Дегазация воды

Растворимость газов в воде (закон Генри): Концентрация растворённого газа в воде пропорциональна его парциальному давлению над водой:

C = k_H × P

где:

• C — концентрация газа в воде (мг/л)
• k_H — константа Генри (зависит от температуры и типа газа)
• P — парциальное давление газа над водой (атм)

Влияние температуры: Растворимость газов снижается при нагреве. Например, растворимость O₂ в воде:

• При 0°C: 14.6 мг/л (при атмосферном давлении 1 атм)
• При 20°C: 9.1 мг/л
• При 50°C: 5.6 мг/л
• При 100°C: 0 мг/л (кипение → полное удаление газов)

Это основа термической деаэрации — нагрев воды до температуры насыщения (103-105°C при давлении 1.2 атм) практически полностью удаляет растворённые газы.

Влияние давления: Снижение давления над водой уменьшает растворимость газов. Вакуумная дегазация работает при остаточном давлении 50-200 мбар (0.05-0.2 атм), что снижает растворимость O₂ в 5-20 раз по сравнению с атмосферным давлением.

Типы растворённых газов:

• CO₂ (углекислый газ): 0-50 мг/л в природных водах, до 500-2000 мг/л после H-катионирования. Снижает pH до 5.0-6.0, требует удаления перед OH-анионированием.
• O₂ (кислород): 5-12 мг/л в насыщенной атмосферным воздухом воде. Вызывает коррозию стали, требуется удаление до < 7 мкг/л для котлов > 14 бар, до < 20 мкг/л для котлов < 14 бар.
• H₂S (сероводород): 0-10 мг/л в подземных водах. Запах при > 0.05 мг/л, коррозия меди и бронзы, токсичен (ПДК в воздухе 10 мг/м³).
• NH₃ (аммиак): 0-5 мг/л в поверхностных водах, до 50-200 мг/л в стоках. Коррозия меди, мешает дезинфекции хлором.
• CH₄ (метан): 0-20 мг/л в подземных водах. Взрывоопасен при концентрации в воздухе 5-15%, требует удаления из скважинной воды.

1. Термическая деаэрация (для удаления O₂):

Принцип: Нагрев воды до температуры, близкой к температуре кипения (103-105°C при давлении 1.2 атм), при которой растворимость газов падает до нуля. Пар подаётся в деаэратор, нагревает воду и уносит выделившиеся газы.

Атмосферные деаэраторы (давление 1.05-1.2 атм):

• Температура: 103-105°C
• Остаточный O₂: < 20 мкг/л (норма для котлов < 14 бар)
• Конструкция: струйные тарелки или барботажные устройства для увеличения поверхности контакта вода-пар
• Производительность: 5-500 м³/ч
• CAPEX: 0.5-2 млн руб на 10 м³/ч (корпус, тарелки, насосы, КИПиА)
• OPEX: 0.5-2 руб/м³ (пар для нагрева, электроэнергия)
• Применение: котельные низкого и среднего давления (< 40 бар), ТЭЦ

Вакуумные деаэраторы (давление 0.05-0.2 атм):

• Температура: 30-60°C (кипение при низком давлении)
• Остаточный O₂: < 7 мкг/л (норма для котлов > 40 бар)
• Конструкция: колонна с насадкой + вакуумный насос или пароэжектор
• Производительность: 5-200 м³/ч
• CAPEX: 1.5-4 млн руб на 10 м³/ч (вакуумная колонна, вакуумный насос, конденсатор пара)
• OPEX: 1-3 руб/м³ (электроэнергия вакуумного насоса 0.1-0.3 кВт·ч/м³)
• Применение: котлы высокого давления (> 40 бар), энергетические котлы ТЭС, где требуется O₂ < 7 мкг/л

2. Декарбонизация (удаление CO₂ продувкой воздухом):

Принцип: Противоточная продувка воды воздухом в насадочной колонне. Вода стекает сверху вниз по насадке (кольца Рашига, насадка Палля), воздух подаётся снизу вверх. CO₂ переходит из воды в воздух и удаляется в атмосферу.

Характеристики:

• Эффективность удаления CO₂: 90-99% (с 500-2000 мг/л после H-катионирования до 5-50 мг/л)
• Расход воздуха: 20-40 м³ воздуха на 1 м³ воды (соотношение воздух:вода 20-40:1)
• Высота насадки: 2-4 метра для эффективного массообмена
• Диаметр колонны: рассчитывается исходя из линейной скорости воды 5-10 м³/м²·ч
• CAPEX: 0.3-1 млн руб на 10 м³/ч (колонна FRP или нержавейка, насадка, вентилятор)
• OPEX: 0.2-0.5 руб/м³ (электроэнергия вентилятора 0.02-0.05 кВт·ч/м³)
• Применение: после H-катионирования перед OH-анионированием в схемах деминерализации

Экономический эффект декарбонизации: Без декарбонизации весь CO₂ поступает на OH-анионитовый фильтр:

• Реакция: CO₂ + 2OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O
• На удаление 1 мг CO₂ расходуется 3.6 мг NaOH (щёлочь для регенерации анионита)
• При исходной щёлочности воды 5 мг-экв/л → CO₂ после H-катионирования 220 мг/л → расход NaOH 0.8 кг/м³
• С декарбонизацией (CO₂ снижается до 20 мг/л): расход NaOH 0.07 кг/м³
• Экономия NaOH: 0.73 кг/м³ (в 11 раз!)

