ChSTU repository

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., професор 
    _________Геннадій СТОЛЯРЕНКО 
                                                                       «____»  _________________2023р. 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ВІД ПОЛЮТАНТІВ МЕМБРАННИМИ 
МЕТОДАМИ. 
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник Виконавець роботи 
д.т.н., професор магістрант 
  
__________Тетяна СОЛОДОВНИК __________ Людмила ГУБАР 
  
  
  
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
Черкаси 2023 
 
 
ВСТУП 
 
Актуальність дослідження. Наявність у природній воді органічних 
речовин значно погіршує її якість, – колір, смак та запах, що стає на заваді 
самоочищенню та біологічному балансу. 
Але найбільші проблеми виникають через наявність у воді природних 
органічних речовин, які є перекурсорами побічних продуктів дезінфекції води 
хлором, що сприяє утворенню сполук канцерогенної дії. Наявність у воді 
таких сполук може перешкоджати, в майбутньому, їх очищенню коагуляцією, 
адсорбцією чи мембранними методами.  
Природними органічними забрудниками води є частинки рослинного та 
тваринного походження, а також біомаса мертвих мікроорганізмів. Органічні 
речовини, що вимиваються з ґрунтів стають причиною органічного 
забруднення води.  
Особлива потреба у вирішенні цього питання виникає при 
водозабезпеченні малонаселених пунктів та окремо розташованих від великих 
міст підприємств. Специфіка їх водопостачання робить перспективним 
використання баромембранних технологій для очищення води завдяки 
компактності мембранних установок, можливості їх автоматизації, 
мінімальній кількості обслуговуючого персоналу. Останнім часом особлива 
увага приділяється очищенню води з природних джерел методом 
ультрафільтрації, оскільки вона є ефективною при сепарації суспензій, 
колоїдів, очищенні води від патогенних мікроорганізмів. Мета 
мікрофільтрації вилучати великі частинки та частинки рослинного і 
тваринного походження, які зависли у воді. 
Через скид недостатньо очищених вод, які надходять поверхневим 
стоком з сільськогосподарських угідь, промислових підприємств та через 
зростання антропогенного навантаження майже всі поверхневі та підземні   
води України зазнають інтенсивного забруднення [2]. 
 Водні ресурси України в основному утворюються з річкового стоку та 
атмосферних опадів, а також з річкового стоку, що приходить з інших країн: 
по Дунаю з Румунії, по Дніпру, Прип’яті, Десні, Сіверському Донцю і їх 
притокам з Росії і Білорусі, а також запасів підземних вод. У нашій країні 
запасів води, на одного жителя припадає 710 м3 /рік. В той  час як мінімальна 
питома норма, за визначенням Європейської економічної комісії ООН, 
складає 1500 м3 /рік. Для порівняння, в Росії цей показник складає 25 400 м3 
/рік, Білорусі – 3300 м3 /рік, Польщі – 1400 м3 /рік [ 3 ].  Порушення норм 
якості води призводить до деградації водних екосистем  та зниження їх 
продуктивних властивостей. Велика частка українського населення 
використовує для своїх потреб воду, яка загрожує здоров’ю нації [1]. 
Об’єкт дослідження – мембранні методи очищення води. 
Предмет дослідження – очищення води від полютантів мембранним 
методами. 
Мета дослідження – аналіз процесу очищення води від полютантів 
мембранним методами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ОБ’ЄКТУ ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
1.1 Екологічний стан поверхневих джерел водопостачання України 
 
Сучасну екологічну ситуацію в Україні можна охарактеризувати як 
кризову, яка формувалася  тривалий період через нехтування об’єктивними 
законами розвитку і відтворенням природно-ресурсного комплексу України. 
Відбувалися структурні деформації народного господарювання за яких 
перевага надавалася розвитку в країні сировиннодобувних, екологічно 
небезпечних областей промисловості [1]. 
За рахунок поверхневих вод питне водопостачання країни 
забезпечується на 75 % [3]. Але не зважаючи на це, більшість басейнів річок  
відносяться до  забруднених та дуже забруднених [4]. 
Основними причинами  забруднення поверхневих вод України є: 
- скиди неочищених і недостатньо очищених очищених комунально-
побутових і промислових стічних вод у водні об’єкти; 
- надходження у водойми забруднюючих речовин у процесі 
поверхневого стоку води із забруднених територій та 
сільськогосподарських угідь; 
- ерозія ґрунтів на водозабірних площах [1]. 
 На сьогодні недостатність якісної питної води відчувається вже не 
тільки у великих містах, але й у маленьких населених пунктах [5].  
Забезпечення водою населення України в повному обсязі є складним 
процесом через незадовільну якість води водних об'єктів. Якість води 
більшості з них за хімічним і бактеріальним забрудненням класифікується як 
забруднені та брудні (IV – V класи якості). Гострий екологічний стан 
спостерігається у басейнах Дніпра, Сіверського Донця, притоках Дністра, 
західного Бугу та річках Приазов'я, де якість води класифікується як дуже 
брудна (VI клас) [1]. 
В Україні річка Дніпро є основним джерелом водопостачання не тільки 
великих промислових центрів у межах басейну, а й жителів півдня і 
південного сходу країни.  Водні ресурси Дніпра складають близько 80 % 
водних ресурсів країни. Його води забезпечують майже 32 млн. жителів та дві 
третини господарського потенціалу країни [1,5,6]. 
Антропогенний вплив який чинився, у другій половині минулого 
століття, на природні водойми змусив людей створити численні штучні 
водойми – водосховища. Їх створення дозволило вирішити багато 
водогосподарських проблем але не зважаючи на позитивне значення  
водосховищ, втручання людини у природну рівновагу призвело до 
виникнення ряду екологічних проблем, так як водосховища, що розташовані 
на річці Дніпро почали акумулювати забруднюючі речовини [7]. Малі ріки 
знаходяться в критичному стані, оскільки більша їх частина втратила 
здатність до самоочищення. Значного впливу зазнала північна частина 
басейну в наслідок катастрофи на Чорнобильській атомної електростанції [1]. 
До басейну Дніпра і досі надходять радіонукліди з забруднених територій за 
рахунок поверхневого змиву і можуть становити для Sr-90 і Cs-137 - 1-2% та 
0,1-0,3% за рік відповідно. Водосховища, що знаходяться на річці Дніпро 
накопичують  радіоактивні забруднення, і навіть те, що концентрація 
радіонуклідів, вниз за течією, зменшується, проте вона все одно перевищує 
природну. Нагромадження цих радіоактивних забруднень у донних шарах 
водосховищ перетворює їх у джерела тривалого потрапляння до всіх водних 
об’єктів басейну Дніпра [8].  
Значної шкоди екосистемі Дніпра разом зі щорічним забрудненням 
басейну органічними речовинами, нафтопродуктами, хлоридами, сульфатами, 
солями важких металів відбувається забруднення біогенними речовинами в 
наслідок використання відсталих технологій сільськогосподарського 
виробництва та через низьку ефективність комунально-очисних споруд [1]. 
 
1.2 Вимоги до якості води 
 
 Якість питної води має великий вплив не тільки на здоров’я населення, 
а й на рівень екологічного благополуччя країни. Контроль води і забезпечення 
нормативів згідно з санітарними вимогами можна розглядати як один з 
напрямків управління екологічною безпекою в галузі питного водопостачання       
України [9]. 
Загальний вміст і співвідношення розчинених і диспергованих в 
природній питній воді компонентів коливається в досить широких межах, 
однак вони не повинні перевищувати  гранично допустимі концентрації (ГДК) 
по окремих компонентах, які встановлені нормативними документами (табл. 
1.1), а також не повинні бути нижчі від санітарно-гігієнічних норм по ряду 
життєво необхідних мінеральних солей та мікроелементів [10]. 
 
