DE19603494A1 - Water softening process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilentsalzung von Wasser, insbesondere unter Wiederverwertung von Konzentraten, die in membranbetriebenen Wasserentsalzungsanlagen als Abfall produkt anfallen.The invention relates to a process for the partial desalination of Water, especially with recycling of concentrates, as waste in membrane-operated water desalination plants product.
Vor allem Kraftwerke, die Elektronikindustrie, pharmazeutische und chemische Industrie, Papierfabriken, die Galvanikbranche sowie Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwenden als Pro zeßwasser, beispielsweise Produktionswasser, Kesselspeisewas ser, Spülwasser und Kühlwasser vollentsalztes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von in der Regel zwischen 0,055 und 10 µS/cm.Mainly power plants, the electronics industry, pharmaceutical and chemical industry, paper mills, the electroplating industry as well as food and beverage industries use as a pro zeßwasser, for example production water, boiler feed water demineralized water with a electrical conductivity usually between 0.055 and 10 µS / cm.
Das in der Regel zur Verfügung stehende Oberflächen- und Fluß wasser enthält neben suspendierten, d. h. ungelösten anorgani schen und organischen Bestandteilen zahlreiche gelöste ein- und mehrwertige Ionen. Die Verwendung solcher Wässer in der Technik als Prozeßwasser setzt daher die Reduzierung dieser gelösten und ungelösten Verunreinigungen auf unkritische Werte im jeweiligen Zulässigkeitsbereich voraus.The surface and river usually available In addition to suspended, d. H. undissolved inorganic and dissolved in numerous dissolved and polyvalent ions. The use of such waters in the Technology as process water therefore reduces this dissolved and undissolved impurities to uncritical values advance in the respective admissibility area.
Zur notwendigen Wasseraufbereitung sind verschiedene techni sche Verfahren bekannt, die üblicherweise aus einer Kombina tion einer Vorbehandlungsstufe und einer Teil- oder Voll entsalzungsstufe bestehen.Various technologies are available for the necessary water treatment cal process known, usually from a Kombina tion of a pre-treatment level and a partial or full desalination level.
Üblicherweise durchläuft das zu behandelnde Rohwasser zunächst eine erste Vorbehandlungsstufe, in der unter Zugabe von Alka lien - zumeist Kalkmilch Ca(OH)₂ - Metallhydroxide und Calci umcarbonat zu einem Großteil ausgefällt werden. Um gleichzei tig organische Kolloide mitzufällen, kann zusätzlich die Zugabe von Koagulanten, z. B. Eisensalze, zum Rohwasser erfol gen. Die Absinkzeit der gefällten Carbonate und Hydroxide läßt sich durch die Zugabe von Flockungshilfsmitteln, z. B. organi sche Polyelektrolyte, verbessern. Eine anschließende Bettfil tration sorgt für partikel- und -carbonatarmes Wasser.Usually, the raw water to be treated first runs through a first pretreatment stage, in which Alka lien - mostly lime milk Ca (OH) ₂ - metal hydroxides and calci umcarbonate can be largely precipitated. At the same time co-precipitating organic colloids can additionally Addition of coagulants, e.g. B. iron salts to untreated water The sink time of the precipitated carbonates and hydroxides leaves yourself by adding flocculants, e.g. B. Organi cal polyelectrolytes, improve. A subsequent bed fil tration ensures water that is low in particles and carbonate.
Es ist weiter bekannt, zur Prozeßwasseraufbereitung Ionenaus tauscher, gegebenenfalls zusammen mit anderen Separationspro zessen, einzusetzen.It is also known to process ions from process water exchanger, possibly together with other separation pro zessen, use.
