5.2.3. Знесолювання води

Знесолювання (демінералізація) води (звільнення від присутності небажаних катіонів і аніонів) є продовженням циклу робіт по видаленню мінеральних забруднень після пом’якшення води і проводиться одним з двох способів – за допомогою іонного обміну або способом розділення через мембрану.

Іонний обмін заснований на використанні іонітів – сітчастих полімерів різної міри зшивки, з гелевою або мікропористою структурою, ковалентно пов’язаних з іоногенними групами. Дисоціація цих груп у воді або у розчинах дає іонну пару – фіксований на полімері іон і рухомий противоіон, який обмінюється на іони однойменного заряду (катіони або аніони) з розчину.

У фармацевтичній промисловості використовують сильно кислотні сульфокатіоніти КУ-1, КУ-2 і пористий КУ-23.

Вживані тривалий час слабо лужні марки ЕДЕ-10П в цей час замінюються на сильнолужні АВ-171 і АВ-17, які в ОН - формі (аніоніт з рухомою гідроксильною групою) обмінюють всі аніони, що містяться у воді.

Процес іонного обміну здійснюється шляхом дифузії іонів розчиненого електроліту до поверхні сорбенту, наступної дифузії іонів розчиненого електроліту усередину сорбенту, витіснення рухливого іона сорбенту зі сфери впливу катіонного (аніонного) комплексу сорбенту і дифузії витісненого рухливого іона з фази сорбента в розчин. Іонообмінні властивості смол, які використовуються в якості сорбенту, обумовлені наявністю у їх складі функціональних, хімічно активних іонних груп, жорстко зв’язаних з просторовою молекулярною сіткою.

Включення до складу смол різних функціональних груп приводить до утворення смол вибіркової дії.

Під час хімічного знесолення обмін іонів є оборотнім процесом між твердою і рідкою фазами. У процесі обміну не відбувається значної зміни в структурі іонообмінної смоли, у якій один з іонів завжди зв’язаний із сіткою вищих полімерів і, таким чином, нерозчинний і нерухомий у твердій фазі. Протилежно заряджений іон є рухливим. У катіонообмінній смолі рухливими іонами є іони Н+, у аніонообмінній - іони ОН-. Ці іони можуть обмінюватися на іони солей, що утримуються у воді

Однак смоли володіють рядом недоліків, що ускладнюють їхнє використання:

- більшість іонообмінних смол, як правило, володіють низкою гідрофільністю, що зумовлює малу швидкість дифузії іонів усередину гранул смоли і низьку швидкість сорбції і десорбції;

- на практиці іонообмінні смоли застосовуються у виді гранул, злежування яких у колонці під час процесу сорбції викликає необхідність проведення примусового розпушення, яке приводить до поступового механічного руйнування гранул у процесі експлуатації;

- іонообмінні смоли вимагають періодичної регенерації для відновлення обмінної здатності.

Регенерація іонообмінних смол проводиться розчинами соляної кислоти і натрію гідроксиду. На якість регенерації впливає вибір розчину, для регенерації, тип іонообмінної смоли, склад насиченого шару іонітів, швидкість, температура, чистота, тип і концентрація розчину, для регенерації, час його контакту з іонітами.

Приготування розчинів соляної кислоти (для Н⁺ форми) і натрію гідроксиду (для ОН^– форми) для регенерації смол вимагає наявності на виробництві ємностей для збереження розчинів для регенерації і захисту персоналу від можливих витоків агресивних речовин.

Іонообмінна технологія забезпечує класичне знесолювання води і є економічною системою при одержанні очищеної води, яка використовується для виготовлення лікарських засобів. Але, при тривалому використанні іонообмінників можуть спонтанно виникнути проблема росту мікроорганізмів. У зв’язку з цим разом з регенерацією потрібно періодично дезінфікувати використовувані смоли.

Існують два типи іонообмінних апаратів, як правило, колонних:

- з роздільним шаром катіоніту і аніоніту;

- зі змішаним шаром.

Апарати першого типу складаються з двох послідовно розташованих колонок, перша з яких по ходу оброблюваної води заповнена катіонітом, а друга - аніонітом.

Апарати другого типу складаються з однієї колонки, заповненої сумішшю цих іонообмінних смол. Класична схема знесолення води іонообмінним методом:

- вода питна подається у колонки в режимі – “знизу нагору”;

- регенерація проводиться за протиточною схемою в режимі – “зверху донизу”;

- регенерація катіоніту проводиться 1М розчином соляної кислоти;

- регенерація аніоніту проводиться 1М розчином гідроксиду натрію;

- відмивання проводиться за схемою одержання знесоленої води.

Мембранні способи одержання знесоленої води. Серед способів розділення через мембрану можна виділити: зворотний осмос, ультрафільтрацію, діаліз, електродіаліз, випаровування через мембрану. Ці методи засновані на використанні перегородок, що володіють селективною проникністю, завдяки чому можливе отримання води без фазових і хімічних перетворень.

Зворотний осмос (гіперфильтрация) - перехід розчинника (води) з розчину через напівпроникну мембрану під дією зовнішнього тиску. Надлишковий робочий тиск сольового розчину набагато більше осмотичного. Рушійною силою зворотного осмосу називають різницю тиску по обидві сторони мембрани. Зворотний осмос – дуже тонкий рівень фільтрації. Зворотньоосмотична мембрана діє як бар’єр для всіх розчинених солей, неорганічних молекул, органічних молекул з молекулярною масою понад 100, а також мікроорганізмів і пірогенних речовин.

