для происходящего ниже по потоку процесса. Этот поток является подходящим для применения в качестве несущего потока для прямого осмоса в целях удаления воды из потока исходного материала в электролизер. Аналогичным образом, он может быть использован для осмоса при повышенном давлении в целях снижения требуемого давления по сравнению с традиционным обратным осмосом, если он не является подходящим в достаточной степени, то есть требующим чрезмерно большую энергию, для прямого осмоса. В любом случае, существует возможность обеспечения энергетически эффективного концентрирования перед электрохимическим элементом с применением вариантов осуществления осмоса.In particular, in the production of nitrophosphate fertilizers and for introducing waste water into an electrochemical cell in order to remove chlorides from this waste water, the total concentration of dissolved salts is from 40 g/l to 100 g/l. In some embodiments, the electrochemical cell is an electrolytic cell. The chloride concentration is from 1250 ppm to 15000 ppm, or from 1500 ppm to 10,000 ppm, or from 1750 ppm to 2500 ppm. It has been found that the efficiency of the pollutant removal process can be increased by concentrating the wastewater stream to a higher degree. After electrochemical treatment of this stream, the total concentration of dissolved salts increases only slightly in the range from 41 g/l to 105 g/l, this increase due to electrolysis and evaporation losses, and the chloride concentration decreases to below 350 ppm, or below 250 ppm or below 200 ppm or below 150 ppm The treated solution exiting the cell is then reintroduced back into the process. In particular, components such as calcium nitrate, which are required for the downstream process, are added to the treated solution. This stream is suitable for use as a direct osmosis carrier stream to remove water from the feed stream to the electrolytic cell. Likewise, it can be used for high pressure osmosis in order to reduce the required pressure compared to conventional reverse osmosis if it is not suitable enough, i.e. requiring excessively high energy, for direct osmosis. In any case, it is possible to provide energy efficient preconcentration before the electrochemical cell using osmosis embodiments.

Согласно конкретному варианту осуществления на стадии концентрирования загрязняющие вещества в сточной воде концентрируются перед электролизом, в частности, до уровня, составляющего выше чем 10%, более конкретно, выше чем 20%, более конкретно, выше чем 25%, более конкретно, выше чем 50%, более конкретно, выше чем 75%, более конкретно, выше чем 100%, более конкретно, выше чем 125% или, более конкретно, выше чем 150%.According to a specific embodiment, in the concentration step, the contaminants in the wastewater are concentrated prior to electrolysis, in particular to a level of greater than 10%, more specifically greater than 20%, more particularly greater than 25%, more particularly greater than 50 %, more specifically higher than 75%, more specifically higher than 100%, more specifically higher than 125% or more specifically higher than 150%.

Разнообразные примерные аспекты системы и способа, описанных в настоящем документе, подробно представлены ниже со ссылкой на фигуры.Various exemplary aspects of the system and method described herein are detailed below with reference to the figures.

На фиг. 1 представлена общая схема процесса, в котором сточная вода от производства удобрений 100 сначала концентрируется в концентраторе 200. Хлориды из сточной воды затем удаляют в блоке электрохимической обработки 300 перед тем, как сточная вода рециркулирует в производство удобрений 100. Согласно более конкретному варианту осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 2А, концентратор 200 представляет собой модуль прямого осмоса 210. Модуль прямого осмоса 210 содержит первый отсек 400 и второй отсек 500, разделенные мембраной 450. Поскольку поток в отсеке 500 является аналогичным потоку 400 в отношении состава и концентрации, не требуется никакая создающее давление сила, и, таким образом, требуется меньшая энергия в целях удаления воды из потока 400 для процесса прямого осмоса по сравнению с процессом обратного осмоса. Например, модуль прямого осмоса может представлять собой модуль осмоса INSIDE™ от компании Aquaporin.In FIG. 1 is a general flow diagram in which wastewater from fertilizer production 100 is first concentrated in concentrator 200. Chlorides from wastewater are then removed in electrochemical treatment unit 300 before the wastewater is recycled to fertilizer production 100. In a more specific embodiment, as illustrated in FIG. 2A, concentrator 200 is a direct osmosis module 210. Direct osmosis module 210 includes a first compartment 400 and a second compartment 500 separated by a membrane 450. and thus less energy is required to remove water from stream 400 for a direct osmosis process compared to a reverse osmosis process. For example, a direct osmosis module may be an INSIDE™ osmosis module from Aquaporin.

Было обнаружено, что вследствие удаления воды посредством электролиза и испарения воды в газовую фазу в течение стадии электролиза сточная вода, выходящая из блока электрохимической обработки 300, естественным образом, оказывается более концентрированной, чем вода, выходящая из электролизера. Следовательно, в процессе прямого осмоса вода будет естественным образом вытекать из первого отсека 400 во второй отсек 500. Эта движущая сила может быть низкой, потому что количество воды, удаляемой посредством электролиза и испарения, является небольшим по сравнению с полным количеством воды, протекающей через систему. Тем не менее, это может способствовать осмотическому дисбалансу между двумя сторонами 400 и 500 электролизера.It has been found that due to the removal of water by electrolysis and the evaporation of water into the gas phase during the electrolysis step, the waste water leaving the electrochemical treatment unit 300 is naturally more concentrated than the water leaving the electrolyzer. Therefore, in a direct osmosis process, water will naturally flow from the first compartment 400 to the second compartment 500. This driving force can be low because the amount of water removed by electrolysis and evaporation is small compared to the total amount of water flowing through the system. . However, this may contribute to an osmotic imbalance between the two sides 400 and 500 of the cell.

На стадии концентрирования, описанной в настоящем документе, будет происходить не специфическое концентрирование хлоридных ионов в сточной воде, но концентрирование всех ионов, присутствующих в сточной воде. Эту стадию концентрирования не следует интерпретировать как стадию очистки только от хлоридов. Кроме того, концентрации других ионов, присутствующих в сточной воде, могут не производить существенного воздействия на эффективность удаления хлоридов в блоке электрохимической обработки 300.The concentration step described herein will not specifically concentrate the chloride ions in the wastewater, but will concentrate all the ions present in the wastewater. This concentration step should not be interpreted as a purification step from chlorides only. In addition, the concentrations of other ions present in the wastewater may not have a significant impact on the chloride removal efficiency of the electrochemical treatment unit 300.

Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 2А, сточную воду концентрируют посредством направления сточной воды в первый отсек 400 модуля прямого осмоса 210, и подвергнутую электролизу воду направляют во второй отсек 500 модуля прямого осмоса 210. Сточная вода затем рециркулирует из второго отсека 500 модуля прямого осмоса 210 в производство удобрений 100.According to the embodiment shown in FIG. 2A, the waste water is concentrated by directing the waste water to the first compartment 400 of the direct osmosis module 210, and the electrolyzed water is sent to the second compartment 500 of the direct osmosis module 210. The waste water is then recycled from the second compartment 500 of the direct osmosis module 210 to the fertilizer production 100.

Рассмотрим демонстрационную установку для обработки 250 л/ч сточной воды, которая может быть направлена в первый отсек модуля осмоса. Поток предпочтительно осуществляется при температуре от 25 до 60°С, что определяется температурными ограничениями осмотической системы. В частности, поток насыщенной воды во второй отсек при возвращении из электролизера составляет от 250 до 100 л/ч, что представляет собой 2,5-кратное осмотическое концентрирование и уменьшение объема воды по сравнению с исходным материалом. Насосы (не проиллюстрированные) могут быть использованы по мере необходимости в целях обеспечения надлежащего потока сточной воды через систему.Let's consider a demonstration plant for the treatment of 250 l/h of waste water, which can be directed to the first compartment of the osmosis module. The flow is preferably carried out at a temperature of from 25 to 60°C, which is determined by the temperature limitations of the osmotic system. In particular, the flow of saturated water into the second compartment when returning from the electrolytic cell is between 250 and 100 l/h, which represents a 2.5-fold osmotic concentration and a decrease in the volume of water compared to the source material. Pumps (not illustrated) may be used as needed to ensure proper flow of waste water through the system.

Согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 2А, поток сточной воды в первом отсеке 400 является противоположно направленным по отношению к потоку во втором отсеке 500. Концентрационные градиенты в каждом отсеке будет более благоприятными при осуществлении стадии концентрирования, когда используется такой профиль противоположно направленных потоков. Однако прямой осмос также может быть использован в случае сонаправленных потоков. В типичных конструкциях хлориды можно концентрировать приблизительно от 1000 ч./млн до 2500 ч./млн, или, другими словами, коэффициент концентрирования может составлять 2,5. Эту величину не следует рассматривать в качестве теоретического предела для степени концентрирования, которая может быть реализована. Она будет зависеть от раствора, подлежащего концентрированию, режима введения в контакт (сонаправленного или противоположно направленного), специфических признаков оборудования для осуществления контакта и склонности раствора к закупориванию осмотических мембран посредством образования отложений. Как правило, процессу будет благоприятствовать концентрирование раствора в максимальной практически возможной степени, при которой достигается предел растворимости.According to the embodiment illustrated in FIG. 2A, the flow of wastewater in the first compartment 400 is opposite to that in the second compartment 500. The concentration gradients in each compartment will be more favorable in the concentration step when such an opposite flow profile is used. However, direct osmosis can also be used in case of co-directional flows. In typical designs, chlorides can be concentrated from about 1000 ppm to 2500 ppm, or in other words, the concentration factor can be 2.5. This value should not be considered as a theoretical limit on the degree of concentration that can be realized. It will depend on the solution to be concentrated, the contacting mode (co-directional or opposite), the specific features of the contacting equipment, and the tendency of the solution to clog osmotic membranes through the formation of deposits. Generally, the process will be favored by concentrating the solution to the maximum practical extent at which the solubility limit is reached.

В частности, производство удобрений 100 представляет собой производство удобрений, представляющих собой композиции, содержащие нитрат аммония. При производстве таких композиций удаление хлоридов оказывается необходимым в целях обеспечения безопасных и приемлемо низких уровней содержания хлора для рециркуляции в производство удобрений 100. В частности, концентрация хлоридов в подвергнутой электролизу воде, которая рециркулирует в производство удобрений 100 через второй отсек 500, составляет менее чем 350 ч./млн.In particular, the production of fertilizers 100 is the production of fertilizers, which are compositions containing ammonium nitrate. In the production of such compositions, the removal of chlorides is necessary in order to provide safe and acceptably low levels of chlorine for recycling to fertilizer production 100. In particular, the concentration of chlorides in the electrolyzed water that is recycled to fertilizer production 100 through the second compartment 500 is less than 350 ppm

Стадия концентрирования дополнительно усовершенствована посредством добавления солевого раствора во второй отсек 500 модуля осмоса 210 из солевого резервуара 600, как представлено на фиг. 2А. Добавление такого солевого раствора во второй отсек 500 будет увеличивать осмотическое давление и в результате этого будет дополнительно способствовать потоку молекул воды из первого отсека 400 во второй отсек 500. Без ограничения теорией, для увеличения осмотического давления может быть использован любой солевой раствор. В свою очередь, при увеличении осмотического давления будет уменьшаться пространство, требуемое для стадии концентрирования. Согласно конкретному варианту осуществления солевой раствор из солевого резервуара 600 представляет собой раствор удобрения, в котором практически отсутствуют хлориды. Как определено в настоящем документе, практическое отсутствие хлоридов означает, что их содержание составляет менее чем 500 ч./млн, более конкретно, менее чем 350 ч./млн, и еще более конкретно их содержание находится даже на менее высоком уровне, составляющем, например, менее чем 250 ч./млн, менее чем 200 ч./млн или менее чем 150 ч./млн. Такие низкие уровни содержания хлоридных ионов будут предотвращать любые угрозы для безопасности в последующем процессе производства удобрений.The concentration step is further enhanced by adding brine to the second compartment 500 of the osmosis module 210 from the brine tank 600, as shown in FIG. 2A. Adding such a saline solution to the second compartment 500 will increase the osmotic pressure and as a result will further facilitate the flow of water molecules from the first compartment 400 to the second compartment 500. Without being limited by theory, any saline solution can be used to increase the osmotic pressure. In turn, as the osmotic pressure increases, the space required for the concentration step will decrease. In a specific embodiment, the brine from the brine tank 600 is a fertilizer solution that is substantially free of chlorides. As defined herein, the virtual absence of chlorides means that their content is less than 500 ppm, more specifically, less than 350 ppm, and even more specifically, their content is even at a lower level, constituting, for example less than 250 ppm, less than 200 ppm, or less than 150 ppm Such low levels of chloride ions will prevent any safety hazards in the downstream fertilizer production process.