Bei einem bekannten Verfahren zur Wasservollentsalzung durch Ionenaustausch durchläuft das Rohwasser nach der Vorbehandlung in Abhängigkeit von der Rohwasserzusammensetzung eine Kombina tion von schwachen und starken Kationen- und Anionenaustau schern sowie Mischbettaustauschern. Die Ionenaustauscher er schöpfen während dieses Beladungszyklus. Zur Herstellung der erneuten Arbeitsfähigkeit müssen sie durch Zugabe entsprechen der Säuren und Laugen regeneriert werden. Üblicherweise werden dabei die Kationenaustauscherharze mit starken Säuren, wie z. B. Salzsäure, und die Anionenaustauscher mit starken Basen, wie Natronlauge, regeneriert. Diese Regenerierung erfordert jedoch den Einsatz und die Lagerung großer Mengen an Säuren und Laugen. Nach dem Einsatz zur Regenerierung werden die Säu ren und Laugen neutralisiert. Das so erhaltene Abwasser führt je nach Salzgehalt des Rohwassers und der Verfahrensparameter eine Salzfracht von bis zu 80 g/l mit sich, die bei Ableitung in den natürlichen Wasserkreislauf unter anderem langfristig zu einer Veränderung des biologischen Gleichgewichtes in na türlichen Gewässern führt. Es ist daher vielfach geboten, diese konzentrierte Salzlösung nicht einfach abzuleiten, son dern in geeigneter Weise zu verringern bzw. aufzuarbeiten.In a known method for demineralizing water Ion exchange passes through the raw water after the pretreatment depending on the raw water composition a Kombina weak and strong cation and anion exchange shear and mixed bed exchangers. The ion exchanger scoop during this loading cycle. To make the they must correspond to the ability to work again by adding the acids and bases are regenerated. Usually the cation exchange resins with strong acids, such as. B. Hydrochloric acid, and the anion exchangers with strong bases, like sodium hydroxide, regenerated. This regeneration requires however the use and storage of large amounts of acids and lyes. After use for regeneration, the sau neutralized. The waste water thus obtained leads depending on the salinity of the raw water and the process parameters a salt load of up to 80 g / l with it when discharged in the natural water cycle, among other things, long-term to change the biological balance in na leads to natural waters. It is therefore often required not simply to derive this concentrated saline solution, son to reduce or process them in a suitable manner.
Um die Standzeit der Ionenaustauscher zu verlängern und so eine Verringerung der notwendigen Regenerationschemikalien zu erreichen, ist es bekannt, zwischen Vorbehandlungsstufe und Ionenaustauscherstufe eine Teilentsalzungsstufe vorzusehen. Zur Teilentsalzung kommen dabei Membrantrennverfahren wie Um kehrosmose (RO) und Elektrodialyse (ED) zum Einsatz. Da die Wässer nach der ersten Vorbehandlungsstufe noch erhebliche An teile an Härte- und Foulingbildnern enthalten, werden in einer zweiten Vorbehandlungsstufe verschiedene Fällungsinhibitoren und Säure zur Reduktion von HCO₃⁻ und CO₃2- vor der RO/ED-Stufe zudosiert, um ein Verblocken der Membranen zu vermeiden.In order to extend the service life of the ion exchanger and thus to reduce the necessary regeneration chemicals, it is known to provide a partial desalination stage between the pretreatment stage and the ion exchanger stage. Membrane separation processes such as reverse osmosis (RO) and electrodialysis (ED) are used for partial desalination. Since the water after the first pretreatment stage still contains considerable amounts of hardness and fouling agents, various precipitation inhibitors and acid for reducing HCO₃⁻ and CO₃ 2- are added before the RO / ED stage in a second pretreatment stage to block the membranes to avoid.
Das so teilentsalzte Diluat wird üblicherweise in weiteren Verfahrensschritten auf die erforderliche Reinheit konditi oniert. Neben dem teilentsalzten Wasser erzeugen diese Mem brantrennverfahren aufkonzentrierte Mischsalzlösungen, die ein- und mehrwertige Ionen, Silikate, organische Stoffe sowie Inhibitoren und Säure enthalten und in der Regel als nicht verwertbare Abwässer entsorgt werden.The diluate thus partially desalinated is usually used in further Process steps to the required purity oniert. In addition to the demineralized water, these produce memes industry-specific concentrated salt solutions, the mono- and polyvalent ions, silicates, organic substances as well Inhibitors and acid contain and usually as not usable waste water are disposed of.