 
Таблиця 1.1 – Вимоги до якості води  
 
Води всіх природних джерел готуються для господарських потреб 
населення або потреб промислових підприємств за різними технологічними 
схемами з метою приведення їх фізико-хімічних показників у відповідність до 
вимог споживачів. У більшості випадків із води слід видаляти завислі 
речовини, кольоровість, запах та присмак, катіони заліза, органічні домішки, 
знищувати мікроби тощо [11]. 
Оцінка якості води є ключовим завданням будь -яких заходів у галузі 
водокористування, раціонального природокористування та проведення 
природоохоронних дій у водоймах. Якість природної води оцінюється за 
широким спектром фізичних та хімічних показників (гідрохімічних, 
гідрофізичних, гідрологічних) та біологічних. Застосування фізико-хімічних 
методів передбачає визначення абіотичних чинників: температури, прозорості 
води, концентрації завислих речовин, іонного складу, мінералізації, 
концентрації біогенних елементів, органічних речовин, розчиненого кисню, 
різноманітних токсикантів, водневого показника тощо [12]. 
Забруднення води органічними речовинами дозволяє оцінити її 
окиснюваність. Коли окиснюваність води підвищена – це може свідчити про її 
забруднення стічними водами. Отже, окиснюваність води є оцінкою її якості, 
як показника забруднення органічними і неорганічними сполуками; чим вища 
окиснюваність води, тим гірше її якість.  
Фосфор є одним з важливих  біогенних елементів. Рослини і тварини 
споживають його сполуки, а після їх загибелі ці  речовини повертаються у 
навколишнє середовище. Сполуки фосфору потрапляють у водойми з 
поверхневими водами, які змивають їх з полів, де вони вносяться як добриво; 
зі стічними водами виробництв фосфатної кислоти, фосфатів, суперфосфату; з 
побутовими водами та відходами в складі мийних засобів. 
Таким чином, під впливом антропогенного фактора у природних водах 
підвищується вміст фосфатів, нітратів, нітритів та амонійного нітрогену. 
Визначення концентрації цих іонів у воді дозволяє оцінити рівень 
забруднення води залишками речовин органічного походження.  
 Лужність води характеризує здатність природних вод нейтралізувати 
йони гідрогену. Основними компонентами, які зв'язують йони гідрогену, в 
більшості природних вод є йони НС , С , тому лужність в 
водоймищах визначається вмістом гідрокарбонат і карбонат йонів. 
Твердість води зумовлена наявністю в ній солей кальцію і магнію. 
Розрізняють карбонатну і некарбонатну твердість. Карбонатна твердість 
зумовлена гідрокарбонатами, некарбонатна - переважно хлоридами і 
сульфатами кальцію і магнію. Йони кальцію і магнію, а також інших 
лужноземельних металів, що обумовлюють твердість, присутні у всіх 
мінералізованих водах. Їхнім джерелом виступають  поклади вапняків, гіпсу і 
доломітів. Йони кальцію і магнію надходять у воду в результаті взаємодії 
розчиненого карбон  оксиду з мінералами і під час інших процесів розчинення 
і хімічного вивітрювання гірських порід. Джерелом цих йонів можуть бути 
також мікробіологічні процеси, що протікають у грунтах на площі водозбору, 
у донних відкладеннях, а також стічні води різних підприємств. 
Іони Са2+ та Mg2+ є непостійними домішками. Вони можуть  утворювати 
важкорозчинні речовини і визначають придатність вод для технологічних 
процесів на виробництвах. В залежності від пов’язаних з ними аніонів, 
жорсткість поділяється на карбонатну, некарбонатну, а сума їх означає 
загальну жорсткість  [11]. 
Хлорид-іони у прісних водоймах за концентрацією посідають третє 
місце після гідрокарбонат- і сульфат-іонів. Вміст іонів хлору в питній воді 
регламентується і не має перевищувати 350 мг/ дм3. Мінеральні води часто 
збагачені хлоридами. 
Сульфат-іони так само, як хлориди і гідрокарбонати відносяться до 
найбільш поширених аніонів природних вод (як прісних так і солоних). 
Сульфати  присутні переважно у всіх прісних водоймах у невеликій кількості ( 
20 - 30мг S  на 1 л), якщо на ці водойми не діє зовнішній забрудник 
[13]. 
 
1.3 Методи водопідготовки 
 
Здоров’я людини значною мірою залежить від якості води, яку вона 
споживає [14]. За даними ВООЗ, Україна посідає 95 місце серед 122 країн 
світу за рівнем якості питної води і, за даними ЮНЕСКО, 146 місце за 
середньою тривалістю життя у світі [15]. Не може бути виключенням те, що в 
Україні, на відміну від розвинутих країн, середня тривалість життя в певній 
мірі пов’язана з якістю води, яку споживає населення і є вагомим факторм 
впливу на здоров’я всього населення держави [16]. 
На якість питної води централізованого водопостачання негативно 
впливає незадовільний технічний стан водогінних споруд і мереж, 
несвоєчасне проведення капітальних та поточних планово-профілактичних 
ремонтів. Зношеність технологічного обладнання становить у різних регіонах 
30–70 %, що призводить до повторного забруднення питної води [17]. 
Через погіршення екологічної ситуації міським очисним станціям все 
складніше забезпечувати високу якість питної води за показниками, які 
передбачені санітарними правилами і нормами, в тому числі за патогенним 
мікроорганізмами, вірусами, важкими металами та іншим токсичними 
сполуками [18].  
Погіршення якості джерел питного водопостачання, що 
супроводжується зниженням гігієнічних характеристик води, викликає 
особливу занепокоєність світової громадськості. Особливо тривожним є те, 
що в останні роки зростають рівні забруднення за рахунок скидів стічних вод, 
які недостатньо очищуються або взагалі не піддаються очищенню [16]. 
Всесвітня організація охорони здоров’я серед комплексу найважливіших 
питань на перший план ставить вирішення проблеми питного водопостачання 
як невід’ємної частини реалізації програми охорони здоров’я [19]. Для 
забезпечення якості питної води необхідно постійно вдосконалювати методи 
очищення питної води та забезпечити періодичні вимірювання та оцінювання 
її якості [20]. 
 Знезаражування, як метод водопідготовки, привертає увагу великої 
кількості спеціалістів, які вважають, що знезаражування води – це комплексна 
проблема [21]. Оцінюючи знезаражування води як комплексну проблему, 
варто зупинитися на існуючих способах. Аналіз  цих способів  дозволить, в 
майбутньому, оцінити їх переваги і недоліки з гігієнічних позицій,  а  також 
визначити перспективність подальших досліджень у цьому напрямку [22]. 
Знезараження води здійснюється для того щоб знищити хвороботворні 
бактерії і віруси. Таке знезараження проводять додаючи до води хлор, озон 
або перманганат калію [23]. 
Для преважної більшості міст України, досі головними методом 
знезараження й очистки води залишається хлорування. Однак, якщо, навіть 
після очисних споруд, якість питної води відповідає ДСТУ, то після 
проходження через водогони, її якість погіршується. Як тільки вода надходить 
до розподільної сітки водогону, вона піддається вторинному забрудненню: 
зваженими речовинами – утворюється мутність, колоїдні сполуки заліза – 
утворюють колірність; хлором, хлорорганічними сполуками та хлорамінами – 
запах і присмак. Крім цього, у водогінних трубах знаходиться біоокислювач – 
розчинений органічний вуглець, який атакує імунну систему [24]. 
Хлорування однин з найбільш поширених способів знезаражування 
води як в Україні, так і за кордоном. Воно відбувається за рахунок додавання 
до води газоподібного хлору або речовин, які містять у своєму складі 
активний хлор, такі як: хлорне вапно, діоксиди хлору і т.д [22]. 
Утворення побічних хлорорганічних продуктів при хлоруванні води, яка 
містить розчинні органічні речовини є однією з гострих проблем в сучасній 
технології водопідготовки   . Особливо гостро це питання стоїть для річки 
Дніпро, якому характерний високий вміст загального органічного вуглецю 
(ЗОВ), вміст якого досягає більше 50 мг/дм3  [25]. 
Хлорування питної води - це процес, при якому воду піддають впливу 
хлору. При цьому вода очищається, але також формується цілий ряд 
побічних речовин, які дуже шкідливі для людини.  
Крім головної функції - дезінфекції, завдяки унікальним окислювальним 
властивостям хлор служить і іншим цілям - контролю за смаковими якостями і 
запахом, запобігання росту водоростей, підтримці в чистоті фільтрів, 
видалення заліза і марганцю, руйнування сірководню, знебарвлення і т.д. У 
цьому сенсі жодне з альтернативних хлору засобів не може зрівнятися з ним 
по універсальності і простоті застосування [26]. 
Хлорування має широкй спектр антимікробної дії, досить економічне, 
просте у технологічному оформленні [22]. 
На центральних станціях підготовки питної води Дніпровського басейну 
використовують перехлорування води, яке супроводжується утворенням ряду 
високотоксичних галогенорганічних сполук, таких як, галогенфеноли, 
альдегіди, кетони, ацетонітрили і т.д. Існуючі системи централізованої 
підготовки питної води, на дніпровських станціях, включають в себе 
перехлорування води, обробку коагулянтами і флокулянтами, освітлення, 
фільтрування і знезараження води хлором. Такий склад технологічних 
операцій  не може забезпечити глибоке очищення води від органічних 
речовин, близько 20 – 30 % ЗОВ залишаються у питній воді та являють собою 
побічні продукти хлорування чи озонування і практично всі 
низькомолекулярні сполуки.   
 