Более конкретно, в каждом случае производство удобрений 100, в которое рециркулирует подвергнутая электролизу вода, представляет собой производство нитрата аммония, и солевой раствор из солевого резервуара 600 представляет собой солевой раствор, содержащий нитрат аммония. Более конкретно, производство удобрений 100, в которое рециркулирует подвергнутая электролизу вода, представляет собой производство нитрофосфатных или другие органоминеральный производство удобрений, и солевой раствор из солевого резервуара 600 представляет собой раствор удобрений, содержащих, главным образом, нитрат аммония, двойные фосфаты аммония и кальция или нитрат кальция, или их сочетание. Таким образом, часть существующего исходного материала процесса может быть использована в качестве исходного материала насыщенного раствора, поступающего во второй отсек 500 модуля осмоса 210. Тем не менее, любой солевой раствор может быть использован для увеличения осмотического давления на мембране 450. Единственное реальное ограничение при выборе соответствующего солевого раствора заключается в том, что в любой соли должны практически отсутствовать хлориды. В данном контексте, практическое отсутствие означает, что в солевом растворе содержание хлоридов составляет менее чем содержание хлоридов, присутствующих в сточной воде после стадии электролиза. Другими словами, солевой раствор не должен представлять собой дополнительный источник хлоридов, поступающих обратно в сточную воду. Соответственно, согласно некоторым вариантам осуществления содержание хлоридов в солевом растворе из солевого резервуара 600 составляет менее чем 500 ч./млн, более конкретно менее чем 350 ч./млн, менее чем 250 ч./млн, менее чем 200 ч./млн или даже менее чем 150 ч./млн.More specifically, in each case, the fertilizer plant 100 to which the electrolyzed water is recycled is an ammonium nitrate plant, and the brine from the brine tank 600 is a brine containing ammonium nitrate. More specifically, the fertilizer plant 100 to which the electrolyzed water is recycled is a nitrophosphate or other organomineral fertilizer plant, and the brine from the brine tank 600 is a fertilizer solution containing mainly ammonium nitrate, double ammonium and calcium phosphate or calcium nitrate, or a combination thereof. Thus, a portion of the existing process feedstock can be used as the saturated solution feedstock entering the second compartment 500 of the osmosis module 210. However, any saline solution can be used to increase the osmotic pressure across the membrane 450. The only real limitation in selection of the corresponding salt solution is that in any salt there should be practically no chlorides. In this context, the practical absence means that the content of chlorides in the salt solution is less than the content of chlorides present in the waste water after the electrolysis step. In other words, the brine should not be an additional source of chlorides going back into the wastewater. Accordingly, in some embodiments, the chloride content of the brine from the brine tank 600 is less than 500 ppm, more specifically less than 350 ppm, less than 250 ppm, less than 200 ppm, or even less than 150 ppm

Согласно другому варианту осуществления, представленному на фиг. 2В, вместо модуля прямого осмоса, представленного на фиг. 2А, присутствует модуль осмоса при повышенном давлении. Для этого требуются насос 700 и обратный клапан 800, но в целях существенного уменьшения давления, требуемого для осмоса, в качестве движущей силы используется поток продукта в отсеке 500. При этом также допускается обработка более концентрированных потоков, чем потоки, которые обычно могут быть обработаны с применением обратного осмоса, посредством уменьшения давления, требуемого для пропускания текучей среды через мембрану.According to another embodiment shown in FIG. 2B, instead of the direct osmosis module shown in FIG. 2A, a pressurized osmosis module is present. This requires a pump 700 and check valve 800, but uses the product flow in compartment 500 as the driving force to significantly reduce the pressure required for osmosis. using reverse osmosis, by reducing the pressure required to pass the fluid through the membrane.

Согласно конкретному варианту осуществления блок концентрирования 200 может содержать множество модулей прямого осмоса 210, соединенных последовательно, например, два или три модуля прямого осмоса. На фиг. 3 представлена иллюстрация такого варианта осуществления, в котором присутствуют три модуля прямого осмоса 210, которые соединены последовательно, и при этом каждый из них содержит первый отсек 400 и второй отсек 500, разделенные мембраной 450. Сточная вода затем подвергается обработке в блоке электрохимической обработки 300. Как обсуждается выше, поток сточной воды в первых отсеках 400 может быть противоположно направлен по отношению к потоку во вторых отсеках 450, как представлено на фиг. 3, или потоки могут быть сонаправленными.In a specific embodiment, the concentration unit 200 may include a plurality of direct osmosis modules 210 connected in series, such as two or three direct osmosis modules. In FIG. 3 is an illustration of such an embodiment in which there are three direct osmosis modules 210 connected in series, each containing a first compartment 400 and a second compartment 500 separated by a membrane 450. The wastewater is then treated in an electrochemical treatment unit 300. As discussed above, the flow of waste water in the first compartments 400 may be opposite to the flow in the second compartments 450, as shown in FIG. 3, or the flows may be co-directional.

ПримерыExamples

Следует отметить, что, как упомянуто в подробном описании, во всех случаях содержание хлоридов, указанное в следующих примерах, было измерено согласно стандарту ASTM D512-12 методом потенциометрического титрования нитратом серебра с применением ионоселективного электрода.It should be noted that, as mentioned in the detailed description, in all cases, the chloride content indicated in the following examples was measured according to ASTM D512-12 by potentiometric titration with silver nitrate using an ion selective electrode.

Пример 1. Сравнительный пример без применения прямого осмосаExample 1 Comparative example without direct osmosis

Разделенный электролизер содержал анод, который представлял собой имеющий устойчивые размеры анод от компании Permascand, и катод, который был изготовлен из нержавеющей стали SS 316. Мембранный сепаратор представлял собой Nafion 324. Хлорид-селективный электрод был использован для измерения концентрации хлоридов в образцах анолита в течение эксперимента. Конструкционный материал электролизера представлял собой поливинилхлорид.The separated cell contained an anode which was a dimensionally stable anode from Permascand and a cathode which was made of SS 316 stainless steel. The membrane separator was Nafion 324. experiment. The structural material of the cell was polyvinyl chloride.

Сточную воду из норвежской коммуны Порсгрунн, содержащую 1100 ч./млн хлоридов и 5,1 мас. % растворенных твердых веществ, представляющих собой, главным образом, нитрат аммония, вводили в анодный отсек электролизера, и значение рН снижали до 2,0, добавляя азотную кислоту. Готовили раствор католита, используя сульфат натрия, и значение рН снижали до 0,5, добавляя азотную кислоту, таким образом, что этот раствор имел такую же ионную силу, как сточная вода, чтобы сократить до минимума осмотический перенос воды в электролизере. Этот раствор затем вводили в катодный отсек электролизера.Waste water from the Norwegian municipality of Porsgrunn containing 1100 hours/million chlorides and 5.1 wt. % dissolved solids, which is mainly ammonium nitrate, was introduced into the anode compartment of the cell, and the pH was reduced to 2.0 by adding nitric acid. A catholyte solution was prepared using sodium sulfate and the pH was lowered to 0.5 by adding nitric acid such that the solution had the same ionic strength as the waste water to minimize the osmotic transfer of water in the cell. This solution was then introduced into the cathode compartment of the cell.