Aus der US 4,880,513 ist weiter ein Verfahren der Elektrodia lyse mit bipolaren Membranen (EDBM) bekannt, bei dem Salzlö sungen aus NaCl in die korrespondierende Säure HCL und die korrespondierende Lauge NaOH gespalten und diese dann zur Re generation von Ionenaustauschern verwendet werden.Another method of electrodia is known from US Pat. No. 4,880,513 lysis with bipolar membranes (EDBM) known, in which salt solution solutions of NaCl in the corresponding acid HCL and the Corresponding lye NaOH split and then to the Re generation of ion exchangers can be used.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Teilentsalzung von Wasser unter Verwendung eines Membrantrennverfahrens zu lie fern, das das wirtschaftlich durchführbar ist und bei dem die zusätzliche Dosage von Chemikalien in den dem Membrantrennver fahren vorgeschalteten Vorbehandlungsstufen reduziert werden kann.Based on this state of the art, it is the task of present invention, a process for the partial desalination of Water using a membrane separation process far that is economically feasible and where the additional dosage of chemicals in the membrane separator drive upstream pretreatment levels can be reduced can.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach der Lehre des Pa tentanspruchs 1 gelöst.This task is accomplished through a procedure according to the teaching of Pa claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of Subclaims.
Zunächst einmal erfolgt in an sich bekannter Weise beim Ver fahren zur Teilentsalzung von Wasser gemäß der Erfindung in einer ersten Vorbehandlungsstufe durch Zugabe von Alkalien eine erhebliche Reduzierung insbesondere von Härtebildnern, Eisen, Silikat und gegebenenfalls organischen Stoffen des Roh wassers mittels Fällung auf unkritische Werte. In einer zwei ten Vorbehandlungsstufe wird sodann in einem zumindest schwach sauren Kationenaustauscher unter weitgehender Entfernung mehr wertiger Kationen das aus der ersten Vorbehandlungsstufe kom mende Wasser so konditioniert, daß nach Durchlauf einer nach geschalteten Membrantrennstufe ein teilentsalztes Wasser als Permeat und eine konzentrierte Salzlösung mit niedrigen Gehal ten an Calcium, Eisen, Silikaten und organischen Stoffen er halten wird.First of all, in a manner known per se, when Ver drive to partial desalination of water according to the invention in a first pretreatment stage by adding alkalis a considerable reduction in hardness formers in particular, Iron, silicate and possibly organic raw materials water by precipitation to uncritical values. In a two The pretreatment stage then becomes at least weak in one acidic cation exchanger with extensive distance more valuable cations that come from the first pretreatment stage water so conditioned that after passing one after switched membrane separation stage as a demineralized water Permeate and a concentrated saline solution with low levels calcium, iron, silicates and organic substances will hold.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Aufspaltung oder Zerlegung des bei Membrantrennverfahren anfallenden Konzentrats mittels Elektrodialyse mit bipolaren Membranen unter Bildung einer Mischsäure, einer Mischlauge und einer abgereicherten Salzlö sung.According to the invention, the concentrate obtained in membrane separation processes Electrodialysis with bipolar membranes to form a Mixed acid, a mixed liquor and a depleted brine solution.
Wenngleich das Verfahren der der Elektrodialyse mit bipolaren Membranen zur Trennung von Konzentratlösungen in Mischsäuren und Mischlaugen für sich im Prinzip bekannt war, fand es den noch praktisch keine Anwendung, da es bisher für diese Misch säuren und -laugen keine Verwendung gab.Although the method of electrodialysis with bipolar Membranes for the separation of concentrate solutions in mixed acids and mixed lye was known in principle, it found the still practically no application as it has been used for this mixing acids and alkalis were not used.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er findung wird die Mischlauge als Alkali in der ersten Vorbe handlungsstufe und/oder die Mischsäure zur Regeneration der zweiten Vorbehandlungsstufe verwendet. Dadurch wird die Menge der in den beiden Vorbehandlungsstufen notwendigen Chemika lien, nämlich Säuren und Laugen entscheidend reduziert. Diese Kreislaufführung setzt eine abgestimmte Vorbehandlung voraus, die in der Lage ist, die mehrwertigen Metallkationen sowie Si likate, Carbonate und organische Verunreinigungen zu entfer nen, so daß zum großen Teil einwertige Kationen dem Membran verfahren zugeführt werden.According to a particularly preferred embodiment of the Er The solution is the alkali in the first preparation action level and / or the mixed acid for regeneration of the second pretreatment level used. This will make the crowd the chemicals required in the two pretreatment stages lien, namely significantly reduced acids and alkalis. This Circulation management requires a coordinated pretreatment, which is capable of the polyvalent metal cations and Si remove likate, carbonate and organic contaminants nen, so that for the most part monovalent cations the membrane procedures are supplied.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige In the following, the invention is based on only one Exemplary embodiment illustrating the drawing. It shows the only one
Fig. 1 in scheinatischer blockdiagrammartiger Darstel lung ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin dung. Fig. 1 in a schematic block diagram-like presen- tation a method according to the present inven tion.
