Промышленные комплексы деионизации и дистилляции воды «МОЛЕКУЛА»

Национальный центр водных технологий больше десяти лет осуществляет разработку, производство, монтаж и пуско-наладочные работы комплексов получений дистиллированной по ГОСТ-Р58144 и деионизированной воды воды с сопротивлением 18мОм/см.

Системы деионизации воды предназначены для удаления из воды всех ионов и радионуклидов в ионной форме и позволяет довести содержание солей в воде до единиц микрограмм на литр, т.е. получить глубоко обессоленную воду с удельным сопротивлением, близким к абсолютному значению – 18,2 МОм∙см.

Деионизированная вода — что это?

Деионизированная (деионизованная) вода – вода, не содержащая в своём составе отрицательных и положительных ионов. Чистота такой воды превышает 99%. Иными словами это абсолютное химическое соединение – Н₂О.

Важным показателем, по которому можно определить, что это именно деионизованная вода, является удельное электрическое сопротивление. В России регламентирующий документ состава деионизированной воды – ОСТ 11.029.003-80. Согласно ему деионизованную воду делят на три класса:

• Марки А – ультрачистая вода с удельным электрическим сопротивлением 18 МОм*см. Её получают с помощью нескольких ступеней фильтрации, обратного осмоса, стерилизации и финишной деионизации (чаще всего в два этапа);
• Марки Б – чистая вода (свыше 10 МОм*см), в данном случае обычно обходятся одной ступенью финишной деионизации;
• Марки В – очищенная вода (свыше 1 МОм*см), которую при определенных раскладах можно получить и без финишной деионизации с помощью двухступенчатого обратного осмоса;

Однако, в ряде технологических процессов, требования к чистоте деионизированной воды могут быть и выше — например, согласно ОСТ 11.029.003-80 вода марки «А» должна иметь сопротивление не менее 18,0 мОм/см, а согласно стандарту ASTM D-5127-13, вода типа Е-1, Е-1.1, Е-1.2В должна иметь электрическое сопротивление на уровне 18,1-18,2 мОм/см, при этом, в ряде процессов, особое внимание уделяется еще и общему содержанию общего органического углерода (ТОС), которое, в зависимости от конкретного типа воды должно находится в пределах 1-5мкг/л. Основными стандартами, которые регламентируют качество воды, являются: ГОСТ Р 58431-2019, ОСТ 11.029.003, ASTM D5127, SEMI.

Таблица 1. Требования к деионизированной воды согласно стандартов:

Сферы применения систем деионизации воды

Системы деионизации применяются для финишной очистки при деминерализации воды. Чаще всего они устанавливаются после обратноосмотических установок для глубокой очистки (с удельным электрическим сопротивлением до 18,2 МОм*см) уже обессоленной воды.

Получение деионизованной воды особенно важно для таких сфер, как:

• энергетика (подпитка паровых котлов);
• микроэлектроника (производство плат и полупроводников);
• медицина (гемодиализ и гемодиафильтрация);
• фармацевтика (среда для лекарств);
• очистка оптики и стекла;
• научно-исследовательские лаборатории.

Варианты технологических решений и обоснование выбора метода

В ходе проработки технологического решений, инженерами НПП Национальный центр водных технологий, как правило, анализируются все возможные варианты получения деионизированной воды конкретных типов и марок, при этом, наибольшее распространение получили три варианта: – ионный метод обессолевания, термический, мембранный и комбинированный, сочетающий в себе сразу несколько технологических подходов.

Ионный метод, построенный на базе последовательной технологии ионного обмена, в ходе которой, сначала осуществляется полное извлечение Анионов и Катионов, в промышленном использовании, имеет ряд недостатков, один из них – необходимость постоянной регенерации ионитов растворами кислот и щелочей. С экономической точки зрения такой метод затратен как на этапе капитальных вложений, так и эксплуатации и, с учетом специфики предприятия заказчика не эффективен, как полный самостоятельный подход. Однако, при комбинировании ионного подхода с мембранным в качестве блока глубокого обессоливания – весьма эффективен и оправдан.

Термические методы получения дистиллированной воды также обладают рядом существенных минусов – во-первых, несмотря на относительные капитальные затраты, термическая дистилляция затрачивает огромное количество энергии, а именно, фактические энергозатраты находятся в передах 350 кВт на 1м3 дистиллята, что ведет к росту себестоимости получения дистиллята. Во-вторых, использование подобного оборудования предъявляет существенные требования к энергосетям и энергообеспечению всего предприятия, что, в совокупности делает такой метод попросту нерентабельным.

Именно исходя из перечисленных выше факторов, оптимальной схемой получения ультрачистой воды (очищенной воды), по нашему мнению, являются комбинированные методы, с использованием мембранных установок серии «АЙСБЕРГ» в промышленном исполнении «Индиго», уже неоднократно подтвердила свое преимущество ввиду простоты эксплуатации, надежности и нетребовательности к квалификации обслуживающего персонала с последующей глубокой деионизацией на ионообменных фильтрах и/или установках электродеионизации.

В качестве примера технической реализации предлагаем рассмотреть построение технологической схемы мембранной очистки воды – двухступенчатую схему мембранного разделения с промежуточной отдувкой остаточной углекислоты и финишным глубокий умягчением. Отдувка углекислоты между первичной и вторичной стадиями мембранного обессоливания в несколько раз повышает эффективность работы блока финишного обессоливания за счет сохранения его обменной емкости за счет отдельного удаления углекислоты, тем самым, существенно повышая остаточный ресурс ионообменный материалов.