Электролизер работал при плотности электрического тока 860 А⋅м-2 в периодическом режиме. Эксперимент осуществляли при комнатной температуре. Вычисления показывают, что коэффициент использования фарадеевского тока составлял приблизительно 8% для удаления хлоридов до уровня 200 ч./млн в течение 115 минут.The cell was operated at an electric current density of 860 A⋅m -2 in batch mode. The experiment was carried out at room temperature. Calculations show that the Faraday current utilization factor was approximately 8% to remove chlorides up to 200 ppm within 115 minutes.

Пример 2. Осуществление прямого осмоса без добавления нитрата кальцияExample 2 Implementation of direct osmosis without the addition of calcium nitrate

Разделенный электролизер содержал анод, который представлял собой имеющий устойчивые размеры анод от компании Permascand, и катод, который был изготовлен из нержавеющей стали SS 316. Мембранный сепаратор представлял собой Nafion 324. Хлорид-селективный электрод был использован для измерения концентрации хлоридов в образцах анолита в течение эксперимента. Конструкционный материал электролизера представлял собой поливинилхлорид.The separated cell contained an anode which was a dimensionally stable anode from Permascand and a cathode which was made of SS 316 stainless steel. The membrane separator was Nafion 324. experiment. The structural material of the cell was polyvinyl chloride.

Поток сточной воды согласно примеру 1 сначала направляли при скорости потока 1,1 л/мин во впуск на трубной стороне модуля Aquaporin, который содержал кожухотрубный отсек с трубами, изготовленными из водопроницаемой мембраны. Этот модуль Aquaporin INSIDE™ представлял собой кожухотрубный модуль прямого осмоса с мембраной площадью 2,3 м2. Концентрация хлоридов в сточной воде, выходящей из трубной стороны, составляла 1470 ч./млн и массовое процентное содержание твердых веществ в этом выходящем растворе на выпуске первого отсека составляло 7,4%. Эту выпускаемую сточную воду собирали при скорости 0,8 л/мин. Несущий поток, поступающий в кожух модуля Aquaporin, представлял собой «имитационный» концентрированный раствор, который возвращается из электролизера после удаления хлоридов. Эта «имитационная» сточная вода имела массовое процентное содержание твердого нитрата аммония 14% и содержала 0 ч./млн хлоридов. Она поступала в кожух при скорости потока 0,9 л/мин. Выпускаемый поток из кожуха имел массовое процентное содержание твердых веществ 10,3% и содержал 26 ч./млн хлоридов; его собирали при скорости потока 1,2 л/мин.The wastewater flow according to Example 1 was first directed at a flow rate of 1.1 l/min to an inlet on the tubular side of the Aquaporin module, which contained a shell and tube compartment with pipes made of a permeable membrane. This Aquaporin INSIDE™ module was a direct osmosis shell and tube module with a 2.3 m 2 membrane. The concentration of chlorides in the waste water leaving the pipe side was 1470 ppm and the weight percentage of solids in this outgoing solution at the outlet of the first compartment was 7.4%. This discharged waste water was collected at a rate of 0.8 l/min. The carrier stream entering the housing of the Aquaporin module was a "simulative" concentrated solution, which is returned from the electrolyser after removal of chlorides. This "dummy" waste water had a weight percentage of solid ammonium nitrate of 14% and contained 0 ppm chlorides. She entered the casing at a flow rate of 0.9 l/min. The shroud effluent had a weight percent solids content of 10.3% and contained 26 ppm chlorides; it was collected at a flow rate of 1.2 l/min.

Концентрированную сточную воду вводили в анодный отсек электролизера, и значение рН снижали до 2,0, добавляя азотную кислоту. Готовили раствор католита, используя сульфат натрия, и значение рН снижали до 0,5, добавляя азотную кислоту, таким образом, что этот раствор имел такую же ионную силу, как сточная вода, чтобы сократить до минимума осмотический перенос воды в электролизере. Этот раствор затем вводили в катодный отсек электролизера.Concentrated waste water was introduced into the anode compartment of the cell and the pH was lowered to 2.0 by adding nitric acid. A catholyte solution was prepared using sodium sulfate and the pH was lowered to 0.5 by adding nitric acid such that the solution had the same ionic strength as the waste water to minimize the osmotic transfer of water in the cell. This solution was then introduced into the cathode compartment of the cell.

Электролизер работал при плотности электрического тока 860 А⋅м-2 в периодическом режиме. Эксперимент осуществляли при комнатной температуре. Путем интерполяции экспериментальных результатов получали коэффициент использования фарадеевского тока, составляющий приблизительно 25% для снижения содержания хлоридов от 1470 ч./млн до 400 ч./млн в течение 120 минут. Если этот раствор затем разбавляли в модуле прямого осмоса как несущий поток (как проиллюстрировано на фиг. 2А) до содержания твердых веществ 5,1% из примера 1, содержание хлоридов оказывалось ниже 200 ч./млн, что является эквивалентным результату из примера 1, в котором стадию концентрирования не осуществляли перед стадией электролиза.The cell was operated at an electric current density of 860 A⋅m -2 in batch mode. The experiment was carried out at room temperature. By interpolating the experimental results, a Faraday current utilization factor of approximately 25% was obtained to reduce the chloride content from 1470 ppm to 400 ppm within 120 minutes. If this solution was then diluted in a direct osmosis module as a carrier stream (as illustrated in FIG. 2A) to a solids content of 5.1% from example 1, the chloride content was below 200 ppm, which is equivalent to the result from example 1, in which the concentration step was not performed before the electrolysis step.

В этом эксперименте показала возможность единственной стадии в каскадной системе прямого осмоса с противоположно направленными потоками, в которой используется типичная сточная вода с содержанием хлоридов от 1100 до 2000 ч./млн для работы электролизера с повышенным коэффициентом использования фарадеевского тока. После удаления хлоридов в электролизере поток может быть повторно использован в качестве несущего потока для системы прямого осмоса, потому что он будет в небольшой степени концентрированным вследствие испарения и потери воды в процессе электролиза.This experiment demonstrated the feasibility of a single stage in a reverse flow direct osmosis cascade system using typical effluent from 1100 to 2000 ppm chloride to operate an electrolytic cell with increased Faraday current utilization. After removal of chlorides in the electrolyser, the stream can be reused as a carrier stream for a direct osmosis system because it will be slightly concentrated due to evaporation and loss of water during the electrolysis process.