Das Rohwasser, beispielsweise aus einem Fluß entnommene Was ser, wird in nicht dargestellter Weise zunächst gesiebt, um grobe Partikel, Schwebstoffe und dergleichen abzutrennen.The raw water, for example what was taken from a river ser, is first sieved in a manner not shown to remove coarse particles, suspended matter and the like.
Anschließend erfolgt in einer ersten Vorbehandlungsstufe VB1 eine alkalische Konditionierung des Rohwassers auf einen pH-Wert < 10 in einem Absetzbecken unter Zugabe von Mischlauge, Koagulant und Flockungshilfsmittel zur Ausfällung von mehrwer tigen Metallhydroxiden und Metallcarbonaten. Dabei erfolgt gleichzeitig eine teilweise Reduzierung von Silikaten und organischen Kolloiden durch Mitfällung in Flocken von CaCO₃, Magnesium- und Eisenhydroxid. Der ausgefällte Schlamm wird abgeführt.This is followed by VB1 in a first pretreatment stage an alkaline conditioning of the raw water to one pH value <10 in a sedimentation tank with the addition of mixed lye, Coagulant and flocculant to precipitate more term metal hydroxides and metal carbonates. This is done at the same time a partial reduction of silicates and organic colloids by co-precipitation in flakes of CaCO₃, Magnesium and iron hydroxide. The precipitated sludge will dissipated.
Falls die Konzentration von Calcium- und Magnesiumsalzen im Rohwasser nicht ausreicht, eine ausreichend große Menge von Mg(OH)₂ als Adsorptionsmittel zu liefern und um ein optimales Verhältnis von CaCO₃/Mg(OH)₂ in der Fällungsstufe zu erzielen, kann in der ersten Vorbehandlungsstufe VB1 eine zusätzliche Dosierung von Calcium- und Magnesiumsalzen, z. B. CaCl₂ oder MgCl₂, erfolgen.If the concentration of calcium and magnesium salts in the Raw water is not sufficient, a sufficiently large amount of Mg (OH) ₂ to deliver as an adsorbent and to achieve an optimal To achieve the ratio of CaCO₃ / Mg (OH) ₂ in the precipitation stage, can in the first pre-treatment stage VB1 an additional Dosage of calcium and magnesium salts, e.g. B. CaCl₂ or MgCl₂ take place.
Nach dem Verlassen der ersten Vorbehandlungsstufe VB1 erfolgt bei dem in der Fig. 1 dargestellten Verfahren eine Bettfiltra tion BF zur Entfernung von Resttrübungen aus der Fällungs stufe.After leaving the first pretreatment stage VB1, a bed filtration BF takes place in the method shown in FIG. 1 to remove residual turbidity from the precipitation stage.
In einer zweiten Vorbehandlungsstufe VB2 erfolgt eine weitere Vorbehandlung zur Entfernung restlicher Härtebildner und Ei sen. Diese zweite Vorbehandlungsstufe VB2 umfaßt einen schwach sauren Kationenaustauscher insbesondere zur Entfernung von Restgehalten zweiwertiger Metallionen (Calcium, Magnesium) und Eisen zur Erzeugung einer Mischsalzlösung, deren Kationen überwiegend einwertig sind. Die so beschriebene Vorbehandlung vermindert die Anfälligkeit, insbesondere die Verblockungsnei gung, der folgenden Membrantrennstufe zur Wasserteilentsalzung gegenüber Härtebildnern, Silikatscaling und organischen Fouling.In a second pretreatment stage VB2 there is another Pretreatment to remove residual hardness and egg sen. This second pretreatment stage VB2 comprises a weak one acidic cation exchanger in particular for the removal of Residual contents of divalent metal ions (calcium, magnesium) and Iron to produce a mixed salt solution, its cations are predominantly monovalent. The pretreatment described in this way reduces susceptibility, especially blocking gung, the following membrane separation stage for partial water desalination against hardness formers, silicate scaling and organic Fouling.
