Удаление бора из воды с использованием обратного осмоса

И.А. Тихонов

В статье представлена методика удаления из воды бора с использованием технологии обратноосмотического обессоливания воды. Произведен расчет двух схем очистки в программе ROSA 9.0. Первая схема предполагает минимальные капитальные вложения в установку водоподготовки. Вторая схема характеризуется минимальным количеством образующихся сточных вод.

Бор попадает в воду в результате растворения осадочных горных пород, а также со сточными водами промышленных предприятий. В соответствии с СанПиНом «Питьевая вода» предельно допустимое содержание бора в питьевой воде должно составлять не более 0,5 мг/л. Для поверхностных полноводных источников данное условие как правило выполняется. Но артезианские и грунтовые воды могут иметь значительное превышение по этому показателю.

Удалить бор из воды довольно сложно. Бор содержится в воде в виде борной кислоты (H₃BO₃ или В(ОН)₃). Она практически не диссоциирует в воде. При повышении рН воды бор переходит в форму гидрата бора. При этом чем выше рН воды, тем больше борная кислота диссоциирует с получением аниона В(ОН)₄^—.

Обратноосмотические мембраны начинают проявлять селективные свойства по бору, находящемуся в состоянии В(ОН)₄^—. Анион обладает гидратной оболочкой и значительно увеличивает свои размеры. В отличии от слабо диссоциированной борной кислоты. Поэтому повышение рН воды перед установкой обратного осмоса необходимое условие для удаления бора при помощи мембранных технологий.

Давайте сразу рассмотрим на примере, как удалить бор из воды с использованием обратного осмоса.

Имеются следующие исходные данные. Расход исходной воды – 16,4 м³/час.

Состав исходной воды:

Аммоний – 0,42 мг/л

Калий – 3,17 мг/л

Натрий – 113 мг/л

Жесткость – 0,65 мг/л

Бикарбонаты (НСО₃) – 299 мг/л

Сульфаты (SO₄) – 20 мг/л

Хлориды (Cl) – 12 мг/л

Бор – 1,72 мг/л

Солесодержание – 460 мг/л

рН – 8,3

Для того, чтобы мембрана начала проявлять селективные свойства по бору необходимо поднять рН воды. Для этого в воду можно дозировать едкий натр (NaOH). Но если в данную воду дозировать едкий натр, то углекислотное равновесие сместиться в сторону выпадения карбоната кальция в осадок. Поэтому если напрямую в данную воду дозировать едкий натр перед установкой обратного осмоса, то на мембранах будет происходить интенсивный процесс выпадения карбоната кальция. Мембраны установки обратного осмоса быстро забьются и потребуется химическая мойка. Необходимо понимать, что в данном случае забьются не только мембраны, а также арматура, фильтр тонкой очистки непосредственно перед мембранами и т.п. Поэтому, в данном случае, единственным надежным способом избежать данной проблемы является умягчение исходной воды. При этом умягчение должно быть практически полным. Поэтому необходимо организовывать процесс Na – катионитового умягчения воды в две ступени.

После процесса умягчения в умягченную воду, практически не содержащую солей жесткости, дозируется едкий натр. Необходимо поднять рН воды до значения не менее 10,0 ед. рН. Затем воду можно подавать на обратноосмотическое разделение.

На рисунке 1 представлена схема очистки воды от бора с использованием технологии обратного осмоса имеющая наименьшие капитальные затраты.

Исходная вода проходит систему предварительного осветления, состав которой подбирается в зависимости от качества исходной воды. Затем вода проходит глубокое Na – катионитовое умягчение в две ступени. Затем в воду дозируется едкий натр для повышения рН воды до значения 10. Потом подготовленная вода поступает на установку обратноосмотического обессоливания. Обессоливание воды происходит в одну ступень. Использованы мембраны BW30HR-440i.

Рисунок 1

В приложении 1 представлен результат расчета процесса обратноосмотического обессоливания воды с использованием программы ROSA 9.0 для представленных исходных данных.

Как видно на первой странице расчета содержание бора в фильтрате составляет 0,19 мг/л. При том, что в исходной воде 1,72 мг/л бора. Солесодержание фильтрата 12 мг/л. Значение рН – 9,54. Для уменьшения рН необходимо дозировать в фильтрат лимонную кислоту, что позволит одновременно с уменьшением рН увеличить солесодержание воды.

Как видно по результатам расчета, рекавери обратного осмоса составляет 75%. Т.е. с установки сбрасывается концентрата 4,1 м³/ч (точка 6). Производительность по фильтрату составляет – 12,7 (точка 7). В этом случае индекс Ланжелье (LSI) составляет -0.13. Это говорит о том, что на мембране не будет происходить осадкообразование. Практически соблюдены все условия для эффективной эксплуатации установки обратного осмоса.

Теперь рассмотрит еще одну схему очистки воды от бора, в которой попытаемся достичь минимального расхода сточных вод.