Пример 3. Осуществление прямого осмоса с добавлением нитрата кальцияExample 3 Implementation of direct osmosis with the addition of calcium nitrate

Разделенный электролизер содержал анод, который представлял собой имеющий устойчивые размеры анод от компании Permascand, и катод, который был изготовлен из нержавеющей стали SS 316. Мембранный сепаратор представлял собой Nafion 324. Хлорид-селективный электрод был использован для измерения концентрации хлоридов в образцах анолита в течение эксперимента. Конструкционный материал электролизера представлял собой поливинилхлорид.The separated cell contained an anode which was a dimensionally stable anode from Permascand and a cathode which was made of SS 316 stainless steel. The membrane separator was Nafion 324. experiment. The structural material of the cell was polyvinyl chloride.

Для демонстрации того, что поток концентрированной сточной воды, используемый в описанном выше исследовании, может быть получен с применением системы прямого осмоса, сточную воду при 25°С из коммуны Порсгрунн с содержанием хлоридов 1100 ч./млн и массовым процентным содержанием твердых веществ 5,1% направляли при скорости потока 1,1 л/мин во впуск на трубной стороне модуля Aquaporin, который содержал кожухотрубный отсек с трубами, изготовленными из водопроницаемой мембраны. Этот модуль Aquaporin INSIDE™ представлял собой кожухотрубный модуль прямого осмоса с мембраной площадью 2,3 м2. Концентрация хлоридов в сточной воде, выходящей из трубной стороны, составляла 1470 ч./млн и массовое процентное содержание твердых веществ в этом выходящем растворе на выпуске первого отсека составляло 7,4%. Эту выпускаемую сточную воду собирали при скорости 0,8 л/мин. Несущий поток, поступающий в кожух модуля Aquaporin, представлял собой «имитационный» концентрированный раствор, который возвращается из электролизера после удаления хлоридов. Эта «имитационная» сточная вода имела массовое процентное содержание твердого нитрата аммония 14% и содержал 0 ч./млн хлоридов. Она поступала в кожух при скорости потока 0,9 л/мин. Выпускаемый поток из кожуха имел массовое процентное содержание твердых веществ 10,3% и содержал 26 ч./млн хлоридов; его собирали при скорости потока 1,2 л/мин.To demonstrate that the concentrated wastewater stream used in the study described above can be obtained using a direct osmosis system, wastewater at 25°C from the municipality of Porsgrunn with a chloride content of 1100 ppm and a mass percentage of solids of 5, 1% was directed at a flow rate of 1.1 l/min to the inlet on the tubular side of the Aquaporin module, which contained a shell and tube compartment with pipes made of a permeable membrane. This Aquaporin INSIDE™ module was a direct osmosis shell and tube module with a 2.3 m 2 membrane. The concentration of chlorides in the waste water leaving the pipe side was 1470 ppm and the weight percentage of solids in this outgoing solution at the outlet of the first compartment was 7.4%. This discharged waste water was collected at a rate of 0.8 l/min. The carrier stream entering the housing of the Aquaporin module was a "simulative" concentrated solution, which is returned from the electrolyser after removal of chlorides. This "dummy" wastewater had a weight percent solid ammonium nitrate of 14% and contained 0 ppm chlorides. She entered the casing at a flow rate of 0.9 l/min. The shroud effluent had a weight percent solids content of 10.3% and contained 26 ppm chlorides; it was collected at a flow rate of 1.2 l/min.

Концентрированную сточную воду вводили в анодный отсек электролизера, и значение рН снижали до 2,0, добавляя азотную кислоту. Готовили раствор католита, используя сульфат натрия, и значение рН снижали до 0,5, добавляя азотную кислоту, таким образом, что этот раствор имел такую же ионную силу, как сточная вода, чтобы сократить до минимума осмотический перенос воды в электролизере. Этот раствор затем вводили в катодный отсек электролизера.Concentrated waste water was introduced into the anode compartment of the cell and the pH was lowered to 2.0 by adding nitric acid. A catholyte solution was prepared using sodium sulfate and the pH was lowered to 0.5 by adding nitric acid such that the solution had the same ionic strength as the waste water to minimize the osmotic transfer of water in the cell. This solution was then introduced into the cathode compartment of the cell.

Электролизер работал при плотности электрического тока 860 А⋅м2 в периодическом режиме. Эксперимент осуществляли при комнатной температуре. Вычисления показывают, что коэффициент использования фарадеевского тока составлял приблизительно 25% для удаления хлоридов до уровня 400 ч./млн в течение 120 минут. Если этот раствор затем разбавляли в модуле прямого осмоса как несущий поток (как проиллюстрировано на фиг. 2А) до содержания твердых веществ 5,1% из примера 1, содержание хлоридов оказывалось ниже 200 ч./млн, что является эквивалентным результату из примера 1, в котором практически стадию концентрирования перед стадией электролиза.The cell was operated at an electric current density of 860 A⋅m 2 in batch mode. The experiment was carried out at room temperature. Calculations show that the Faraday current utilization factor was approximately 25% to remove chlorides up to 400 ppm within 120 minutes. If this solution was then diluted in a direct osmosis module as a carrier stream (as illustrated in FIG. 2A) to a solids content of 5.1% from example 1, the chloride content was below 200 ppm, which is equivalent to the result from example 1, in which practically the stage of concentration before the stage of electrolysis.

В этом эксперименте показала возможность единственной стадии в каскадной системе прямого осмоса с противоположно направленными потоками, в которой используется типичная сточная вода с содержанием хлоридов от 1100 до 2000 ч./млн для работы электролизера с повышенным коэффициентом использования фарадеевского тока. После удаления хлоридов в электролизере в поток можно добавлять нитрат кальция (соль, которая используется ниже по потоку в типичном производстве нитрофосфатных удобрений) перед использованием в качестве несущего потока для системы прямого осмоса. Этот поток теперь имеет значительно более высокую ионную силу по сравнению с потоком исходного материала, и для системы прямого осмоса требуется мембрана меньшей площади.This experiment demonstrated the feasibility of a single stage in a reverse flow direct osmosis cascade system using typical effluent from 1100 to 2000 ppm chloride to operate an electrolytic cell with increased Faraday current utilization. After the chlorides are removed in the electrolytic cell, calcium nitrate (a salt that is used downstream in a typical nitrophosphate fertilizer production) can be added to the stream before being used as a carrier stream for a direct osmosis system. This stream now has a significantly higher ionic strength than the feed stream and the direct osmosis system requires a smaller membrane area.