Nach der zweiten Vorbehandlungsstufe VB2 wird das behandelt Wasser einer Membrananlage zur Wasserteilentsalzung zugeführt. Diese Membrantrennanlage arbeitet in an sich bekannter Weise nach dem Verfahren der Umkehrosmose oder Elektrodialyse. Das teilentsalzte Wasser wird als Permeat der Membrananlage abge führt und einer Reinwasserstufe unterzogen; das erhaltene und ebenfalls abgeführte Konzentrat enthält die nicht bereits durch die Vorbehandlung entzogene Salzfracht.This is dealt with after the second pre-treatment stage VB2 Water supplied to a membrane system for partial water desalination. This membrane separation plant works in a manner known per se using reverse osmosis or electrodialysis. The partially demineralized water is removed as the permeate of the membrane system leads and subjected to a pure water level; the received and also removed concentrate does not already contain salt load removed by the pretreatment.
Während bei den bisher bekannten Verfahren das Konzentrat entsorgt wird, wird gemäß der Erfindung das Konzentrat bzw. die Konzentratlösung mittels Elektrodialyse mit bipolaren Membranen EDBM in Mischlauge und Mischsäure gespalten. Dabei werden vorzugsweise Laugen- und/oder Säurenkonzentrationen zwischen 0,5 und 6 Gew.-% eingestellt.While in the previously known processes the concentrate is disposed of, the concentrate or the concentrate solution by means of electrodialysis with bipolar Split EDBM membranes in mixed lye and mixed acid. Here are preferably alkali and / or acid concentrations between 0.5 and 6 wt .-% set.
Die im Elektrodialyseverfahren EDBM erhaltene Mischlauge wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel einem Lagerbehälter V1 zugeführt und dort zwischengespeichert. In analoger Weise er folgt eine Zwischenspeicherung der erhaltenen Mischsäure in einem Lagerbehälter V2.The mixed liquor obtained in the EDBM electrodialysis process is in the illustrated embodiment, a storage container V1 fed and cached there. In an analogous way he the mixed acid obtained is temporarily stored in a storage container V2.
Die weiter als Endprodukt des Elektrodialyseverfahrens EDBM abgereicherte Salzlösung kann als Rohwasseranteil erneut dem Kreislauf bzw. der ersten Vorbehandlungsstufe VB1 zur erneuten Reinigung zugeführt werden.The further as the end product of the EDBM electrodialysis process depleted salt solution can again as the raw water portion Circuit or the first pretreatment stage VB1 for renewed Cleaning can be supplied.
Aus dem Lagerbehälter V1 erfolgt kontinuierlich und/oder be darfsgesteuert eine Zuführung der gespeicherten Mischlauge in das Absatzbecken der Vorbehandlungsstufe VB1 zur pH-Wert-Ein stellung des dort zu behandelnden Rohwassers. Die regenerativ erhaltene Mischlauge ersetzt so die üblicherweise erforder liche Dosage von Zusatzlaugen.From the storage container V1 takes place continuously and / or be controlled feeding of the stored mixed liquor into the sales basin of the pre-treatment level VB1 for pH-on position of the raw water to be treated there. The regenerative the mixed liquor obtained replaces the usually required Dosage of additional alkalis.
Die im Lagerbehälter V2 zwischengespeicherte Mischsäure wird während der Regenerationsphase dem schwachen Kationenaustau scher der Vorbehandlungsstufe VB2 zugeführt. Dadurch entfällt die zur Regeneration üblicherweise erforderliche Dosage von Zusatzsäuren oder wird zumindest entscheidend verringert.The mixed acid temporarily stored in storage tank V2 is weak cation exchange during the regeneration phase shear of the pre-treatment stage VB2. This eliminates the dosage of regeneration usually required Additional acids or is at least significantly reduced.
Die bei der Regeneration erhaltene Regenerantlösung wird in üblicher Weise entsorgt, z. B. der Kanalisation zugeführt.The regenerant solution obtained during the regeneration is in disposed of in the usual way, e.g. B. supplied to the sewer.
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