Рис. 1. Пример реализованной технологической схемы получения деионизированной воды Марки «А» по ОСТ 11.029.003-80 производительностью 400л/час

Где:
1.Дисковый фильтр механической очистки AZUD 1 1/4″ 130 мкр.
2.Сорбционные фильтры ПОТОК — Са 56.112.Rx.NWC
3.Установка обратного осмоса АЙСБЕРГ RO400 в модификации ИНДИГО, производительностью до 400 л/час
4.Накопительный резервуар предочищенной воды, 1,0 м3
5.Насосная станция ТАЙФУН -LT 40.АПЧ
6.Установка обратного осмоса, высокоселективная, АЙСБЕРГ RO400Pro-HR, производительностью до 400 л/час
7.Емкости подготовленной воды 2 х 1,0 м3
8.Насосная станция ТАЙФУН -LT 40.АПЧ
9.Блок финишных анионообменных фильтров ПОТОК – Н(ОН)-А.56.112.RG
10.Блок финишных катионообменных фильтров ПОТОК – Н(ОН)-K.56.112.RG
11.Блок финишной электродеионизации EDI AQUA-0.5 , производительностью до 0,5 м3/час;
12. Емкость хранения подготовленной воды с азотной подушкой объемом 3м3
13. Подающая насосная станция Насосная станция ТАЙФУН -LT 1.40.АПЧ
12. Блок УФ — установок с длиной волны 254 и 185нм

Предлагаемые технологические решения включают следующие этапы:

1. Предварительная грубая механическая очистка воды: обеспечит очистку от грубых взвесей и защитит водоподготовительное оборудование;

2. После предварительной очистки вода подается на следующий этап водоподготовки — стадию доочистки воды и ее фильтрование на напорных сорбционных фильтрах. При разработке технологического решения и на стадии подбора оборудования инженерами НПП НЦВТ было принято решение об использовании напорной сорбции с линейной скоростью потока не более 5-10 м/час, что обеспечивает наилучший результат и по качеству очистки воды и по грязеемкости фильтров. Данный этап с одной стороны обеспечивает защиту от органических отложений на селективном полупроницаемом слое мембранных элементов, с другой – придание благоприятных органолептических свойств потоку воды для дальнейшего использования;

3. После этапа фильтрования вода подается на установку обратного осмоса 1 ступени АЙСБЕРГ-RO400Pro Индиго «Описание обратноосмотической установки – см. «Приложение 3», где происходит глубокая коррекция минерально-солевого состава воды за счет ее пропускания через полупроницаемую мембрану. С целью увеличения срока службы мембранных элементов и замедления процесса минерального осадкообразования в составе установки интегрирован комплекс ввода ингибитора минеральных отложений – антискаланта. В качестве ингибирующего реагента предполагается использование антискалант собственного производства Clarex-382 (универсальный ингибитор отложений на основе неорганических полифосфонатов и органических стабилизирующих агентов). Объем вводимого реагента находится в пределах 3,0-10,0 мг/литр исходного потока. Конкретная доза реагента подбирается непосредственно во время пуско-наладочных работ.

4. Далее, предочищенная вода собирается в промежуточную буферную емкость, необходимую для корректной работы второй ступени мембранной фильтрации и эффективного удаления остаточной углекислоты пермеата первой ступени.

5. Из емкости с помощью насосной станции Тайфун вода подается на 2 ступень мембранной фильтрации;

6. В качестве второй ступени мембранного разделения предлагается также использование АЙСБЕРГ-RO400Pro-HR Индиго, но уже с использованием высокоселективных мембран, что позволит максимально очистить поток воды от солей;

7. Очищенная вода собирается в накопительные емкости, обеспечивающие бесперебойную работу оборудования и позволяющую обеспечить непрерывность работ, а также эффективность удаления остаточной углекислоты пермеата второй ступени;

8. Далее насосами Тайфун вода подается на блок финишной деионизации воды (Н-ОН ионообменные фильтры);

9. В ионообменных фильтрах в качестве ионитов следует применять смесь сильноосновных анионитов и сильнокислотных катионитов в соотношении, обеспечивающем получение необходимого удельного сопротивления воды;

10. Дополнительная стадии очистки, применение электродеионизатора. Электродеионизация предназначена для очистки пермеата установок обратного осмоса, дополнительная очистка происходит после заменяемой смешанной ионообменной фильтрующей загрузке, обеспечивая тем самым исключительно высокое качество очищенной воды.

Далее следует узел накопления и хранения очищенной воды. Учитывая физико-химические свойства очищенной воды Марки «А», для сохранения свойств подготовленной воды применен подход хранения подготовленной воды в инертной среде, для чего в емкости постоянно поддерживается избыточный объем газовой среды на основе Азота. При изменении объема воды в емкости общий избыток инертной газовой среды поддерживается и исключает контакт воды с атмосферой.

Такое построение технологической схемы промышленного получения деионизированной воды не только обеспечивает максимально возможную степень надежности, но и гарантирует стабильность качества деионизированной воды на ее выходе.

Каждый технологический этап дополнительно оснащен системой контроля эффективности работы, обеспечивая не только существенное снижение риска «проскока» некачественного фильтрата на последующие ступени подготовки воды, но и позволяет оперативно контролировать фактическое состояние системы на каждом технологическом этапе.

Национальным центром водных технологий,  за время работы, внедрено больше двух десятков комплексов получения особочистой и деионизированной воды, которые успешно функционируют в настоящее время в разных уголках страны, от Юга России, до Камчатки.