1.1.1 Пом'якшення води натрій - катіонуванням 
 
Натрій - катіонітовий метод застосовують для пом'якшення води із 
вмістом суспензії не більше 8 мг/л і кольоровістю не більше 30 град. 
Жорсткість води знижується при одноступінчатому натрій-катіонуванні до 
0,05-0,1, при двоступінчатому — до 0,01 мг-екв/л. Процес Na-катіонування 
описується наступним реакціями обміну: 
 
Ca[HCO ] Ca[K]
2Na[K]  3 2  2  2NaHCO ; 
3
Mg[HCO ] Mg[K]
3 2 2
 
CaCl Ca[K]
2Na[K]  2  2  2NaCl ; 
MgCl Mg[K]
2 2
 
CaSO Ca[K]
2Na[K]  4  2  Na SO ; 
2 4
MgSO Mg[K]
4 2
 
CaSiO Ca[K]
2Na[K]  3  2  Na SiO . 
2 3
MgSiO Mg[K]
3 2
 
де [K] - нерозчинна матриця полімеру. 
Після виснаження робочої обмінної ємкості катіоніту він втрачає 
здатність пом'якшувати воду і його необхідно регенерувати. Процес 
пом'якшення води на катіонітових фільтрах складається з наступних 
послідовних операцій: фільтрування води через шар катіоніту до моменту 
досягнення жорсткості, що гранично допускається, у фільтраті (швидкість 
фільтрування в межах 10 - 25 м/год); розпушування шару катіоніту висхідним 
потоком пом'якшеної води, відпрацьованого регенерату або відмивних вод 
(інтенсивність потоку 3 - 4 л/(с-м2); зливання водяної подушки щоб уникнути 
розбавлення регенеруючого розчину; регенерації катіоніту за допомогою 
фільтрування відповідного розчину (швидкість фільтрування 3 - 5 м/год); 
відмивання катіоніту непом'якшеною водою (швидкість фільтрування 8 - 10 
м/год). На регенерацію зазвичай витрачають близько 2 годин, з них на 
розпушування — 10 - 15, на фільтрування регенеруючого розчину — 25 - 40, 
на відмивання - 30 - 60 хв. 
Вибір методу катіонування диктується вимогами, що пред'являються до 
пом'якшеної води, властивостями початкової води і техніко-економічними 
міркуваннями. Найбільш простою є схема одноступінчатого Na-катіонітової 
установки (рисунок. 1.1).  
Вода, пройшовши Nа-катіонітові фільтри, відводиться в збірний бак, 
звідки насосом подається споживачеві. При роботі за цією схемою відсутні 
вода і розчини з кислою реакцією, відпадає необхідність в застосуванні 
кислотостійкої арматури труб і захисних покриттів фільтрів. 
Регенерація Nа-катіоніту досягається фільтруванням через нього із 
швидкістю 3 - 4 м/год хлористого натрію концентрацією 5 - 8%. При 
жорсткості пом'якшеної води до 0,2 мг-екв/л приймають концентрацію солі 
5%, при жорсткості менше 0,05 мг-екв/л передбачають ступінчасту 
регенерацію: спочатку 5%-вим розчином NaCl в кількості 1,2 м3 розчину на 1 
м3 катіоніту, потім рештою кількості солі у вигляді 8%-го розчину. [8] 
Процес регенерації описується наступною реакцією: 
 
Ca[K] CaCl
2  2NaCl  2Na[K]  2 . 
Mg[K] MgCl
2 2
 
 
 
1,7 - подача вихідної води, відведення пом’якшеної води; 2 - натрій-
катіонітовий фільтр; 3 - бак з розчином повареної солі; 4 - бак с частково 
пом’якшеною водою для зрихления катіоніту; 5 - резервуар пом’якшеної води; 
6 – насос. 
 
Рисунок 1.1 - Схема одноступінчатого натрій - катіонування води. 
Кухонну сіль застосовують для регенерації із-за її доступності, 
дешевизни, а також унаслідок того, що отримують при цьому добре розчинні 
солі СаС12 і МgС12 , що легко видаляються з регенераційним розчином і 
відмивочною водою. [9] 
При фільтруванні розчину кухонної солі зверху вниз при регенерації 
повний обмін іонів натрію на ті, що містяться в катіоніті Са2+ і Мg2+ 
відбувається у верхніх шарах іонообмінника, при цьому у фільтрі зростає 
концентрація витіснених з катіоніту Са2+ і Мg2+ та знижується концентрація 
іонів натрію. Зростання концентрації протионів (у даному випадку Са(П) і 
Мg(П) в регенераційному розчині пригнічує дисоціацію виснаженого 
катіоніту і ослабляє процес іонного обміну. Протиіонний ефект, що 
утворюється при цьому, гальмує регенерацію, внаслідок чого у міру 
просування регенераційного розчину в нижні шари катіоніту їх регенерація 
відбувається не повно, і деяка кількість катіонів Са(П) і Мg(П) залишаються 
невитісненими з нижніх шарів катіоніту. Усунення цього недоліку можливе 
пропуском через катіоніт свіжих порцій розчину реагенту. На практиці 
обмежуються одноразовим пропуском солі при жорсткості пом'якшеної води 
до 0,20 мг-екв/л або двократним — при жорсткості нижче 0,05 мг-екв/л. 
Аналогічно, при фільтруванні пом'якшуваної води зверху вниз також виникає 
протиіонний ефект, що знижує глибину пом'якшення води, при цьому 
протиіонами є катіони натрію. Цей недолік усувається шляхом подачі 
регенераційного розчину і пом'якшуваної води в різних напрямках, остання, 
фільтруючись від низу до верху при виході з фільтру, стикається з найбільш 
повно відрегенерованими шарами катіоніту, завдяки чому забезпечується 
глибше пом'якшення води. Такий метод пом'якшення води називається 
методом протиточного катіонування. При цьому значно знижується витрати 
реагентів на регенерацію катіоніту без зменшення глибини пом'якшення.  
 
