Дестилация, йонен обмен, обратна осмоза, електро-дейонизация

Водата за питейни нужди е един от най-необходимите ресурси на планетата и нейната ценност се увеличава непрекъснато.

Присъстващите във водата соли на метали, разтворени минерали и микрофлора имат различно въздействие върху човешкия организъм. Системното използване на вода с повишено количество на соли води до сериозни последствия – от влошен външен вид, до опасни заболявания на човешкия организъм. Поради това се извършва обезсоляване (деминерализация) на водата, намалявайки концентрацията на вредни добавки до установения минимум. За целта се използват специални многостепенни филтри и сложни промишлени инсталации.

В зависимост от качеството на входящата вода, параметрите на изходящата вода, и икономическите, техническите и екологични аспекти, се използват различни методи за обезсолаване.

Основни методи за обезсоляване (деминерализация) на водата

Дестилация

Дестилация е отдавна известен метод на деминерализация на водата. Водата се загрява и изпарява, след което парата се отвежда и втечнява в друг контейнер. Разтворените в загряваната вода соли с част от водата се изхвърлят в канализацията. Недостатък на електрическите и парни дестилатори е тяхната висока цена и високи разходи за загряване на водата и охлаждане на дестилата.

За повишаване на производителността на дестилаторните установки, качеството на дестилата, както и предпазването им от отлаганията от солите във водата, пред дестилаторите се монтират системи за обратна осмоза, които подават ниско минерализирана вода.

За битови нужди се използва и студена дестилация (замразяване) за много малки количества вода, защото се изисква много  време и вложени усилия.

Йонен обмен

Йонният обмен е прост, надежден, бърз и оправдан метод за деминерализация. Степента на деминерализация се регулира в зависимост от поставените цели. За този метод се използват полимери (смоли) с подвижен йон в състава си. Тези реагенти (смоли) влизат в реакция с разтворените соли, привличайки ги към себе си по принципа на магнита. След насищане на смолите със солите от водата, те имат способността да се възстановяват чрез съответната обработка (регенерация). В зависимост от необходимостта да се намали съдържанието на соли във водата, се прилагат различни методи за частичното им премахване.

Като пример е омекотяването на водата - намаляване количеството на солите на Ca²⁺ и Mg²⁺. Разработени са множество видове смоли за редуцирането (намаляването) количеството соли на Fe²⁺, Mn²⁺, Ag, и много други. За пълната (или до голяма степен) деминерализация (обезсоляване) на водата, се използват катийонитни и анийонитни смоли, при които от водата, преминавайки последователно през тях, се отнемат катийонните и анийонните соли. След насищане смолите се регенерират. С цел съхраняване на екологията, отработените реагенти подлежат на утилизация.

Като недостатък при деминерализацията (обезсоляването) на водата с катийонни и анийонни смоли е регенерацията им с киселини и основи. Този метод се използва основно в енергетиката (в ТЕЦ), металургията (галванични производства), за лабораторни нужди. С масовото навлизане на мембранните технологии, използването на пълната деминерализация с катийонни и анийонни смоли намалява.

Фирма "Никол-Н" ООД работи основно с йонообменни смоли на Bayer > Lanxess, но използва и смоли на други производители – Dow > DuPont, Purolite и др.

Деминерализация (обезсоляване) чрез система за йонен обмен

Деминерализация (обезсоляване) чрез система за йонен обмен (с използване на смола смесен тип)

Обратна осмоза

Обратната осмоза е метод за обезсоляване (деминерализация) на водата чрез мембранни елементи под високо налягане. За битови инсталации мембранните елементи са конструирани за налягане на водата 2 ~ 6 bar. За промишлени нужди, в зависимост от количеството соли във водата и параметрите  на водата, които е необходимо да се постигнат, има разработени множество мембранни елементи на различни производители, които работят с налягане 10 ~ 80 bar и различни производителност и селективност. Водата, преминавайки през мембранния елемент се разделя на два потока – чиста вода (пермеат) и мръсна вода (концентрат). Чистата вода и разтворените газове, които преминават през мембранния елемент, се събират в съд за чиста вода, а концентрата (разтворените соли – катийонни и анийонни, вируси и бактерии) се изхвърлят с част от водата в канализацията.

Обратна осмоза - действие на мембранния елемент

Полупропускливият мембранен елемент пречиства водата на молекулярно ниво. През мембранния елемент под високо налягане преминават само молекулите на водата, газове, и малко количество соли. Чистата вода се нарича пермеат, а разтворените във водата соли, органика, вируси и бактерии с част от водата, се нарича концентрат, който се изхвърля в канализацията. Работното налягане пред мембранния елемент за битови цели е 2 ~ 6 bar. Мембранните елементи за обработка на питейни води за промишлени нужди работят с налягане 10 ~ 17 bar. а за обезсоляване на морска вода с налягане до 60 ~ 70 bar.

Строеж на мембранния елемент

Мембранният елемент е консуматив и за удължаване на срока на използването му е необходимо водата преди него да бъде:

• омекотена, т.е да се намалят солите на Ca²⁺, Mg²⁺, SiO₂, които затлачват мембраната, и тя излиза от експлоатация;
• дехлорирана, защото хлорът, като силен окислител, уврежда мембранните елементи.

От средата на миналия век до сега мембранните технологии за обезсоляване на  водата намират все по-голямо приложение в бита и промишлеността.

Фирма „Никол-Н“ ООД основно използва обратно осмотични елементи на Bayer > Lanxess (LEWABRANE), Wave Cyber (OSPURA), Dow > DuPont (FILMTEC), GE > Osmonics (DESAL) и др.

Деминерализация (обезсоляване) чрез система за обратна осмоза

Електро-дейонизация (Електродиализа)

Електро-дейонизацията е процес на отлагане на солите на катийоните и на анийоните във водата под въздействието на електрическото поле върху катода и анода.

Непрекъсната електро-дейонизация - действие на CEDI модула

Непрекъснатата електро-дейонизацията се осъществява в специален модул CEDI, който съдържа смес висококачествени йонообменни смоли, анийон- и катийон-селективни мембрани, разположени между анод и катод.

Основна движеща сила на процеса ЕДИ е разликата в потенциалите на постоянното електричесто поле от двете страни на мембранния канал, запълнен с йонообменна смола. Именно разликата в потенциалите осигурява пренос на разтворените йони от потока вода през йоно-селективните мембрани и непрекъснатата регенерация на йонита.

Пренос на разтворените йони през йоно-селективните мембрани

Под воздействие на електрическото поле катийоните се насочват през катийонната мембрана към катода, а анионите – към анода. Тоест под въздействието на електрическото поле йоните напускат камерите на филтрата и преминатават в камерите с концентрата. Непрекъснатата регенерация на йонитите се осъществява от йоните на водорода и хидроксила, получени в резултат на електролизата на молекулите на воды под въздействието на постоянния ток.

Електро-дейонизиращите инсталации са сравнително сложни за монтаж. Използват се предимно в енергетиката, електрониката и медицината за получаване на ултрачиста вода. Ултрачистата вода има електрическо съпротивление в границите на 8 ~ 17 МОм/см и се получава от предварително обработена вода с общо солесъдържание 0,5 ~ 1 мг/л.

Фирма "Никол-Н" основно работи с модули CEDI на Siemens > Evoqua (IONPURE) и др.

Деминерализация (обезсоляване) чрез система за непрекъсната електро-дейонизация