В данном случае основные сточные воды определяются расходом концентрата с установки осмоса. Для того чтобы уменьшить расход концентрата необходимо увеличить рекавери установки осмоса. Уменьшение расхода концентрата приводит к увеличению солесодержания концентрата и, соответственно, к повышению вероятности выпадения солей жесткости в осадок.

Поэтому даже при минимальном содержании кальция (0,02 мг/л) в воде после умягчения, при рекавери осмоса 90 % и рН воды 8,8 значение и индекса Ланжелье составит -0,2. А если значение рН данной воды поднять до 10, то индекс Ланжелье составит +0,51. Осадок карбоната кальция на мембранах гарантирован.

Почему так происходит?

Дело в том, что несмотря на то, что из воды практически полностью удаляется кальций в воде находится достаточно большое количество бикарбонатов (4,9 мг-экв/л). Бикарбонаты составляют вторую часть осадка временной жесткости. И соответственно в условиях высокого рН и высокой кратности циркуляции концентрата (высокого рекавери) создаются условия для выпадения карбоната кальция даже при его минимальной концентрации в исходной воде.

Получается, что для достижения низкого расхода концентрата необходимо из воды удалять бикарбонаты.

Для этого необходимо процесс обратноосмотического обессоливания проводить в две стадии. На рисунке 2 представлена схема очистки воды от бора при условии сброса концентрата в количестве не более 10% от количества фильтрата. Принципиальное отличие этой схемы от первой в том, что едкий натр дозируется не перед первой ступенью осмоса (как в первой схеме), а перед второй ступенью осмоса.

В этом случае достигаются следующие условия. На первой ступени осмоса возможно получить очень высокое рекавери (90 и более %). Это возможно из-за того, что вода практически не содержит кальция и в нее не дозируется едкий натр. На первой ступени осмоса из воды удаляются ионы, в том числе бикарбонаты. Полученный фильтрат. все еще содержащий повышенное количество бора, направляется на вторую стадию осмоса. И перед второй стадией осмоса в воду дозируется едкий натр. Значение рН воды повышается до 10 и фильтрат после второй стадии содержит бора не более требуемых значений.

Рисунок 2

В чем преимущества данной схемы?

Сброс концентрата производится только с первой ступени осмоса и составляет не более 10% от производительности по очищенной воде. Теоретически при таком построении схемы возможно добиться еще более высокого рекавери и соответственно более низкого расхода сточных вод.

Концентрат после второй ступени осмоса направляется на подмес к исходной воде первой ступени осмоса. Т.е. после второй ступени осмоса сброс воды в канализацию отсутствует.

Расчет данной схемы представлен в приложении 2.

Как можно видеть, сброс концентрата с первой ступени осмоса составил 1,8 м³/час. В первом случае сброс концентрата был – 4,1 т/час. Уменьшение сброса концентрата составило 2,8 раза.

Концентрация бора в фильтрате после второй ступени составила 0,34 мг/л, что соответствует требуемому значению (менее 0,5 мг/л). Причем после первой ступени осмоса (без увеличения рН исходной воды) концентрация бора была 1,5 мг/л. В исходной воде 1,72 мг/л. Т.е. при рН 8,8 (значение рН перед первой ступенью) практически не наблюдается селективных свойств мембраны по отношению к бору.

На странице 5 (ROSA Detailed Report) можно проследить как меняется индекс Ланжелье по стадиям. На первой стадии осмоса индекс равен -0,31, на второй – 2,16. Фактически имеется запас по увеличению рекавери первой ступени и соответственно еще большему уменьшению расхода концентрата.

На странице 1 (ROSA report) представлено изображение потоков двух стадий осмоса. Сброс концентрата с установки обозначен точками 6 и 6А. Как видно сброс идет только в точке 6 и составляет 1,8 м³/час. Расход фильтрата после второй ступени – 14,58 м³/час. Расход исходной воды – 16,38 м³/час. За счет того, что концентрат с осмоса второй ступени направляется на подмес ко входу первой ступени, значение рН исходной воды несколько возрастает (от 8,3 до 8,8). Тем не менее программа прогнозирует отсутствие осадка карбоната кальция даже при таком построении схемы. Более того просматривается возможность еще большего уменьшения сброса концентрата.

Вывод:

Очевидно, что очистку воды от бора можно эффективно проводить при помощи обратного осмоса, при условии соблюдения необходимых технологических параметров. При этом очистка обратным осмосом имеет ряд преимуществ перед другими технологиями. Прежде всего это удаление органических веществ. Отсутствие сложно утилизируемых сточных вод. Отсутствие дорогих реагентов для ведения процесса водоподготовки. При грамотной организации процесса обратноосмотические мембраны могут отработать более 5 лет, при этом требуя крайне редкие профилактические мойки.

 

Приложение 1

Приложение 2