 
 
1.1.2  Пом'якшення води Н-фільтром 
 
При використанні Н-фільтрів у схемах пом'якшення фільтр на 
регенерацію відключають по проскоку катіонів Ca і Mg, а в схемах знесолення 
- по Na. [10]. 
Н-катіонована вода є м'якою, оскільки не містить катіонів жорсткості, і 
тому більш придатна для отримання «води очищеної», тому що має кисле 
середовище, і кислотність її тим вище, чим вище сумарний вміст у вихідній 
воді аніонів сильних кислот. 
При використанні Н-катіонування в схемах знесолення води на Н-
фільтрі будуть протікати реакції з натрієвими солями, наявними у воді: 
 
NaCl + HR  NaR + HCl,    
Na2SO4 + 2HR  2NaR + H2SO4.    
 
1.1.3 Метод зворотного осмосу 
 
Зворотноосмотичний метод заснований на наступному явищі. Якщо в 
судині між прісною і солоною водою помістити напівпроникну перегородку, 
здатну пропускати воду і затримувати гідратовані іони розчинних у воді солей 
то, можна спостерігати, як прісна вода починає поступати у відсік з солоною 
водою. Перетікання чистої води відбувається унаслідок різниці концентрації 
рідини по обох сторонах перегородки. Через деякий час рівень прісної води 
стане помітно нижче за рівень солоного розчину. Різниця рівнів після сталої 
рівноваги характеризує осмотичний тиск розчиненої речовини. Процес 
мимовільного перетікання менш концентрованого розчину в більш 
концентрований через напівпроникну перегородку називають осмосом. Якщо 
створювати в солоному розчині тиск , що перевищує осмотичний, то виникає 
перетікання молекул прісної води в напрямі, зворотному її природному руху, 
тобто вода з розчину починає перетікати через перегородку в прісну воду. 
Такий процес відомий під назвою зворотного осмосу [11]. 
Напівпроникна перегородка вибирається з таким розрахунком, щоб 
через неї пори могли проходити молекули води, але не могли проходити іони 
солей, розчинених в солоній воді Оскільки іони солей у розмірі приблизно у 
1,5 рази більші ніж молекули води, то це цілком можливо.  
Запропоновано декілька варіантів механізму зворотного осмосу. По 
одному з них мембрани збирають воду, яка в поверхневому шарі не володіє  
здатністю розчинювати солі. Якщо товщина шару адсорбованих молекул води 
складає половину або більше половини діаметру пор мембран, то під тиском 
через пори буде проходити тільки чиста вода, не дивлячись на те, що розмір 
багатьох іонів менший, ніж розмір молекул води. Проникненню таких іонів 
через пори перешкоджає оболонка гідрату, що утворюється в них. Розмір 
оболонок гідратів різний для різних іонів. Якщо: товщина адсорбованого шару 
молекул води менше половини діаметру пор, то разом з водою через мембрану 
проникатимуть і розчинені речовини. 
Зворотноосмотичній обробці піддаються в основному гомогенні 
системи - дійсні розчини, в яких затримувана речовина представлена у вигляді 
молекул і іонів. Ця характерна особливість обумовлюється відмінностями як 
за типом фільтруючих середовищ, так і по величині тиску, під дією яких йдуть 
процеси. Величина пор в зворотноосмотичних мембранах значно менша, ніж в 
середовищах, що використовують для фільтрування, що обумовлює значні 
втрати напору при продавлюванні навіть дистильованої води. При 
продавлюванні розчину через напівпроникні мембрани виникає (практично 
відсутня при фільтруванні) додаткова протидіюча сила - різниця осмотичного тиску 
початкового розчину і фільтрату, величина якої може бути співставлена з величиною 
робочого тиску, що діє на початковий розчин. Якщо розчинена речовина від 
поверхні неідеальної напівпроникної мембрани не відводиться, то процес 
продавлювання розчину не припиниться, проте, концентрація розчинених 
речовин у фільтраті дорівнюватиме їх концентрації в початковому розчині. 
Іони в порядку збільшення затримання розташовуються в ряд, співпадаючий в 
основному із рядом збільшення енергії гідратації: 
Н+ < NO − − −
3  < J  < Вг  < Cl−< K+ < F− < Na+ < SO 2−
4  < Ba2+ < Са2+ < Мg2+ < Сd2+  
Збільшення затримання одновалентних іонів з багатокомпонентних розчинів, в 
порівнянні з їх затриманням з бінарних розчинів, добре відомо в практиці зворотного 
осмосу. Це явище, що має велике практичне значення, спостерігається не тільки на 
плоских мембранах, але і на мембранах, виконаних у вигляді порожнистих волокон. 
Схема процесу показана на рис. 1.2 Знесолення води методом зворотного осмосу 
відбувається без фазових перетворень, енергія при цьому в основному витрачається на 
створення тиску вихідної води — середовища практично нестискуваного [12]. 
Осмотичний тиск розчинів близьких по складу до природних вод, навіть 
при невеликому ступені їх мінералізації достатньо великий, наприклад, для 
морської води, що містить до 3,5% солей, він складає  
приблизно 2,5 МПа. Робочий тиск в установках по опрісненню 
рекомендується підтримувати не менше 5 МПа і навіть вище, оскільки  
продуктивність їх визначається різницею між робочим і осмотичним тиском. 
 
 
 
а - початок осмотичного  перенесення;  б - рівноважний стан; в -  зворотний  
осмос під зовнішнім тиском; 1 - вода; 2 - напівпроникна мембрана; 3 - розчин солей. 
 
Рисунок 1.2 - Схема руху молекул води через напівпроникну мембрану. 
 
Ефективність зворотноосмотичного знесолення води залежить в значній 
мірі від питомої продуктивності мембран q м3/(м2∙добу), яка зв'язана із 
швидкістю фільтрування розчину v співвідношенням: 
 
V = 11,6∙10−6∙q,                                                (1.1) 
 
і від здатності мембран затримувати яку-небудь речовину: 
 
R = 1 − Cф/С0  ,                                                                                (1.2) 
 
де Сф і С0 — концентрація розчинених речовин в початковій і 
фільтрованій воді. 
Швидкість фільтрування розчину через зворотноосмотичну мембрану 
пов'язана з тиском фільтрування р і величинами осмотичного тиску води, що 
знесолюється, і фільтрату залежністю: 
 
v = k0(p − Δπ),                                                 (1.3) 
 
де k0 - коефіцієнт водопроникності мембрани, м/(с∙Па). Величина 
осмотичного тиску розчину залежить від природи розчиненої речовини, його 
концентрації і температури розчину, причому, із зростанням останніх, 
осмотичний тиск також збільшується [13]. 
При зворотноосмотичному знесолюванні води із-за переважного 
перенесення розчинника через напівпроникну мембрану біля її поверхні 
збільшується концентрація розчинених речовин в порівнянні з їх вмістом в 
початковому розчині. При цьому встановлюється такий градієнт концентрації 
розчинених речовин в напірній камері апарату, який забезпечує динамічну 
рівновагу між підведенням речовин до мембрани і видаленням їх унаслідок 
конвективної і молекулярної дифузії [14]. 
Складова градієнта концентрації розчиненої речовини перпендикулярна 
поверхні мембрани, викликає явище, що отримало назву концентраційної 
поляризації. Разом з цим в зворотноосмотичних апаратах з'являється складова 
градієнта концентрації, направлена уздовж поверхні мембран, це пов'язано з 
тим, що під час руху уздовж поверхні мембрани частина води фільтрується 
через неї і концентрація розчинених речовин в розчині збільшується. Останнє 
явище називається концентрацією розчинів. 
Вплив концентраційної поляризації завжди є негативним за наступними 
причинами: 
 знижується ефективний тиск внаслідок збільшення осмотичного 
тиску розчину, що визначається концентрацією саме в пограничному шарі. Це 
приводить як до зниження швидкості процесу, так і селективності процесу; 
 зменшується строк служби полімерних мембран, який у великій 
мірі залежить від концентрації розчиненої речовини. 
При дослідженні процесів селективної проникності мембран зазвичай 
створюють в апараті такі гідродинамічні умови, за яких практично 
виключається вплив концентраційної поляризації на основні характеристики 
мембран.  
Для мембран трубчатого типу як правило використовують спіральні 
вставки, а для плоских мембран – різні типи розподілювачів. Встановлено, що 
спіральні вставки в 4 – 10 разів збільшують коефіцієнт масовіддачі в 
трубчатих мембранах [11]. 
Аналіз даних по впливу температури на проникність та селективність 
мембран показує, що на початку з підвищенням температури проникність 
збільшується обернено пропорційно до в’язкості речовини. Потім крива G = 
f(t) починає відхилятися від цієї закономірності, проникність зменшується і 
при температурі 85 0С падає до нуля. Цей ефект можна пояснити тільки 
усадкою та повним стягненням пор мембрани в процесі структуризації 
полімеру, яка закінчується при наведеній температурі. Селективність мембран 
при підвищенні температури спочатку зростає, потім залишається приблизно 
сталою. 
В результаті дії високого тиску на полімерний матеріал мембран 
спостерігається значна залишкова поляризація. Усадка структури мембрани з 
часом знижує проникність та підвищує селективність. Практично режим 
проникності та селективності встановлюється через 5 – 6 годин роботи 
установки [11]. 
Відмітною особливістю установок зворотного осмосу є простота 
конструкції і експлуатації. Це обумовлює прагнення застосувати зворотний 
осмос для опріснення морських і солонуватих вод, видалення з води деяких 
органічних домішок і поверхнево-активних речовин, глибокого очищення 
промислових стічних вод і природних забруднених вод. 
У ряді випадків вельми ефективним є поєднання зворотного осмосу з 
дистиляцією. Так, при вмісті солей в початковій воді 0,9 - 1,0 г/л установки 
зворотного осмосу можуть застосовуватися як попередній ступінь перед 
іонообмінними фільтрами та дистиляцією. Застосування такої схеми для 
обробки додаткової живильної води дозволяє понизити собівартість 
знесоленої води на 26%, а осмос сольових розчинів - на 50%.[11]. 
 
