Устройство для глубокого обескислороживания воды в замкнутой системе

Полезная модель относится к устройствам для глубокого обескислороживания воды и может быть использовано в процессах водоподготовки для теплоэнергетики, химической и электронной промышленности. Техническим результатом является высокая скоростью фильтрации воды и возможность длительной эксплуатации устройства, что достигается благодаря тому, что в устройстве для глубокого обескислороживания воды в замкнутой системе, состоящем из внешней замкнутой системы, кислородометра, насоса, кранов и набора последовательно соединенных фильтров, в том числе механического, сорбционного, ионообменного фильтра смешанного действия; в наборе фильтров имеются три фильтра с насадкой зернистого нанокомпозита медь-ионообменник КУ-23 15/100, расположенные между ионообменными фильтрами смешанного действия.

Полезная модель относится к устройствам для глубокого обескислороживания воды и может быть использовано в процессах водоподготовки для теплоэнергетики, химической и электронной промышленности.

Известна установка с палладийсодержащим зернистым ионообменным материалом [Ultraclean Technology Handbook: Volume 1: Ultra-Pure Water / T. Ohmu (Ed.), CRC Press, 1993, 944 p.]. Известна установка с одноволоконным каталитическим мембранным контактором/реактором [Романова И.А. Одноволоконный каталитический мембранный контактор/реактор для удаления растворенного кислорода из воды / И.А. Романова, И.В Петрова, В.И. Лебедева [и др.]. // Мембраны. - 2007. - 3 (35). С.3-10.]. Мембранный катализатор представляет собой пористую половолоконную мембрану с нанесенным на внешнюю поверхность палладием. Недостатками данных установок являются высокая стоимость, необходимость подачи очень чистого водорода в реактор, технологическая сложность фильтрации, необходимость активации мембран путем травления их в кислотах.

Известен метод одновременного обескислороживания и обессоливания воды с использованием фильтра с железогидрозакисным электроноионообменником и ионообменных фильтров смешанного действия [Вольф И.В. Подготовка воды для парогенераторов с помощью ионообменников / И.В. Вольф, А.В. Романов, М.А. Синякова // Журн. прикл. химии. - 2010. - Т.83, Вып.5. - С.858-860.]. Недостатком этого метода является невысокая глубина обескислороживания.

В качестве прототипа выбрана очистная установка, состоящая из двух обескислороживающих и двух обессоливающих фильтров. [Москвитин Б.А. Исследование работы электронообменных фильтров в замкнутых системах охлаждения / Б.А. Москвитин, И.О. Кибизов, В.В Ашанин // Труды ВНИИ "ВОДГЕО". - 1977. - Вып.66. - С.1-3.]. Обескислороживающие фильтры загружены дисперсной медь-гидразиновой электроноионообменной смолой ЭО-11П. Обессоливающие фильтры загружены смесью катионообменника КУ-2 и анионообменника АВ-17 в H ⁺- и OH^--формах. Недостатком прототипа является выделение азота в процессе восстановления кислорода.

Задача, решаемая настоящей полезной моделью, заключается в создании высокоэффективного обескислороживающего аппарата, состоящего из последовательно соединенных фильтров для удаления механических, органических и неорганических примесей из воды и ее обескислороживания.

Техническим результатом является высокая скоростью фильтрации воды и возможность длительной эксплуатации устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для глубокого обескислороживания воды в замкнутой системе, состоящем из внешней замкнутой системы, кислородометра, насоса, кранов и набора последовательно соединенных фильтров, в том числе механического, сорбционного, ионообменного фильтра смешанного действия, согласно полезной модели, в наборе фильтров имеются три фильтра с насадкой зернистого нанокомпозита медь-ионообменник КУ-23 15/100, расположенные между ионообменными фильтрами смешанного действия.

На фиг.1 представлена схема устройства для обескислороживания воды в замкнутой системе.

На фиг.2 приведена зависимость концентрации кислорода в воде от времени циркуляции в замкнутой водной системе объемом 300 л.

Устройство состоит из внешней замкнутой системы 1 с кислородометром 2, насосом 3 и системой фильтров, подключенных через систему кранов 4. Скорость потока воды в замкнутой системе 1 контролируется с помощью расходомера 5. Причем, фильтр 6 предназначен для механической очистки и представляет собой цилиндр, на который намотан специальный жгут; фильтр 7 сорбционный и представляет собой цилиндр наполненный сульфоуглем в H⁺-ионной форме; фильтр 8 - ионообменный фильтр смешанного действия; фильтры 9, 10 и 11 с насадкой зернистого нанокомпозита медь-ионообменник КУ-23 15/100; фильтр 12 -ионообменный фильтр смешанного действия.

Фильтры 9, 10, 11 засыпаны нанокомпозитом, изготовленным по патенту РФ 2355471, 2008.

