Инсталации за обезсоляване

Oбезсоляването е процес на премахване на соли от морска или полусолена вода чрез различни процеси и съоръжения с цел получаване на вода за питейни или технологични нужди. Съоръженията за обезсоляване са важна част от водоснабдителната инфраструктура.

От отпадъчните продукти в процесите на обезсоляване могат да се произвеждат различни полезни продукти като готварска сол (натриев хлорид) например. Най-широко използваната технология за обезсоляване е обратната осмоза. Алтернативни техники за обезсоляване са дестилацията, електродиализата и йонният обмен.

Схема на примерна инсталация за обратна осмоза
Инсталациите за обезсоляване обикновено се състоят от система за предварително третиране, система за последващо третиране и модул за обезсоляване (обезсоляващ блок). Високонапорни помпи увеличават налягането на подаваната към инсталацията вода до необходимите нива.

Тези нива са в пъти по-високи от осмотичното налягане с цел да създадат достатъчен поток на водата през специална мембрана. Колкото по-високо е налягането, толкова повече вода бива екструдирана през мембраната. Регулатор на високо налягане контролира налягането в мембраните. Инсталацията включва още дебитомери и измерватели на налягане за регулиране на процеса. В системата са интегрирани и различни решения за сигурност като регулатори на ниско налягане и кондуктометри с праг за сигурност.

Модули за обезсоляване
Модулите за обезсоляване в инсталациите се състоят от даден брой мембрани за обратна осмоза, разположени в няколко резервоара под налягане, които са подредени в определен ред. Подаваната вода, която се изпомпва в модула, се разделя на вода с ниско и вода с високо съдържание на соли. Водата с ниска концентрация на соли се нарича пермеат, а другата – концентрат.

Потокът на концентрата се регулира от резервоар за високо налягане, който се намира в него. Резервоарът контролира какво количество от изходния разтвор да напуска модула с потока на концентрата. В т. нар. спирални модули, които се състоят от няколко мембрани, разположени в резервоар под налягане, изходният разтвор преминава през съда по спираловидни канали.

Във вътрешността на резервоара спиралните мембрани са свързани помежду си, като постепенно повишават концентрацията на подаваната вода. Когато концентратът премине през последната мембрана, той достига до специален клапан, който освобождава налягането. Пермеатът от всеки мембранен елемент се събира в тръба, разположена централно в спиралната мембрана. Извън резервоара под налягане пермеатът се улавя от дренажна система и се извежда от съоръжението.

Предимства на спиралните мембранни модули
Специфично предимство на спиралните мембранни модули е фактът, че могат да бъдат разположени последователно в рамките на всеки съд под налягане. Това означава, че изходният разтвор преминава през мембраната по една тръбна система множество пъти. Кухите нишкови модули за обезсоляване нямат такава възможност, следователно се нуждаят от отделни дренажни системи за изходния разтвор, пермеата и концентрата. Кухите нишкови инсталации, който се конструират в промишлени мащаби, се характеризират с високи системни разходи, основно за изграждане и обезпечаване на дренажните системи.

Дизайн на системата
Инсталациите за обезсоляване са цялостни системи, в които изходният разтвор се подава, третира и извежда през различни отходни тръби за пермеата и концентрата. Данните от входните и отходните тръби трябва винаги да се сверяват с цел адекватен анализ на продукта, налягането на подаваната вода и задържаните/премахнати соли.
Проектантите на системи за обратна осмоза целят минимално налягане в мембраните и минимални разходи за инсталация за максимално задържане на соли и възстановяване на полезния продукт.

Извличането на питейна вода от инсталации за обезсоляване на полусолена вода е около 85%. Този процент зависи от разтворимостта на суспендираните твърди вещества в изходния разтвор. При обезсоляване на морска вода се цели извличане на 40 до 50%. Извличането на прясна вода зависи от осмотичното налягане на изходния разтвор и типовете мембрани, използвани в процеса.