1.2 Перспективи удосконалення існуючих технологій 
 
Особлива увага сьогодні приділяється  пошукам нових 
високоефективних способів знесолення  води. 
Існує спосіб отримання високо чистої води, що включає іонообмінну 
обробку, термічну дистиляцію, обробку на фільтрах змішаної дії, який 
відрізняється тим, що з метою підвищення ступеню очистки води, термічну 
дистиляцію ведуть перед іонообмінною очисткою та після термічної 
отриманий дистилят фільтрують через механічні фільтри . 
Існує спосіб знесолення розчинів, що включає сорбцію видалених 
компонентів шаром сорбенту з наступною регенерацією сорбенту в умовах 
протитоку, що відрізняється тим, що з метою інтесифікації процесу за рахунок 
зниження гідродинамічного опору сорбенту, в якості сорбенту 
використовують механічну суміш іоніту та інертного матеріалу, густина якого 
є близькою до густини іоніту, а регенерації іоніт піддіають після видалення із 
нього інертного матеріалу . 
Існує спосіб фільтрації розчинів в процесі очищення і фільтрації 
природних та стічних вод з використнанням іонообмінників, що включає дію 
магнітного поля на вихідний розчин, який відрізняється тим, що з метою 
інтенсифікації зниження витрат на процес останній ведуть при одночасній дії 
магнітного поля на вихідний розчин та іонообмінник . 
Існує спосіб обробки води шляхом пропускання його через іонообміний 
фільтр протитоком до регенераційного розчину з відбором води із середньої 
частини іонітового шару, який відрізняється тим, що з метою зниження витрат 
на процес за рахунок підвищення продуктивності фільтру та збільшення 
обмінної ємкості іоніту, через шар іоніту пропускають протитоком 50 – 70% 
відпрацьованої води при одночасному пропусканні залишившогося об’єму 
води прямотоком . 
Існує пристрій для отримання глибокоочищеної води двоступеневим 
знесоленням, що включає приймальний вузол вихідної води та послідовно 
з’єднані підігрівач, катіоновий фільтр і дегазатор першої ступені, іонітовий 
фільтр другої ступені і бак – збірник, який відрізняється тим, що з метою 
інтенсифікації процесу знесолення води  та зниження займаємої площі, друга 
ступінь виконана у вигляді іонітового фільтру змішаної дії . 
Патент 7354 
Захарук Валерій Петрович, Даниленко Микола Платонович, Мамченко Олексій 
Володимирович, Новоженюк Марія Станіславівна, Паулі Віктор Карловіч, Сердюк Сергій 
Дмитрович, 15.05.2001р. 
Спосіб водень-катіонування води, який включає обробку води 
катіонітом, сильнолужним аніонітом і фінішне водень-катіонування води на 
сульфокатіоніті, регенерацію катіонітів і аніонітів, який відрізняється тим, що 
вихідну воду послідовно обробляють сильнолужним аніонітом, потім катіонітом, 
причому як катіоніт використовують слабокислотний катіоніт. [25]. 
 
Патент 6546 
 Янковський Микола Андрійович, 16.05.2005 р. 
Установка для одержання глибокознесоленої води, що включає засіб для 
забору і подачі вихідної води, освітлювач, установки вапнування, коагуляції і 
знезаражування води, двошарові фільтри, установку часткового знесолення 
води, декарбонізатор і фільтри змішаної дії, яка відрізняється тим, що засіб 
для забору вихідної води з'єднаний з водним об'єктом підприємства, у який 
надходять біологічно очищені стічні води хімічного виробництва, зливові 
стоки, шахтні стічні води, дренажні і господарсько-побутові стоки і інші стоки 
або їхня суміш із загальною твердістю до 30 мг-екв/л і з загальним 
солевмістом 4-6 г/л, як установку часткового знесолення води 
використовують зворотно-осмотичну установку, що знесолює, підключену 
послідовно по воді після патронних фільтрів попереднього очищення, 
додатково встановлених після двошарових фільтрів, з'єднану лінією видачі 
пермеату через декарбонізатор з фільтром змішаної дії, а лінією відводу 
концентрату зі входом у додаткову установку зворотного осмосу, трубопровід 
відводу отриманого пермеату останньої з'єднаний зі споживачем, а лінія 
концентрату з фізико-хімічним очищенням [26]. 
 
Патент 6567 
Янковський Микола Андрійович, 16.05.2005 р. [27]. 
Установка для одержання частково знесоленої води, що включає засіб 
для забору і подачі вихідної води, освітлювач, установки вапнування, 
коагуляції, флокуляції, механічні фільтри, установку часткового знесолення 
води, яка відрізняється тим, що засіб для забору вихідної води з'єднаний з 
водним об'єктом підприємства, у який надходять біологічно очищені стічні 
води хімічного виробництва, зливові стоки, шахтні стічні води, дренажні і 
господарсько-побутові стоки та інші стоки або їхня суміш із загальною 
твердістю до 30 мг-екв/л і з загальним солевмістом 4 6 г/л, як установку 
знесолення води використовують нанофільтраційну установку, підключену 
послідовно по воді після 5-мікронних картриджних фільтрів, додатково 
встановлених після механічних фільтрів, з'єднану лінією видачі пермеату 
через пом'якшувач зі споживачем, а лінією відводу концентрату - з фізико-
хімічним очищенням. 
 