Осмосом називається явище переважного переходу молекул розчинника в розчин. Для одержання води методом зворотного осмосу потрібно, створюючи надлишковий тиск, що перевищує осмотичний, примусити молекули води дифундувати через напівпроникну мембрану в напрямку, протилежному прямому осмосу, тобто з боку високомінералізованої води у відсік чистої води, збільшуючи її об’єм.

Серед переваг зворотного осмосу слід зазначити простоту і незалежність від вмісту солі у вихідній воді. При здійсненні осмотичного процесу проблему представляє вибір мембран, що володіють відповідною однорідністю.

Ультрафільтраційні мембрани не повинні накопичувати бруд, який може закривати пори мембрани. Тому їх треба експлуатувати у перехресному потоці, тобто уздовж поверхні мембрани завжди повинен проходити поток, який буде уносити відділений матеріал, у зв’язку з чим, разом з фільтратом (пермеатом), утворюється концентрат. Як правило, в такій системі передбачається цикл зворотної фільтрації, в якому потік фільтрату рухається назад крізь мембрани, щоб відокремити матеріал, що відклався, який виводиться разом з концентратом.

Установка зворотного осмосу, як правило, складається з насоса високого тиску, пермеатора (мембранної установки) і блоку регулювання, який підтримує оптимальний робочий режим.

Важливим показником роботи установки зворотного осмосу є коефіцієнт обороту, тобто частка отриманого пермеату і концентрату. На оптимальних установках вихід пермеату складає близько 75% від вихідної води, утворений концентрат складає 25%. Установки зворотного осмосу з виходом пермеату 50% і менше є неекономічними.

У залежності від якості води питної за використання цього методу може бути необхідна відповідна попередня підготовка. Для розділення застосовують мембрани двох типів:

Пористі – з розміром пір 10^-3– 10^-4 мкм (1 – 10 Å). Селективна проникність заснована на адсорбції молекул води поверхнею мембрани і її порами. При цьому утвориться сорбційний шар товщиною в декілька десятків Å. Молекули, що адсорбувалися переміщаються від одного центра адсорбції до іншого, не пропускаючи солі. У Росії випускаються ультрафільтраційні ацетатцелюлозні мембрани – УАМ 50 м, діаметр менше за 50 Å, УАМ 100 м – 75 Å, УАМ 150 125 Å, УАМ 200 м – 175 Å, УАМ 300-м – 2 50 Å і УАМ 500 м – більше за 300 Å.

Непористі дифузійні мембрани утворюють водневі зв’язки з молекулами води на поверхні контакту. Під дією надмірного тиску ці зв’язки розриваються, молекули води дифундують у протилежний бік мембрани, а на місця, що утворилися проникають наступні. Таким чином, вода ніби розчиняється на поверхні і дифундують всередину шара мембрани. Солі і майже всі хімічні сполуки, крім газів не можуть проникнути через таку мембрану. Випускаються гиперфільтраційні ацетатцелюлозні мембрани МГА-80, МГА-90, МГА-95, МГА-100. Цифри в марці означають відсоток селективности.

Ультрафільтрація — процес мембранного розділення розчинів високомолекулярних з’єднань під дією різниці тиску. Ультрафільтрація один з типів мембранної фільтрації в якому застосовують мембрани з розміром пор 1-300 кД. Тип фільтрації - мембранна ультрафільтрація в тангенціальному потоці.

Даний метод використовують, коли осмотичний тиск значно менший у порівнянні з робочим тиском. Рушійною силою є різниця тиску — робочого і атмосферного.

Електродіаліз. Механізм розділення з використанням електродіалізу заснований на направленому русі іонів в поєднанні з селективною дією мембран під впливом постійного струму. В якості іонообмінних мембран застосовуються: катіонітові - марки МК-40 з катіонітом КУ-2 в Na-формі і основою слугує поліетилен високої щільності і МК-40л, армованої лавсаном; аніонітові марки МА-40 з аніонітом ЕДЕ-10П в Сl-формі на основі поліетилену високої щільності і МА-41 – мембрана з сильнолужним аніонітом АВ-17, армована лавсаном. Випускаються електродіалізні установки ЕДУ-100 і ЕДУ-1000 продуктивністю 100 і 1000 м³/добу.

Випаровування через мембрану. Розчинник проходить через мембрану і у вигляді пари віддаляється з її поверхні в потоці інертного газу або під вакуумом. Для цієї мети використовують мембрани з целофану, поліетилену, ацетатцелюлози.

Перевага мембранних методів, що все більше впроваджуються у виробництво, – значна економія енергії. Витрата її при отриманні води очищеної або аналогічної по чистоті демінералізованої складає (кВт • ч/ м³): дистиляцією – 63,6; електролізом – 35,8; зворотним осмосом – 3,7. Також порівняно легко можливо регулювати якість води. Недоліком методів вважають небезпеку концентраційної поляризації мембран і пір, що може викликати проходження небажаних іонів або молекул у фільтрат.