Примечание в отношении примеров 4-6:Note regarding examples 4-6:

Не ограничиваясь конкретной обработкой содержащей хлориды сточной воды от производства азотных удобрений, авторы настоящего изобретения предлагают для реализованных в настоящем патенте концепций другие приложения, которые находятся за пределами данной конкретной области. Эти приложения описаны ниже в примерах 4, 5 и 6.While not limited to the specific treatment of chloride-containing wastewater from nitrogen fertilizer production, the present inventors propose other applications for the concepts implemented in this patent that are outside of this particular area. These applications are described below in examples 4, 5 and 6.

Пример 4. Электровосстановление железа(III) до железа(II) для экстракции урана из фосфорной кислотыExample 4. Electroreduction of iron(III) to iron(II) for the extraction of uranium from phosphoric acid

В документе US 8,703,077 В2 описан способ экстракции урана из фосфорной кислоты. В этом способе используют обмен железа или экстракцию растворителем для удаления урана из потока фосфорной кислоты, которую затем возвращают в процесс. Железо в состоянии Fe(III), которое присутствует в кислоте вместе с ураном, конкурирует с ураном за центры в ионообменной смоле или при экстракции растворителем. Электровосстановление железа(III) до железа(II), которое не конкурирует с ураном в процессе ионного обмена/экстракции растворителем, представляет собой один из вариантов улучшения эксплуатационных характеристик способа экстракции урана. Коэффициент использования фарадеевского тока для этого процесса электровосстановления будет ограничен конкуренцией восстановления железа(III) до железа(II) с высвобождением водорода вследствие низкой концентрации железа в кислом растворе. Осмотическое концентрирование раствора, питающего электролизер, в процессе прямого осмоса или осмоса при повышенном давлении с применением обработанного потока в качестве несущего потока будет благоприятствовать процессу посредством повышения концентрации железа(III) в исходном материале и повышения коэффициента использования фарадеевского тока.US 8,703,077 B2 describes a process for extracting uranium from phosphoric acid. This process uses iron exchange or solvent extraction to remove uranium from the phosphoric acid stream, which is then recycled to the process. Iron in the Fe(III) state, which is present in the acid along with uranium, competes with uranium for sites in the ion exchange resin or in solvent extraction. Electroreduction of iron(III) to iron(II) that does not compete with uranium in the ion exchange/solvent extraction process is one option for improving the performance of the uranium extraction process. The Faraday current utilization factor for this electroreduction process will be limited by the competition of the reduction of iron(III) to iron(II) with the release of hydrogen due to the low concentration of iron in the acidic solution. Osmotic concentration of the cell feed solution in a direct osmosis or pressurized osmosis process using a treated stream as the carrier stream will benefit the process by increasing the iron(III) concentration in the feed and increasing the Faraday current utilization.

Пример 5. Электрохимическое разложение солей в солевых растворах, добываемых на нефтегазовых месторожденияхExample 5 Electrochemical Decomposition of Salts in Salt Solutions Produced from Oil and Gas Fields

В нефтегазовом секторе существует проблема надлежащей утилизации так называемой «добываемой воды». Она представляет собой поток солевого раствора, который добывают вместе с углеводородами. Она содержит, главным образом, хлорид натрия, причем концентрация соли может составлять вплоть до приблизительно 5 мас. %. Более конкретно, эта концентрация близка к концентрации NaCl в морской воде, в которой она составляет приблизительно 3,5 мас. %.In the oil and gas sector, there is a problem with the proper disposal of the so-called "produced water". It is a brine stream that is produced along with hydrocarbons. It contains mainly sodium chloride, and the salt concentration can be up to about 5 wt. %. More specifically, this concentration is close to the concentration of NaCl in sea water, in which it is approximately 3.5 wt. %.

Один подход к утилизации добываемой воды и к извлечению выгоды представляет собой электрохимическое разложение соли в составе солевого раствора с получением гидроксида натрия и хлористоводородной кислоты. Оба из этих химических веществ могут потребоваться на многочисленных нефтегазовых месторождениях. Извлечение соли приводит к опреснению воды и упрощает ее повторное использование. Для разложения соли можно использовать электролиз или элемент для биполярного мембранного электродиализа.One approach to the disposal of produced water and to the benefit is the electrochemical decomposition of the salt in the brine to produce sodium hydroxide and hydrochloric acid. Both of these chemicals may be required in numerous oil and gas fields. Salt extraction desalinates the water and makes it easier to reuse. Electrolysis or a bipolar membrane electrodialysis cell can be used to decompose the salt.

Процесс электрохимического разложения соли становится более эффективным при использовании солевого раствора максимальной доступной концентрации. Кроме того, добавление воды требуется для анолитного и католитного отсеков электролизера в целях поддержания концентрации соответствующих продуктов. Прямой осмос между растворами продуктов и исходных материалов, как подробно обсуждается в настоящем патенте, оказывается пригодным для уменьшения энергопотребления всего процесса посредством экономичного концентрирования потока исходного материала при одновременном поддержании концентраций анолита и католита путем разбавления с применением воды, извлеченной из исходного материала.The process of electrochemical decomposition of salt becomes more efficient when using a salt solution of the highest available concentration. In addition, the addition of water is required for the anolyte and catholyte compartments of the cell in order to maintain the concentration of the respective products. Direct osmosis between product and feed solutions, as discussed in detail in this patent, is found to be suitable for reducing the energy consumption of the entire process by economically concentrating the feed stream while maintaining anolyte and catholyte concentrations by dilution using water extracted from the feed.

Пример 6. Предварительное концентрирование кислоты в процессе разложения соли в трехкамерном электролизереExample 6. Preconcentration of acid in the process of salt decomposition in a three-chamber electrolyzer

Сульфат натрия можно подвергать электрохимическому разложению в трехкамерном электролизере. Раствор сульфата натрия течет в центральный отсек, из которого ионы натрия проходят через катионообменную мембрану в католитный отсек, и сульфатные ионы проходят через анионообменную мембрану в анолитный отсек. Вследствие механизма переноса через мембраны происходит значительный перенос воды (приблизительно от 12 до 15 моль Н2О на 1 моль Na2SO4) из центрального отсека в анолитный и католитный отсеки. В целях сокращения до минимума потерь напряжения в центральном отсеке этот поток не доходит до полного истощения, но рециркулирует обратно на технологическую стадию растворения твердого вещества. Дополнительная требуется для компенсации потери воды на мембранах.Sodium sulfate can be subjected to electrochemical decomposition in a three-chamber electrolyzer. The sodium sulfate solution flows into the central compartment, from which sodium ions pass through the cation exchange membrane into the catholyte compartment, and sulfate ions pass through the anion exchange membrane into the anolyte compartment. Due to the membrane transfer mechanism, there is a significant transfer of water (approximately 12 to 15 mol H 2 O per 1 mol Na 2 SO 4 ) from the central compartment to the anolyte and catholyte compartments. In order to minimize voltage losses in the central compartment, this stream does not reach complete depletion, but is recycled back to the solids dissolution process stage. Additional is required to compensate for the loss of water on the membranes.