 Патент 84457 
Сидорчук Юрій Кіндратович, 27.10.2008 р. 
Пристрій електроплазмового очищення та знесолення води, який 
складається з ємності, заповненої водою, багатоелементного електродного 
блока, в який входять ножеподібні або голкоподібні електроди, розташовані 
над поверхнею води, який відрізняється тим, що кожен з ножеподібних 
електродів або кожен ряд голкоподібних електродів знаходяться в окремих 
камерах, утворених діелектричними виступами в електродному блоці, що 
частково занурені у воду, і на які розділений повітряний проміжок між 
електродами і водою та частково поверхневі шари води, та сусідні 
ножеподібні електроди або ряди голкоподібних електродів мають різну 
електричну полярність [28]. 
Отже, з вище перелічених патентів можна зробити висновки,що 
знесолення води ефективне, як способом водень-катіонування води, так і за 
допомогою установок  для одержання частково знесоленої води та глибоко 
знесоленої води, а також за допомогою пристрою електроплазмового 
очищення та знесолення води. 
На Черкаській ТЕЦ використовується дніпрова вода, яка проходить різні 
стадії обробки на спеціальних водопідготовчих установках. 
Воду обробляють вапном і коагулянтом,  в результаті чого видаляються 
грубодисперсні і колоїдні домішки, а потім фільтрують крізь іонообмінні 
фільтри (катіонообмінні і аніонообмінні I і II ступенів), що дозволяє видалити 
з води солі у істинно – розчиненому стані. 
Використання двоступеневої схеми Н – катіонування і ОН – 
аніонування дозволяє практично повністю видалити з води усі катіони і 
аніони, окрім силікатної кислоти, вміст якої зменшується до 0,1-0,5 мг/кг, а у 
деяких випадках і менше. Тому використовують знесолену воду для 
підживлення котлів високого і зверхвисокого тиску на ТЕЦ. 
Дана технологічна схема може використовуватися при різній 
продуктивності, а іоніти роблять також і в Україні, що здешевлює їх 
використання на відміну від мембран, які виготовляють за кордоном і які є 
доволі дорогими, працюють під тиском та мають невелику продуктивність. 
Дніпровську воду перед знесоленням попередньо очищають. До даного  
очищення води відноситься фільтрування води; її коагулювання з коагулянтом 
FeSO4  в присутності гідроксиду кальцію Ca(OH)2 завдяки чому із води 
видаляються залізо, частково, органічні речовини, і колоїдні речовини. 
Для одержання заданої якості знесоленої води використовують Н-
катіонітові фільтри із завантаженням із середньокислотного катіону марки 
СК-1 (сульфовугілля), ОН-аніонітові фільтри із завантаженням із 
слабкоосновного аніоніту марки АН – 31 і сильноосновного аніоніту марки 
АВ-17-8. 
Катіоніт Н[Кат] та аніоніт[АН]ОН, які мають ще таку форму запису RH 
або ROH, складаються із матриці R функціональних груп Н чи ОН.  
Катіони або аніони, які знаходяться в іонітах (функціональні групи) 
обмінюються на катіони та аніони, які знаходяться у воді, тобто відбувається 
іонний обмін. 
На Н-катіонітових фільтрах І ступеня відбувається очистка води від 
катіонів кальцію та магнію(Са2+, Мq2+) за реакціями: 
 
2H[Кат]2+Cа(НСО)2↔Са[Кат]2+2СО2↑+2Н2О, 
2Н[Кат]+МqCl↔Mq[Kaт]2+2НCl, 
 
2Н[Кат]+Мq(HCO3)2↔Mq[Кат]2+2CO2↑+2H2O. 
 
На ОН-аніонітових фільтрах І ступеня відбувається очистка води від 
аніонів сильних кислот(Сl-, SO 2-
4 , NO -
3 ) за реакціями: 
 
2[Aн]OH+MqSO4↔[Aн]2SO4+Mq(OH)2↓, 
 
2[Aн]OH+CaCl2↔2[Aн]Cl+Ca(OH)2. 
 
На Н-катіонітових фільтрах ІІ ступеня відбувається очистка води від 
катіонів натрію і кальцію(Na+, К+) за реакціями: 
 
Н[Кат]+NaCl↔Na[Кат]+HCl, 
 
2H[Кат]+K2SO4↔2K[Кат]+H2SO4. 
 
На ОН-аніонітових фільтрах ІІ ступеня відбувається очистка води від 
аніонів сіліцієвої кислоти за реакціями: 
 
2[Aн]OH+Na2SiO3↔[Aн]2SiO3+2NaOH, 
 
2[Aн]OH+H2SiO3↔[Aн]2SiO3+2H2O. 
 
Швидкість іонного обміну залежить від валентності іонів, їх заряда, 
ступеня гідратації, ефективного радіуса іону та інших. 
За величиною динамічної активності енергію входження різних    
катіонів в катіоніт можна описати для однакових умов таким рядом: 
 
Na+ ‹ NH + ‹ K+ ‹ Ba2+
4  ‹ Mq2+ ‹ Ca2+ ‹ Al3+ ‹ Fe3+, 
 
тобто чим більше заряд катіонів, тим більше їх енергія входження в катіоніт. 
Ця закономірність змінюється при збільшенні концентрації катіонів. 
Для катіонів однакової валентності енергія входження в катіонів 
залежить від ступеня їх гідратації, енергія входження Н+ в 17 разів більша, ніж 
у Na+ і в 4 рази більша, ніж у Са2+, що впливає на процес регенерації катіонів. 
Енергію входження різних аніонів у сильно основний аніоніт за їх 
динамічною активністю можна представити таким рядом: 
 
ОН- ‹ НSiO -
3  ‹ HCO -
3  ‹ Cl- ‹ H2PO -
4  ‹ NO - 
3 ‹ SO 2-
4 . 
 
Швидкість іонного обміну залежить також від швидкості їх дифузії до 
поверхні розділу іон-вода і визначається його структурою. При компактній 
структурі іоніта обмін відбувається швидко і в основному на зовнішніх 
поверхнях-екстраміцелярний обмін, але при цьому не повністю 
використовується сорбційна ємність іоніту. У випадку пористої структури 
іоніт, коли коли розміри капілярних каналів більша діаметру гідратованих 
іонів, обмін здійснюється на внутрішній поверхнях –інтерміцелярний обмін. 
Швидкість його менша, а обмінна ємкість іоніту більша. 
В технології водопідготовки в основному використовують органічні  
іоніти штучного походження. 
Якість іонітів характеризується їх фізичними властивостями, хімічною і 
термічною стійкістю, робочою обмінною ємкістю та іншими 
характеристиками. Фізичні властивості іонітів залежать від їх фракційного 
складу, механічної міцності і насипної густини. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 ВИБІР І ОБГРУНТУВАННЯ МЕТОДИК ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
 