Системите за мембранна филтрация обикновено се проектират за поддържане на непрекъснати процеси. Това е възможно при постоянно подаване на изходен разтвор и постоянен поток на пермеата, както и стабилен процент на извличане. Същото важи и за инсталациите за обратна осмоза. Вариациите в температурата на водата през денонощието и степента на соленост на изходния разтвор се компенсират чрез регулиране на подаваното налягане в системата.

Многостепенни системи
Системите за обезсоляване, при които процесът се извършва на повече от един етап (цикъл), се наричат многостепенни. Те могат да постигнат по-високи проценти на извличане на прясна вода и отпаден продукт, без да бъдат възпрепятствани от лимита на извличане на отделните елементи в системата. За да се постигне извличане до 70%, обикновено третирането на изходния разтвор се извършва на два етапа.

За още по-добри резултати се прилагат три или повече цикли. При системи с по-висок капацитет е необходимо последователното разполагане на повече елементи (модули с мембрани). Броят на мембраните зависи от проектирания поток. При обезсоляване на морска вода лимитът е максимално подавано налягане от 69 бара.

Особености на технологията
В зависимост от специфичния дизайн на инсталацията се изисква определено налягане. Потокът, загубите на енергия в системата и осмотичното налягане определят изходното налягане, необходимо за обезсоляване. То нараства с постепенното замърсяване и запушване на мембраните през годините. На теория, за да се поддържа постоянно налягане с течение на времето, е необходима помпа, позволяваща генериране на по-голям поток от първоначалния. На практика помпа, увеличаваща изходното налягане с около 25%, би била достатъчна.

Когато системата се стартира, изходните параметри се измерват, записват и съхраняват. Всички релевантни променливи трябва да бъдат отчетени и регистрирани. Благодарение на тази информация ефективността на системата може да бъде измервана и проследявана с времето. Съвременните решения за обезсоляване разполагат с автоматизирани системи за мониторинг на параметрите.

Мониторинг
При мониторинг на инсталациите за обезсоляване се извършват измервания на потока, налягането и проводимостта на водата. Отчитат се изходното налягане и потокът на пермеата за всеки етап на пречистване. Изходното налягане зависи от температурата на изходния разтвор. При по-ниска температура на подаваната вода се изисква по-високо налягане, за да се постигне същата степен на извличане. Когато има колебания в температурата на водата, потокът на пермеата трябва да бъде нормализиран, за да е възможно отчитане и сравняване на параметрите спрямо изходната ситуация.

Ако инсталациите функционират нормално, проводимостта на пермеата е ниска, тъй като едновалентните и бивалентните йони се отстраняват. При теч в някоя от мембраните, проводимостта нараства. Ето защо системите за мониторинг извършват стриктни измервания на тази променлива. Адекватен мониторинг на инсталацията би показал на оператора и кога съоръжението се нуждае от почистване.

Допустими материали
В инсталациите за обезсоляване средата е агресивна и води до корозия на дадени компоненти от системата. Ето защо е необходимо да се използват материали, устойчиви на химични и механични въздействия. Въпреки че използваните за изработката на компоненти за обезсоляващи инсталации материали обикновено са устойчиви на корозия, е необходимо те да бъдат и устойчиви на високо налягане, вибрации и високи температурни амплитуди.

Потенциал за енергоспестяване
В системите за обезсоляване концентратът се извежда под налягане, ето защо е важно да се осигурят решения, които да уловят енергията от това налягане и да я върнат обратно в системата или да я оползотворят за други цели. В много приложения за тази цел се използва обменник на налягане. Потокът на концентрата от мембраните се насочва към обменника, който директно пренасочва енергията към подавания изходен разтвор.

Потокът на подаваната вода сега е със същата големина като потока на концентрата. Той ще бъде насочен към малка бустерна помпа, която коригира хидравличните загуби в потока. Накрая усиленият поток на изходния разтвор се присъединява към потока от високонапорната помпа.

В инсталации с интегриран обменник на налягане високонапорните помпи обикновено осигуряват 41% от необходимата енергия, бустерните помпи – около 2%, а обменникът – останалите 57%. Обменниците на налягане не използват външни енергоизточници, следователно общите икономии на енергия са в размер на 57%.