3. Продувка воздухом для удаления H₂S и NH₃:

Принцип: Аналогично декарбонизации — продувка воздухом в насадочной колонне.

Удаление H₂S (сероводорода):

• Эффективность: 95-99% (с 1-10 мг/л до < 0.05 мг/л, ниже порога запаха)
• Расход воздуха: 30-50 м³/м³ воды (H₂S менее летуч, чем CO₂)
• Применение: скважинная вода, подземные источники
• Проблема: H₂S окисляется до элементарной серы S⁰ (жёлтый осадок) при контакте с воздухом → требуется последующая фильтрация

Удаление NH₃ (аммиака):

• Условие: pH > 10 (аммиак должен быть в форме NH₃, а не NH₄⁺)
• Эффективность: 80-95% при pH 10.5-11.5
• Расход воздуха: 300-500 м³/м³ воды (аммиак плохо удаляется)
• Применение: очистка промышленных стоков с высоким содержанием NH₃ (50-200 мг/л)

4. Вакуумная дегазация (для удаления O₂, CO₂, H₂S одновременно):

Принцип: Вода распыляется в вакуумную камеру с остаточным давлением 50-200 мбар. Растворённые газы мгновенно выделяются и удаляются вакуумным насосом.

Характеристики:

• Остаточный O₂: < 7 мкг/л
• Остаточный CO₂: < 5 мг/л
• Вакуум: 50-200 мбар (создаётся жидкостно-кольцевым вакуумным насосом или водоструйным эжектором)
• Температура: 30-60°C (кипение при низком давлении)
• CAPEX: 1.5-4 млн руб на 10 м³/ч
• OPEX: 1-3 руб/м³ (электроэнергия вакуумного насоса)
• Применение: энергетические котлы высокого давления, деминерализация для электроники (требуется низкий O₂ и CO₂)

5. Мембранные контакторы (современный метод):

Принцип: Гидрофобные полые волокна (мембраны из полипропилена, PVDF) с порами 0.02-0.2 мкм. Вода течёт внутри или снаружи волокон, газы диффундируют через поры в газовое пространство, откуда удаляются вакуумом или продувочным газом (азот, воздух).

Преимущества vs насадочные колонны:

• Компактность: площадь массообмена 500-1500 м²/м³ модуля (в 10-20 раз выше, чем у насадочных колонн)
• Отсутствие уноса воды (нет контакта вода-воздух)
• Нет пенообразования
• Модульная конструкция (легко масштабировать)

Характеристики:

• Удаление CO₂: 90-99% (с 500 мг/л до 5-50 мг/л)
• Удаление O₂: 80-95% (с 8 мг/л до 0.4-1.6 мг/л, требуется дополнительная химическая деаэрация сульфитом для O₂ < 7 мкг/л)
• Расход продувочного газа (азот): 2-5 м³ N₂ на 1 м³ воды (в 5-10 раз меньше, чем у насадочных колонн)
• CAPEX: 1-2.5 млн руб на 10 м³/ч (мембранные модули, вакуумный насос или подача азота)
• OPEX: 0.5-1.5 руб/м³ (электроэнергия или азот)
• Срок службы мембран: 3-7 лет
• Применение: деминерализация для полупроводников, фармацевтика, лаборатории (где важна компактность)

6. Химическая деаэрация (связывание O₂):

Принцип: Дозирование восстановителей (сульфит натрия Na₂SO₃ или гидразин N₂H₄), которые химически связывают растворённый кислород.

Реакции:

• Сульфит натрия: 2Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄ (расход 8 мг Na₂SO₃ на 1 мг O₂)
• Гидразин: N₂H₄ + O₂ → N₂ + 2H₂O (расход 1 мг N₂H₄ на 1 мг O₂)

Характеристики:

• Остаточный O₂: < 7 мкг/л (при избытке реагента 0.1-0.2 мг/л)
• Температура: > 80°C для ускорения реакции (при 20°C реакция идёт медленно)
• CAPEX: 0.1-0.3 млн руб (дозирующий насос, бак для реагента)
• OPEX: 0.5-2 руб/м³ (стоимость Na₂SO₃ 60-100 руб/кг, расход 0.08-0.16 кг/м³ при O₂ 10 мг/л)
• Применение: дополнение к термической деаэрации (дозирование после деаэратора для "дошлифовки" O₂ < 7 мкг/л), малые котельные без деаэраторов

Проблема гидразина:

• Гидразин N₂H₄ — канцероген (запрещён в ЕС и США для новых котельных)
• Замена: сульфит натрия (менее эффективен, но безопасен) или каталитическая деаэрация

Деаэрация для котельных:

Декарбонизация для деминерализации:

