Використання мембранних технологій у водопідготовці на енергетичних об’єктах - Журнал АКВА-ТЕРМ
А. Первов, буд. т. зв., Є. Юрчевський, к. т. зв.
Області застосування мембран в енергетиці Сфера застосування мембранних методів в енергетиці розширюється. Це спричинено їх технологічними перевагами, економічними причинами та міркуваннями екологічної безпеки.
Підписатися на статті можна наголовній сторінці сайту.
Крім іонів солей, сучасні зворотноосмотичні мембрани затримують силікати та молекули органічних речовин, що робить зворотний осмос надзвичайно перспективним для енергетики.
Крім систем глибокого знесолення води, установки зворотного осмосу успішно застосовуються для підготовки води для підживлення парових котлів. Завдяки невисокій вартості, компактності, простоті обслуговування, повній автоматизації обернено-осмотичні системи виявляються оптимальним варіантом для підготовки води автономних котелень і районних теплових станцій (РТС).
Парові котли призначені для вироблення перегрітої пари, що використовується для технологічних потреб промислових підприємств у системах опалення та ГВП. Сировина для пари – глибоко пом'якшена вода, яку традиційно отримують за допомогою натрій-катіонування. Використання натрійкатіонітних фільтрів має істотний недолік: регенерація іонообмінного матеріалу проводиться розчином хлориду натрію, і сольові стічні води, що утворюються при цьому, повинні бути утилізовані. Традиційно вони прямують у міську каналізацію, однак у масштабах великого міста експлуатація РТС становить серйозну екологічну проблему.
Крім того, зараз відбувається модернізація конструкцій парових котлів. Підвищуються технічні показники,що спричиняє зростання вимог до якості поживної води. Так, котел БЕМ 25/4 – 440 ГМ виробництва ВАТ «Белэнергомаш» вимагає, крім зменшення жорсткості, зниження мінералізації поживної води трохи більше 70 мг/л. Такі значення мінералізації для вод з вихідною мінералізацією більше 70 мг/л натрій-катіонування отримати неможливо. У цих випадках (варіант використання водородкатіонування буде розглянуто окремо) зворотноосмотичні мембранні установки для демінералізації, мабуть, єдина відповідна технологія.
Останнім часом у практику питного та технічного водопостачання стали широко впроваджуватись такі мембранні методи, як ультра- та нанофільтрація. Залежно від діаметра пір мембрани ефективно затримують колоїдні та органічні забруднення. Тепер мембрани, мабуть, – єдиний ефективний і водночас безреагентний метод зниження кольоровості.
Ці технології знаходять застосування і у водопідготовці енергетичних об'єктів, а в деяких випадках, наприклад, для підживлення тепломереж ультра- та нанофільтрація, можуть бути використані як самостійні методи.
Ультрафільтраційні мембрани, залежно від призначення, мають різний розмір пір: від 0,01 до 0,1 мкм. Зазвичай розмір пір визначають значенням відсікання частинок молекулярною масою від 20 до 300 кДа.
Сучасні ультрафільтраційні мембрани, які використовуються зарубіжними фірмами для водопідготовки, мають розмір пор, що «відсікає» домішки молекулярною масою від 150 до 300 кДа. У зв'язку з цим при обробці природних вод із високою кольоровістю ультрафільтраційні мембрани зменшують кольоровість незначно.
Ультрафільтрація використовується як найбільш ефективний метод підготовки води перед зворотним осмосом. Ультрафільтраційні мембрани ефективнозатримують зважені та колоїдні речовини, органічні забруднення, що зумовлюють кольоровість. Використання ультрафільтрації дає гарантію високої якості очищеної води, незважаючи на сезонні коливання якості вихідної води.
Крім того, ультрафільтрація може бути використана як самостійний метод освітлення води як передочищення перед подачею води на установки іонообмінного знесолення або пом'якшення. Сучасні технології іонного обміну (зокрема, з протиточною регенерацією) вимагають ретельного передочищення за зваженими та колоїдними домішками. Системи ультрафільтрації можуть вважатися гарною альтернативою освітлювальним методам.
Оскільки ультрафільтраційні мембрани використовуються як технологія передочищення перед подачею води на обратносмотическую мемебрану, у вихідну воду дозують флокулянт. Дозування флокулянту – необхідний захід підвищення ефективності затримання органічних забруднень, які можуть утворювати опади на обратноосмотических мембранах. Проте дослідження показали, що низькомолекулярні (менше 200 кДа) органічні речовини дуже слабко впливають на обратноосмотические мембрани.