Концентрирование серной кислоты в анолитном отсеке не может осуществляться экономичным образом выше приблизительно 2,0 моль/л без потери коэффициента использования фарадеевского тока вследствие обратной миграции через мембрану. Поток кислоты после этого подвергают концентрированию на различных стадиях, например, вплоть до 98 мас. %. Поскольку центральный отсек (содержащий сульфат натрия) можно эксплуатировать вблизи предела растворимости (приблизительно 2,6 моль/л), между двумя потоками существует ионный градиент, который может быть использован в системе прямого осмоса для удаления воды из потока производимой кислоты и для рециркуляции потока сульфата натрия в целях растворения свежего твердого сульфата натрия. Этот подход представляет собой энергетически эффективный процесс для первоначального концентрирования производимой серной кислоты и может дополнительно увеличивать коэффициент использования фарадеевского тока посредством эксплуатации при менее высокой концентрации кислоты в анолитном отсеке.Concentration of sulfuric acid in the anolyte compartment cannot be carried out economically above about 2.0 mol/l without loss of Faraday current utilization due to back migration through the membrane. The acid stream is then subjected to concentration in various stages, for example, up to 98 wt. %. Because the center compartment (containing sodium sulfate) can be operated near the solubility limit (approximately 2.6 mol/l), there is an ionic gradient between the two streams that can be used in a direct osmosis system to remove water from the acid production stream and to recycle the sulfate stream sodium to dissolve fresh solid sodium sulfate. This approach is an energy efficient process for initially concentrating the produced sulfuric acid and can further increase Faraday current utilization by operating at a lower acid concentration in the anolyte compartment.

Claims (26)

1. Способ удаления загрязняющих веществ из сточной воды от производства удобрений, включающий следующие стадии:1. A method for removing pollutants from wastewater from fertilizer production, comprising the following steps: a) концентрирование загрязняющих веществ в сточной воде;a) concentration of contaminants in wastewater; b) химическое превращение загрязняющих веществ в сточной воде посредством электролиза, при этом, в частности, загрязняющие вещества образуют газ в результате электролиза; иb) chemical transformation of pollutants in waste water by means of electrolysis, whereby, in particular, the pollutants form a gas as a result of electrolysis; And c) рециркуляция подвергнутой электролизу сточной воды в промышленное производство;c) recycling electrolyzed waste water into industrial production; причем стадию концентрирования сточной воды осуществляют, используя модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении, содержащий первый отсек и второй отсек, разделенные мембраной;wherein the step of concentrating the wastewater is carried out using a direct osmosis module or a pressurized osmosis module comprising a first compartment and a second compartment separated by a membrane; при этом стадия концентрирования сточной воды включает стадию направления сточной воды в первый отсек модуля осмоса и при этом стадия рециркуляции включает следующие стадии:wherein the stage of waste water concentration includes the stage of directing waste water to the first compartment of the osmosis module, and the recirculation stage includes the following stages: i) направление подвергнутой электролизу сточной воды во второй отсек модуля осмоса; иi) directing the electrolyzed waste water to the second compartment of the osmosis module; And ii) рециркуляция сточной воды из второго отсека модуля осмоса в производство удобрений.ii) recycling of waste water from the second compartment of the osmosis module to fertilizer production. 2. Способ по п. 1, в котором загрязняющие вещества представляют собой хлориды, причем концентрация хлоридов в сточной воде после стадии концентрирования составляет, в частности, от 1250 до 2250 ч./млн, более конкретно, от 1500 до 2250 ч./млн и еще более конкретно, от 1750 до 2250 ч./млн.2. The method according to claim 1, wherein the contaminants are chlorides, wherein the concentration of chlorides in the waste water after the concentration step is, in particular, from 1250 to 2250 ppm, more specifically from 1500 to 2250 ppm and even more specifically, from 1750 to 2250 ppm. 3. Способ по п. 1 или 2, в котором поток сточной воды в первом отсеке является противоположно направленным по отношению к потоку во втором отсеке.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the flow of waste water in the first compartment is opposite to the flow in the second compartment. 4. Способ по любому из пп. 1-3, дополнительно включающий стадию добавления солевого раствора во второй отсек модуля осмоса или выше по потоку.4. The method according to any one of paragraphs. 1-3 further comprising the step of adding the brine to the second compartment of the osmosis module or upstream. 5. Способ по п. 4, в котором солевой раствор содержит одну или несколько солей из нитрата аммония, двойных фосфатов аммония и кальция и нитрата кальция.5. The method of claim 4 wherein the brine contains one or more of ammonium nitrate, double ammonium and calcium phosphates, and calcium nitrate. 6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором производство удобрений представляет собой производство нитрофосфатных удобрений или производство других минеральных или органоминеральных удобрений, в частности, производство удобрений, представляющих собой композиции, содержащие нитрат аммония.6. The method according to any one of paragraphs. 1-5, in which the production of fertilizers is the production of nitrophosphate fertilizers or the production of other mineral or organomineral fertilizers, in particular, the production of fertilizers, which are compositions containing ammonium nitrate. 7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором концентрация хлоридов в подвергнутой электролизу сточной воде составляет менее чем 350 ч./млн.7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, in which the concentration of chlorides in the electrolyzed waste water is less than 350 ppm. 8. Система удаления из сточной воды загрязняющих веществ, присутствующих в сточной воде от промышленного производства, содержащая:8. A system for removing pollutants from wastewater present in wastewater from industrial production, comprising: a) блок концентрирования, предназначенный для присоединения с возможностью переноса текучей среды к сточной воде от промышленного производства,a) a concentration unit designed to be connected with the possibility of transferring fluid to waste water from industrial production, b) блок электрохимической обработки для удаления загрязняющих веществ, присоединенный с возможностью переноса текучей среды ниже по потоку относительно блока концентрирования и предназначенный для присоединения с возможностью переноса текучей среды к рециркуляции обработанной сточной воды в промышленное производство,b) an electrochemical treatment unit for the removal of contaminants, fluidly coupled downstream of the concentration unit and designed to be fluidly coupled to the recycling of treated waste water into industrial production, причем блок концентрирования представляет собой модуль прямого осмоса или модуль осмоса при повышенном давлении, модуль осмоса содержит первый отсек и второй отсек, разделенные мембраной, при этом:wherein the concentration unit is a direct osmosis module or a pressurized osmosis module, the osmosis module comprises a first compartment and a second compartment separated by a membrane, wherein: i) подлежащая обработке сточная вода от промышленного производства присоединена с возможностью переноса текучей среды к первому отсеку;i) industrial wastewater to be treated is fluidly connected to the first compartment; ii) первый отсек присоединен с возможностью переноса текучей среды к впуску блока электрохимической обработки;ii) the first compartment is fluidly connected to an inlet of the electrochemical processing unit; iii) выпуск блока электрохимической обработки присоединен с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку, и второй отсек предназначен для присоединения с возможностью переноса текучей среды к промышленному производству и предпочтительно сконфигурирован таким образом, что сточная вода, обработанная в блоке электрохимической обработки, может протекать через второй отсек и рециркулировать в промышленное производство; и необязательноiii) the outlet of the electrochemical treatment unit is fluidly connected to the second compartment, and the second compartment is designed to be fluidly connected to the industrial production and is preferably configured such that the wastewater treated in the electrochemical treatment unit can flow through the second compartment and recycle to industrial production; and optional iv) источник солевого раствора присоединен с возможностью переноса текучей среды ко второму отсеку;iv) a brine source is fluidly connected to the second compartment; и при этом блок электрохимической обработки содержит электролитический блок.and wherein the electrochemical processing unit comprises an electrolytic unit. 9. Система по п. 8, в которой блок концентрирования содержит несколько модулей осмоса, соединенных последовательно, в частности два или три модуля осмоса, соединенных последовательно.9. The system according to claim 8, wherein the concentration unit comprises several osmosis modules connected in series, in particular two or three osmosis modules connected in series. 10. Система по любому из пп. 8 или 9, в которой поток сточной воды в первом отсеке течет в противоположном направлении по отношению к потоку воды во втором отсеке.10. The system according to any one of paragraphs. 8 or 9, in which the flow of waste water in the first compartment flows in the opposite direction with respect to the flow of water in the second compartment. 11. Применение системы по любому из пп. 8-10 в производстве удобрений, в частности, в производстве нитрофосфатных удобрений или в производстве других минеральных или органоминеральных удобрений, более конкретно, в производстве удобрений, представляющих собой композиции, содержащие нитрат аммония.11. The use of the system according to any one of paragraphs. 8-10 in the production of fertilizers, in particular in the production of nitrophosphate fertilizers or in the production of other mineral or organomineral fertilizers, more specifically in the production of fertilizers which are compositions containing ammonium nitrate.
RU2020143798A 2018-09-17 2019-09-17 Method for removing pollutants from wastewater from industrial production and a system for implementing such method RU2793787C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18194743.3 2018-09-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2020143798A RU2020143798A (en) 2022-10-19
RU2793787C2 true RU2793787C2 (en) 2023-04-06