Устройство работает следующим образом. Система 1 замыкается на резервуар емкостью 300 л. Вода циркулирует с определенной заданной скоростью, контролируемой расходомером 5. С помощью кислородометра 2 проводится мониторинг кислорода. Вода, подкачиваемая насосом 3, циркулирует до тех пор, пока уровень кислорода не снизится с 7-8 мг/л до 10 мкг/л, затем с помощью кранов 4 система фильтров отключается. Периодически, при повышении уровня кислорода в результате подсоса до 20 мкг/л, система фильтров вновь включается. В фильтре 6 происходит удаление механических примесей из воды. В сорбционном фильтре 7 удаляются органические и неорганические примеси. Ионообменный фильтр 8 обессоливает воду. Фильтры 9, 10, 11 удаляют растворенный в воде кислорода по реакции:

Здесь - полимерная матрица с фиксированными сульфогруппами. Емкость нанокомпозита по противоионам водорода 1 ммоль-экв/мл, по наночастицам меди 5,4 ммоль-экв/мл. По исчерпании противоионов водорода окисление наночастиц меди происходит до оксидов меди (I) и (II). В ионообменном фильтре 12 сорбируются возможные примесные ионы. Установка способна к долговременному использованию после несложной процедуры замены рабочих картриджей в фильтрах.

Картриджи в фильтрах 9, 10 и 11 подлежат регенерации в лабораторных условиях. Регенерацию отработанного нанокомпозита можно проводить как непосредственно в эксплутационном фильтре без перегрузки, так и в специальном фильтре с перегрузкой материала. Регенерация начинается с отмучивания водой от мелочи и шлама. Далее пропускают 10% раствор сульфата меди сверху вниз. Следом проводят обработку 6% щелочным раствором дитионита натрия снизу вверх для восстановления ионов меди в металлические частицы. После этого пропускают 5% раствор серной кислоты для переведения нанокомпозита в H⁺-форму. На последнем этапе регенерации выполняют отмывку обескислороженной и обессоленной водой.

Пример 1. Система фильтров (каждый высотой 250 мм и диаметром 100 мм) замыкается на водный резервуар емкость 300 л. Вода циркулирует с определенной заданной скоростью (20 м/ч). Проводится мониторинг кислорода. Вода циркулирует до тех пор, пока уровень кислорода не снизится от заданного 1 мг/л до пороговой концентрации 10 мкг/л. Время снижения концентрации кислорода в воде до 10 мкг/л составляет 30 ч (фиг.2). Затем система фильтров отключается. При повышении уровня кислорода до допустимого для обычных производств уровня порядка 30 мкг/л вновь включается система обескислороживания. Путем периодического включения и выключения системы фильтров глубокое обескислороживание воды может поддерживаться не менее 4000 часов, после чего необходима замена рабочих картриджей в фильтрах.

Пример 2. Система фильтров по примеру 1 подключается к отопительной системе (емкость 900 л) в период ее остановки. Проводится мониторинг кислорода. Система фильтров отключается, когда уровень кислорода снизится от 200 мкг/л до пороговой концентрации 10 мкг/л. Периодически при повышении уровня кислорода в результате подсоса до 30 мкг/л вновь включается система фильтров.

Нанокомпозит для фильтров 9, 10, 11 получали согласно способу, описанному в патенте РФ 2355471 [авторов Кравченко Т.А. и др., опубл. 20.05.2009]. Для чего ионообменную основу КУ-23 15/100С насыщали ионами меди в 6% растворе CuSO₄, отмывали от избытка ионов Cu ²⁺ дистиллированной водой и обрабатывали 6% щелочным раствором дитионита натрия, затем вновь отмывали от избытка восстановителя обескислороженной дистиллированной водой. Цикл ионообменное насыщение - химическое восстановление повторяли 6 раз. Насыщенный ионами Cu²⁺ ионообменник помещали для восстановления в катодную камеру электролизера, заполненную 0.05М раствором Na₂ SO₄. Процесс электрохимического восстановления осуществляли в течение 60 минут под действием постоянного электрического тока 3.5 мА/см² (t=25°C). Цикл насыщения ионами меди - электрохимическое восстановление повторяли 10 раз. После окончания процесса нанокомпозит отмывали обескислороженной дистиллированной водой, при этом содержание дисперсной меди составило Cu=4.6 ммоль/см ³.

Устройство для глубокого обескислороживания питательной воды в замкнутой системе, состоящее из набора последовательно соединенных фильтров, в том числе сорбционного и ионообменного фильтра смешанного действия, отличающееся тем, что содержит внешнюю замкнутую систему, кислородометр, насос, краны, а в наборе фильтров - фильтр механического действия и три фильтра с насадкой зернистого нанокомпозита медь-ионообменник КУ-23 15/100, расположенные между ионообменными фильтрами смешанного действия.