2.1 Іонообмінний метод очищення води 
 
Найбільш поширеним методом очищення водного теплоносія на даний 
час являється іонний обмін. Застосування саме даного методу дозволяє 
отримати воду необхідної якості для подачі на водогрійне устаткування.  
Іонообмінний метод використовується для знесолення води із загальним 
вмістом солей не більше ніж 3000 мг/дм3 при наявності зависі не більше ніж 8 
мг/дм3, кольоровості води не більше ніж 300, вміст хлоридів і сульфатів не 
більшому ніж 5 мг/дм3, перманганатній окиснюваності не більшій ніж 7 
мг/дм3. 
Іонобмінні процеси застосовуються для зм’якшення, опріснення і 
знесолення води, очищення стічних вод та різних розчинів, вловлювання і 
концентрування цінних металів із розбавлених водних розчинів, розділення 
суміші речовин у розчині, вловлювання і концентрування радіоактивних іонів, 
коригування мінерального складу очищення стічних вод у системах 
оборотного водопостачання тощо. 
Іонообмінні установки призначенні для знесолення та очистки води від 
йонів металів, а також інших забруднень до заданої концентрації.  
Очищення проводять з використанням іонітів – синтетичних 
іонообмінних смол, що випускаються у вигляді гранул розміром 0,2-2 мм. 
Іоніти представляють собою практично нерозчинні у воді полімерні речовини, 
що мають рухливий іон (катіон або аніон), який здатний в певних умовах 
вступати в реакцію обміну з йонами того ж заряду, які знаходяться у розчині.  
При контакті з водою іоніти набухають і збільшуються в об’ємі 
(зазвичай в 1,5-2 рази). 
 Розрізняють сильно- та слабокислі катіоніти (в Н+ та Na+ ) та сильно- і 
слабоосновні аніоніти, а також іоніти змішаного типу. 
 Іонообмінну очистку проводять послідовним фільтруванням через 
катіоніти (у водній формі) та аніоніти (в гідроксильній формі). При контакті 
води з Н-катіонітом проходить обмін на Н+ -йони катіоніту. У результаті 
Нкатіонування підвищується кислотність води. При фільтруванні її через ОН- 
- аніоніт проходить процес обміну аніонів кислот на ОН- йони аніоніту.  
При наявності у воді аніонів сильних та слабких кислот аніонування 
проводять у дві ступені. Спочатку видаляють аніони сильних кислот на 
слабоосновних аніонітах, а після аніоніти слабких кислот на сильноосновних 
аніонітах [ 5 ].   
Для живлення котлів сучасних теплових електростанцій 
використовується придатна вода, у якій практично відсутні всі домішки, які 
знаходяться в обробленій воді як у істинно – розчиненому, так і у колоїдному 
і грубодисперсному станах. 
 На Черкаській ТЕЦ використовується дніпрова вода, яка проходить 
різні стадії обробки на спеціальних водопідготовчих установках. 
Воду обробляють вапном і коагулянтом,  в результаті чого видаляються 
грубодисперсні і колоїдні домішки, а потім фільтрують крізь іонообмінні 
фільтри (катіонообмінні і аніонообмінні I і II ступенів), що дозволяє видалити 
з води солі у істинно – розчиненому стані. 
Використання двоступеневої схеми Н – катіонування і ОН – 
аніонування дозволяє практично повністю видалити з води усі катіони і 
аніони, окрім силікатної кислоти, вміст якої зменшується до 0,1-0,5 мг/кг, а у 
деяких випадках і менше. Тому використовують знесолену воду для 
підживлення котлів високого і зверхвисокого тиску на ТЕЦ. 
Дана технологічна схема може використовуватися при різній 
продуктивності, а іоніти роблять також і в Україні, що здешевлює їх 
використання на відміну від мембран, які виготовляють за кордоном і які є 
доволі дорогими, працюють під тиском та мають невелику продуктивність. 
Дніпровську воду перед знесоленням попередньо очищають. До даного  
очищення води відноситься фільтрування води; її коагулювання з коагулянтом 
FeSO4  в присутності гідроксиду кальцію Ca(OH)2 завдяки чому із води 
видаляються залізо, частково, органічні речовини, і колоїдні речовини. 
Для одержання заданої якості знесоленої води використовують Н-
катіонітові фільтри із завантаженням із середньокислотного катіону марки 
СК-1 (сульфовугілля), ОН-аніонітові фільтри із завантаженням із 
слабкоосновного аніоніту марки АН – 31 і сильноосновного аніоніту марки 
АВ-17-8. 
Катіоніт Н[Кат] та аніоніт[АН]ОН, які мають ще таку форму запису RH 
або ROH, складаються із матриці R функціональних груп Н чи ОН.  
Катіони або аніони, які знаходяться в іонітах (функціональні групи) 
обмінюються на катіони та аніони, які знаходяться у воді, тобто відбувається 
іонний обмін. 
На Н-катіонітових фільтрах І ступеня відбувається очистка води від 
катіонів кальцію та магнію(Са2+, Мq2+) за реакціями: 
 
2H[Кат]2+Cа(НСО)2↔Са[Кат]2+2СО2↑+2Н2О, 
 
2Н[Кат]+МqCl↔Mq[Kaт]2+2НCl, 
 
2Н[Кат]+Мq(HCO3)2↔Mq[Кат]2+2CO2↑+2H2O. 
 
На ОН-аніонітових фільтрах І ступеня відбувається очистка води від 
аніонів сильних кислот(Сl-, SO 2-
4 , NO -
3 ) за реакціями: 
 
2[Aн]OH+MqSO4↔[Aн]2SO4+Mq(OH)2↓, 
 
2[Aн]OH+CaCl2↔2[Aн]Cl+Ca(OH)2. 
 
На Н-катіонітових фільтрах ІІ ступеня відбувається очистка води від 
катіонів натрію і кальцію(Na+, К+) за реакціями: 
 
Н[Кат]+NaCl↔Na[Кат]+HCl, 
 
2H[Кат]+K2SO4↔2K[Кат]+H2SO4. 
 
На ОН-аніонітових фільтрах ІІ ступеня відбувається очистка води від 
аніонів сіліцієвої кислоти за реакціями: 
 
2[Aн]OH+Na2SiO3↔[Aн]2SiO3+2NaOH, 
 
2[Aн]OH+H2SiO3↔[Aн]2SiO3+2H2O. 
 
Основною характеристикою іонітів (катіонітів, аніонітів) є обмінна 
ємність – кількість функціональних груп в одиниці об’єму маси іоніту, яка 
визначається в мг-екв/дм3(г-екв/м3), мг-екв/г(кг). 
Існують такі види обмінної ємкості: повна, динамічна, статична. 
Повна обмінна ємкість - це кількість грам-еквівалентів іоніту, яка 
затримується 1м3 іоніту, який знаходиться в робочому стані, до того моменту, 
коли твердість фільтру зрівнюється із твердістю вихідної води. 
Динамічна обмінна ємкість-кількість функціональних груп іоніту, яка 
обмінюється одиницею об’єму або маси іоніту при постійному протіканні 
рідини до ”проскакування” іонів, що очищуються, у фільтрат. 
Статична обмінна ємкість-кількість функціональних груп, які 
обмінюються одиницею об’єму або маси іоніту, в статичних умовах до 
встановлення рівноваги. 
Швидкість іонного обміну залежить від валентності іонів, їх заряда, 
ступеня гідратації, ефективного радіуса іону та інших. 
 
За величиною динамічної активності енергію входження різних    
катіонів в катіоніт можна описати для однакових умов таким рядом: 
 
Na+ ‹ NH + 
4 ‹ K+ ‹ Ba2+ ‹ Mq2+ ‹ Ca2+ ‹ Al3+ ‹ Fe3+, 
 
тобто чим більше заряд катіонів, тим більше їх енергія входження в катіоніт. 
Ця закономірність змінюється при збільшенні концентрації катіонів. 
Для катіонів однакової валентності енергія входження в катіонів 
залежить від ступеня їх гідратації, енергія входження Н+ в 17 разів більша, ніж 
у Na+ і в 4 рази більша, ніж у Са2+, що впливає на процес регенерації катіонів. 
Енергію входження різних аніонів у сильно основний аніоніт за їх 
динамічною активністю можна представити таким рядом: 
 
ОН- ‹ НSiO -
3  ‹ HCO -
3  ‹ Cl- ‹ H -
2PO4  ‹ NO - 
3 ‹ SO 2-
4 . 
 
Швидкість іонного обміну залежить також від швидкості їх дифузії до 
поверхні розділу іон-вода і визначається його структурою. При компактній 
структурі іоніта обмін відбувається швидко і в основному на зовнішніх 
поверхнях-екстраміцелярний обмін, але при цьому не повністю 
використовується сорбційна ємність іоніту. У випадку пористої структури 
іоніт, коли коли розміри капілярних каналів більша діаметру гідратованих 
іонів, обмін здійснюється на внутрішній поверхнях –інтерміцелярний обмін. 
Швидкість його менша, а обмінна ємкість іоніту більша. 
В технології водопідготовки в основному використовують органічні  
іоніти штучного походження. 
Якість іонітів характеризується їх фізичними властивостями, хімічною і 
термічною стійкістю, робочою обмінною ємкістю та іншими 
характеристиками. Фізичні властивості іонітів залежать від їх фракційного 
складу, механічної міцності і насипної густини [ 6 ].   
Технологічна характеристика катіонітів і аніонітів, які найчастіше 
використовуються для знесолення і опріснення води представлена у таблицях 
2.1 та 2.2. 
 