Розмір часу нанофільтраційних мембран дозволяє затримувати багатовалентні іони та органічні речовини. Це робить нанофільтрацію дуже перспективним процесом зменшення кольоровості, окислюваності, жорсткості і навіть передочищення перед зворотним осмосом.
Сучасні нанофільтраційні мембрани дозволяють без застосування реагентів зменшити кольоровість до значень 10 градусів платино-кобальтової шкали (що відповідає вимогам СанПіН); одночасно можна на 80-90% знизити загальну жорсткість води.
При обробці підземних вод нанофільтрація показала серйозні переваги перед коагуляційнимиі окислювальними методами і може використовуватися як передочищення перед іонообмінними знесолюючими установками, а також як самостійний метод підготовки пом'якшеної води для підживлення тепломереж.
Переваги нанофільтрації при очищенні вод зазначеного типу також поєднуються з низькими витратами на експлуатацію. При невисоких (до 0,25–0,6 МПа) значеннях робочого тиску нанофільтраційні апарати майже забруднюються опадами малорозчинних солей і потребують частих хімічних регенерацій. Ця обставина вигідно відрізняє нанофільтрацію від зворотного осмосу і робить її перспективнішою для застосування у водопідготовці.
Основні шляхи вдосконалення мембранних систем Незважаючи на очевидну ефективність мембранних процесів в очищенні води від органічних, біологічних та колоїдних забруднень, серйозні побоювання викликають саме наявність цих забруднень у воді, а також їх вплив на працездатність мембран.
Огляд наукових досліджень у галузі мембранних технологій показує: основний наголос робиться сьогодні на модифікуванні поверхні нанофільтраційних мембран, стійких до забруднень колоїдними та органічними речовинами. Саме цим пояснюється складність промислового застосування як зворотньоосмотичних, так і ультрафільтраційних установок, особливо в енергетиці.
Зокрема, питання впливу різних розчинених органічних сполук на властивості нанофільтраційних, зворотноосмотичних та ультрафільтраційних мембран досі викликає чимало суперечок та не має однозначної оцінки.
Закономірності накопичення органічних речовин на поверхнях різних мембран та їх вплив на зміни селективності та продуктивності мембран вивчалися у ряді робіт.
Сучасні зворотноосмотичніта ультрафільтраційні мембрани мають композитну структуру на основі полісульфону. Поверхневий заряд такого селективного шару зазвичай негативний. Завдяки цьому органічні молекули ефективно адсорбуються на поверхні мембран. Інтенсивність адсорбції органічних сполук лежить на поверхні мембран вивчалася рядом дослідників з урахуванням експериментів як циркуляції.
Сучасні дослідження ведуться в галузі розширення застосування нанофільтрації – використання її для очищення вод безпосередньо з поверхневих джерел, зменшення чутливості нанофільтраційних мембран до забруднення завислими речовинами. Зокрема, фірма Norit (Нідерланди) вже використовує апарати, що мають властивості нано- та ультрафільтраційних мембран. Вони можуть працювати на поверхневій воді без попередньої обробки. Стійкість до забруднення забезпечується конфігурацією мембран – як порожнистих волокон (капілярів), що виключає наявність застійних зон. Видалення капілярів опадів зважених речовин, що накопичуються на внутрішній поверхні, проводиться регулярно за допомогою гідравлічних промивок («продувок») зі скиданням тиску.
Технологічні схеми та економічні аспекти їх застосування Мембранні методи можуть застосовуватися як у комбінаціях, так і самостійно. Який метод і в яких комбінаціях вирішується шляхом оптимізаційних досліджень, при порівнянні капітальних та експлуатаційних витрат. Екологічна складова витрат також враховується як ціни на воду, скидання стоків у каналізацію, водойми тощо.
Основні комбінації нанофільтрації, ультрафільтрації та зворотного осмосу показані на рис. 1.
В умовах мінливих цін на реагенти та матеріали провести економічне порівняння зворотного осмосу зіонним обміном важко. Досі не з'ясовано також такі складові розрахунку експлуатаційних витрат зворотного осмосу, як термін служби мембран, змінних конструкцій, хімікатів для промивання.
Експлуатаційні витрати на отримання знесоленої води методом зворотного осмосу включають витрати на електроенергію, сірчану кислоту і луг, інгібітор для запобігання відкладень на поверхні мембран, миючі розчини, вихідну освітлену та підігріту воду, заміну мембран, патронних фільтрів передочистки, плату.