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU562516A1 (en) * 1975-12-01 1977-06-25 Ленинградский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Строительный Институт Installation for electrochemical treatment of industrial wastewater
JP2000051817A (en) * 1998-08-07 2000-02-22 Ube Ind Ltd Method for recycling of organic waste containing vinyl chloride resin
CN204138483U (en) * 2014-10-10 2015-02-04 南京舜业环保科技有限公司 Pickling nickel waste water reclaims cyclic regeneration device
CN105417801A (en) * 2016-01-18 2016-03-23 青岛理工大学 Method and system for extracting fresh water from sewage with synergy of forward osmosis and electrodialysis
WO2017103041A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Yara International Asa Methods for removing chloride from fertilizer wastewater

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU562516A1 (en) * 1975-12-01 1977-06-25 Ленинградский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Строительный Институт Installation for electrochemical treatment of industrial wastewater
JP2000051817A (en) * 1998-08-07 2000-02-22 Ube Ind Ltd Method for recycling of organic waste containing vinyl chloride resin
CN204138483U (en) * 2014-10-10 2015-02-04 南京舜业环保科技有限公司 Pickling nickel waste water reclaims cyclic regeneration device
WO2017103041A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Yara International Asa Methods for removing chloride from fertilizer wastewater
CN105417801A (en) * 2016-01-18 2016-03-23 青岛理工大学 Method and system for extracting fresh water from sewage with synergy of forward osmosis and electrodialysis

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shiqiang Zou et all "Electrodialysis recovery of reverse-fluxed fertilizer draw solute during forward osmosis water treatment", Chemical Engineering Journal Volume 330, 15 December 2017, pages 550-558. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thiel et al. Utilization of desalination brine for sodium hydroxide production: technologies, engineering principles, recovery limits, and future directions
US11318416B2 (en) Conversion of gas and treatment of a solution
EP2867388B1 (en) Process and apparatus for generating or recovering hydrochloric acid from metal salt solutions
EA021822B1 (en) System of desalinating seawater
EA024210B1 (en) Method for recovering metals
RU2731392C2 (en) Methods of removing chloride from waste water of fertilizer production
EP3895785A1 (en) Unit for desalination and greenhouse gas sequestration
WO2009073860A1 (en) Systems and methods for supplying chlorine to and recovering chlorine from a polysilicon plant
EP3390285B1 (en) Methods for treating industrial wastewater by electrolysis
RU2793787C2 (en) Method for removing pollutants from wastewater from industrial production and a system for implementing such method
Vasudevan Can electrochemistry make the worlds water clean?–a systematic and comprehensive overview
Tu et al. Reclaimed seawater discharge–Desalination brine treatment and resource recovery system
CN112437754B (en) Method for removing contaminants from wastewater from an industrial plant and system for implementing such a method
KR20000006392A (en) Method and apparatus for exhaust gas treatment
Mohammad et al. Simultaneous Recovery of Sulfate and Ammonia from Treated Brine: A Comprehensive Approach Utilizing Chemical Precipitation and Electrocoagulation
Woo et al. Assessment of the suitability of adsorption water treatment as a concentration process for resource recovery and wastewater treatment
CN113200633A (en) Method and system for producing hydrogen by using landfill leachate
CN115477431A (en) Low-cost high-salinity wastewater reduction and resource utilization method
Key et al. Electrochemical Reduction Of Nitrate
CN110028193A (en) Waste water reclaiming system
Tatapudi et al. Process design of electrochemical wastewater treatment technologies
Subramanyan Electrochemistry–for Green and Clean Environment