Удаление H₂S для питьевой воды:

Удаление CO₂ для UPW (ультрачистая вода электроники):

Котельные (деаэрация O₂):

• Котлы низкого давления (< 14 бар): атмосферный деаэратор, O₂ < 20 мкг/л
• Котлы среднего давления (14-40 бар): атмосферный деаэратор + химическая деаэрация (Na₂SO₃), O₂ < 10 мкг/л
• Котлы высокого давления (> 40 бар): вакуумный деаэратор, O₂ < 7 мкг/л
• Производительность: 5-500 м³/ч
• CAPEX: 0.5-5 млн руб в зависимости от типа и производительности
• OPEX: 0.5-3.5 руб/м³

Деминерализация (декарбонизация CO₂):

• После H-катионирования: CO₂ 200-2000 мг/л → после декарбонизации < 5-50 мг/л
• Схема: H-катионит → декарбонизатор → OH-анионит → Mixed Bed
• Экономия: 90-95% расхода NaOH на регенерацию анионита
• Производительность: 5-100 м³/ч
• CAPEX: 0.3-2.5 млн руб
• OPEX: 0.2-1.5 руб/м³

Питьевое водоснабжение (удаление H₂S, CO₂, CH₄):

• Скважинная вода: H₂S 0.1-10 мг/л, CO₂ 10-100 мг/л, CH₄ 1-20 мг/л
• Метод: аэрация (напорная или безнапорная) + фильтрация
• Производительность: 5-100 м³/ч
• CAPEX: 0.2-2 млн руб
• OPEX: 0.1-0.8 руб/м³

Электроника и полупроводники (UPW — ультрачистая вода):

• Требования: CO₂ < 1 мг/л, O₂ < 1 мкг/л (для минимизации коррозии и частиц)
• Метод: мембранные контакторы + вакуумная дегазация
• Производительность: 5-50 м³/ч
• CAPEX: 2-5 млн руб на 10 м³/ч
• OPEX: 1-2.5 руб/м³

Фармацевтика (PW — Purified Water, WFI — Water for Injection):

• Требования: TOC < 500 ppb, CO₂ контролируется (влияет на проводимость)
• Метод: декарбонизация после RO, деаэрация перед дистилляцией WFI
• Производительность: 2-20 м³/ч
• CAPEX: 1-3 млн руб
• OPEX: 0.5-1.5 руб/м³

1. Расчёт декарбонизатора: Высота насадки рассчитывается по числу единиц переноса (NTU — Number of Transfer Units):

NTU = ln[(C_in - C_out_equilibrium) / (C_out - C_out_equilibrium)]

Высота насадки H = NTU × HTU, где HTU (Height of Transfer Unit) = 0.5-1.0 м для насадок Палля.

Для снижения CO₂ с 500 мг/л до 20 мг/л при расходе воздуха 30 м³/м³ требуется высота насадки 2.5-3.5 м.

2. Температура деаэрации: Оптимальная температура атмосферного деаэратора: 103-105°C (соответствует давлению 1.1-1.2 атм). При T < 100°C растворимость O₂ резко растёт:

• 95°C: O₂ остаточный 50-100 мкг/л (не подходит для котлов > 14 бар)
• 103°C: O₂ остаточный 10-20 мкг/л
• 105°C: O₂ остаточный 5-10 мкг/л

3. Избыток реагента для химической деаэрации: Дозировать Na₂SO₃ с избытком 20-30% от стехиометрии для гарантии O₂ < 7 мкг/л:

• Расчётная доза: 8 мг Na₂SO₃ на 1 мг O₂
• Рабочая доза: 10-12 мг Na₂SO₃ на 1 мг O₂
• Контроль: остаточный сульфит 0.1-0.2 мг/л в деаэрированной воде

4. Материалы для декарбонизаторов:

• Корпус: FRP (стеклопластик) для воды pH 4-9, нержавеющая сталь 304/316L для pH 2-12
• Насадка: полипропилен (PP), полиэтилен (PE), нержавейка (для T > 60°C)
• Не использовать углеродистую сталь: коррозия при низком pH воды после H-катионирования (pH 4-5)

5. Защита от уноса воды в декарбонизаторе: При высокой скорости воздуха (> 3 м/с в свободном сечении колонны) происходит унос капель воды с воздухом. Решение:

• Установить каплеуловитель (сетчатый или пластинчатый) в верхней части колонны
• Снизить скорость воздуха (увеличить диаметр колонны)
• Потери воды должны быть < 0.1% от производительности

6. Интеграция декарбонизатора в схему деминерализации: Оптимальное место декарбонизатора:

• После H-катионита (для удаления CO₂ перед OH-анионитом)
• Перед RO (для снижения CO₂ в пермеате RO, который имеет pH 5-6.5 из-за CO₂)

При установке декарбонизатора после RO:

• Снижение CO₂ с 20-50 мг/л до < 5 мг/л
• Повышение pH пермеата с 5.5-6.5 до 7.5-8.5
• Защита от коррозии трубопроводов нержавейки (низкий pH + остаточный хлор → точечная коррозия)