Економічне порівняння зворотного осмосу та іонного обміну показано на рис. 2. Абсциси точок перетину ліній графіка визначають концентрацію солей у вихідній воді, що відповідає межам оптимального застосування того та іншого методу. На собівартість води можуть суттєво вплинути зміни цін на кислоту та луг, а також витрати на вихідну воду.
Істотно підвищити ефективність іонообмінних установок дозволяє використання технології протиточної регенерації. Найважливіший недолік іонітів – чутливість до колоїдних речовин, необхідність ретельної очистки.
Слід сказати, що двоступінчасте натрій-катіонування часто виявляється дешевшим за зворотний осмос, а в поєднанні з нанофільтрацією може стати і ефективніше за нього.
При невеликих значеннях жорсткості та мінералізації вихідної води застосування передочищення у вигляді нанофільтрації значно економічніше з точки зору експлуатаційних витрат.
Основні переваги нанофільтрації перед іншими методами – низькі експлуатаційні витрати та робочий тиск, відсутність потреби у реагентах, відносно низькі капітальні витрати. А використання для очистки води ультрафільтрації здатне зробити значний внесок упідвищення економічності зворотного осмосу.
При зіставленні даної технології з традиційною схемою водопідготовки перед зворотним осмотичним знесоленням слід враховувати витрати на електроенергію, витрата патронних фільтрів тонкого очищення, реагентів і т.д. Необхідно брати до уваги і зменшення продуктивності зворотньоосмотичних мембран внаслідок їх забруднення органічними речовинами та додаткові витрати миючих розчинів. Порівняння експлуатаційних витрат при реагентній та ультрафільтраційній обробці показано на рис. 3.
Вивчення залежності наведених витрат від мінералізації води дозволяє стверджувати, що в умовах Москви при мінералізації більше 100 мг/л іонний обмін виявляється дорожчим за зворотний осмос.
Таким чином, застосування мембранних методів для підготовки поживної води парових котлів економічно доцільне за існуючих цін на воду, скидання в каналізацію та енергоресурси.
При обробці поверхневої води для теплових мереж замість реагентних систем освітлення, що традиційно застосовуються, з освітлювачами і освітлювальними фільтрами використовуються системи ультрафільтрації (див. рис. 1,а). Однак можливості установок ультрафільтрації із затримання «органіки» також обмежені, як і можливості коагуляційних процесів. Значення кольоровості на рівні 50–70 градусів платино-кобальтової шкали – межа цих технологій. Якщо природна вода має високе значення кольоровості, нанофільтрація може використовуватися як самостійний метод освітлення та очистки перед іонообмінними фільтрами (див. рис. 1, б).
Як було показано вище, застосування методу зворотного осмосу замість першого ступеня натрій-катіонітного пом'якшення в схемах підготовки поживної води парових котлів дуже перспективноекономічної, і з екологічної погляду. У випадках обробки поверхневих вод схеми водопідготовки включають також ультрафільтраційні установки для очистки перед зворотним осмосом (див. рис. 1, в).
У системах глибокого знесолення (для водопідготовки ТЕЦ) зворотний осмос використовується замість водень-катіонітних і гідроксид-аніонітних фільтрів першого ступеня, що дозволяє скоротити споживання великої кількості кислот і лугів, а також позбутися стічних вод, що містять ці реагенти. Ультрафільтрація як передочищення – невід'ємна частина схем із застосуванням зворотного осмосу (рис. 1, г).
Зазначимо, що при обробці підземних і поверхневих вод з високою кольоровістю метод нанофільтрації набагато ефективніший за метод ультрафільтрації.
Висновки Використання зворотного осмосу для водопідготовки енергетичних об'єктів (ТЕЦ, котелень) має великі перспективи як з екологічної, так і з економічної точки зору, оскільки дозволяє відмовитися від великої кількості дорогих реагентів і одночасно позбавлятися стічних вод , що містять ці реагенти
Застосування ультрафільтрації як передочищення перед зворотноосмотичною демінералізацією стабілізує якість вихідної води та скорочує витрати на передочищення, підвищуючи конкурентоспроможність зворотноосмотичної технології.
При обробці природних вод з високою кольоровістю мембранні методи ультрафільтрації та нанофільтрації виявляються набагато ефективнішими за традиційні реагентні методи очищення води.
Статтю надруковано в журналі «Аква-Терм» #1(35) 2007