Таблиця 2.1 – Технологічна характеристика катіонітів 
Насипна густина Повна 
Марка Активна продукту, т/м3 Розмір об’ємна 
катіоніту група зерен, мм ємкість, 
Товарного Набухлого 
г-екв/м3 
Сульфовуггілля 
– SO3H 0,67 – 0,70 0,42 0,50 – 1,20 500 
(сорт СК-1 
крупні) 
КУ – 1  – SO3H 0,60 – 0,75 0,33 0,30 – 2,00 650 
КУ – 2 – 8  – SO3H 0,60 – 0,75 0,33 0,35 – 1,25 1700 
КУ – 2  – SO3H 0,73 0,65 0,30 – 1,50 1700 
КУ – 2 – 8чС – SO3H 0,70 – 0,90 0,33 0,40 – 1,50 1700 
КБ – 4 П2 – COOH 0,68 – 0,82 0,17 – 0,33 0,25 – 1,00 2800 
Емберлайт IRC 
– COOH 0,50 0,42 0,30 – 1,00 2800 
– 50  
 
Таблиця 2.2 – Технологічна характеристика аніонітів 
Насипна густина Повна 
продукту, т/м3 об’ємна 
Марка Активна Розмір 
ємкість, 
аніоніту група зерен, мм 
Товарного Набухлого г-екв/м3, 
за SO 2- 
4
АН – 31  ≡N, =NH 0,72 – 0,75 0,31 0,4 – 2  1500 
АВ – 17 – 8  – N+ R3 0,74 0,33 0,355 – 1,25 – 
АВ – 17 – 8гЭ – N+ R3 0,74 0,33 0,4 – 1,25 – 
ЭДЭ – 10П 
≡N, =NH 0,6 0,45 0,4 – 1,6 1200 
Эмберлайт 
IRA – 400 – N+ R3 0,71 0,45 0,3 – 0,85 – 
IRA – 400 – N+ R3 0,75 0,46 0,3 – 0,85 – 
 
Фракційний склад характеризує експлуатаційні властивості іонітів. Так 
мілкозернистий іоніт має більш розвинену поверхню, більшу обмінну ємність. 
Однак із зменшенням зерен іоніту збільшується гідравлічний опір 
фільтрів і витрати електроенергії на фільтрування  води. Виходячи з цього 
оптимальний розмір іоніту складає 0,3-1,5 мм. 
Механічна міцність має важливе значення для встановлення зносу 
іонітів в процесах експлуатації та вибір їх марки. 
Недодержування хімічних і термічних умов експлуатації іонітів 
призводить до пептизації (переходу із нерозчинного стану в стан колоїдного 
розчину), руйнування і втрат обмінних властивостей. 
Іоніти характеризуються набухлістю, тобто вони у воді набухають, 
збільшуючись в об’ємі. Ступінь набухливості іонітів визначається 
відношенням насипних густин однієї і такої ж маси іоніту у повітряно-сухому 
і набухлому станах-коефіцієнтом набухливості. 
Робоча обмінна здатність іонітів залежить від виду видалених з води  
іонітів, співвідношення сольових компонентів в обробляє мій воді, значення 
рН води, висоту шару іоніту, швидкості фільтрування, режиму експлуатації, 
питомих витрат регенераційних розчинів і від інших факторів. 
Регенерація Н-катіонітових фільтрів проводиться розчином сульфатної 
кислоти Н2SO4, з масовою часткою 1,5-2,0 %. Регенерація ОН-аніонітових 
фільтрів проводиться розчином лугу NaOH з масовою часткою 4,0%. 
Регенерація Н-катіонітових і ОН-аніонітових фільтрів відбувається за 
реакціями: 
Ca[Кат]2+ H2SO4↔2H[Кат]+CaSO4, 
 
Mq[Кат]2+H2SO4↔2H[Кат]+MqSO4, 
 
2Na[Кат]+H2SO4↔2H[Кат]+Na2SO4, 
 
2K[Кат]+H2SO4↔2H[Кат]+K2SO4, 
 
                         [Ан]2SO42NaOH↔2[Ан]OH+Na2SO4, 
 
                          [Ан]Cl+NaOH↔[Ан]OH+NaCl, 
 
[Ан]2SiO3+2NaOH↔2[Ан]OH+Na2SiO3. 
 
 
2.2  Метод визначення значення pH 
 
Визначення pH здійснюють потенціометричним, візуально-
колориметричним або фотоколориметричним методами. 
 Використання приладу  pH -метра дозволяє вимірювати pH в більшому 
діапазоні і більш точно (до 0,01 одиниці pH), ніж за допомогою універсальних 
індикаторів. Спосіб відрізняється зручністю і високою точністю, особливо 
після калібрування індикаторного електроду в обраному діапазоні рН.   
рН =  lg [H+] 
 
Величина рН характеризує стан водного середовища: 
 в нейтральному середовищі [H+] = [OH] = 107 моль/дм3,  рН = 7; 
 якщо [H+]  [OH], рН  7 – середовище кисле; 
 якщо [H+]  [OH], 7 рН  14 – середовище лужне. 
 Для проведення вимірювання використовувався портативний 
високоточний pH-метр Kelilong РН-061 для води і водних розчинів. 
Даний рН - метр Kelilong PH-061( Рис.2.1) вимірює рівень кислотності 
води та розчинів від 0 до 14 pH з кроком 0.01 pH і оснащений вбудованим 
сенсором для автоматичного температурної компенсації (АТС) від 0 до 50 ° C. 
рH- метр відрізняється великим і контрастним дисплеєм та має широкий 
діапазон застосування - від побутового до лабораторного і промислового.  
 
Рис.2.1  рН - метр Kelilong PH-061 
 
Опис pH метри моделі Kelilong PH-06: 
Функція вимірювання кислотності pH води 
Калібрування по 2 точкам за допомогою калібрувальної викрутки (в 
комплекті) 
Діапазон вимірювання кислотності: 0.00 - 14.00 pH 
Робоча температура: 0 - 50 ° C 
Великий LСD дисплей 
Калібрування в заводських умовах по 2 точкам з використанням 
буферних розчинів (pH 4.01, 7.01, 10.01 або 4.01, 6.86, 9.18) 
У комплекті: ударостійкий футляр-кейс для зберігання і перенесення, 
викрутка для калібрування 
Технічні характеристики: 
Діапазон вимірювання: 0.00 - 14.00 pH 
Автоматична температурна компенсація (АТС): 0 - 50 ° C 
Ціна поділки: 0.01pH 
Похибка: ± 0.1pH, 
Калібрування по двох точках з вибором з 6-ти буферних типів (pH 4.01, 
7.01, 10.01 або 4.01, 6.86, 9.18) 
Харчування: батареї 4 x 1.5V (AG13) в комплекті. Тривалість роботи 
батарейок більше 1000 годин. 
Розміри: 155 x 31 x 16 мм 
Вага (г): 60. 
У набір входить: 
рН-метр; 
комплект концентратів калібрувальних розчинів (рН 6,864 і рН 4,003); 
міні-викрутка; 
інструкція з експлуатації; 
стандартна заводська упаковка [ 7 ]. 
Інструкція: 
Вимірювання: 
• Зняти ковпачок. Перед першим використанням промити  електрод pH- 
метра дистильованої водою і висушити серветкою. 
• Увімкнути прилад натисненням кнопки ON / OFF. 
• Опустити електрод pH- метра в розчин для проведення вимірювань до 
зазначеного на корпусі рівня. 
• Злегка помішуючи, дочекатись стабілізації результату вимірювання на 
дисплеї. 
• Після використання, промити електрод водою і зберігайте з декількома 
краплями кошти для зберігання MA9015 або pH7 буферного розчину 
(M10007) в ковпачку. 
• Завжди вимикати прилад і одягати ковпачок, якщо не користуватись  
pH метром. 
Ніколи не використовувати дистильовану воду для зберігання. 
Калібрування: 
• Для калібрування по двох точках, помістити електрод в буферний 
розчин pH 6.86 (або pH 7.01) і прилад автоматично визначить і відобразить 
результат вимірювання на дисплеї. 
• Дочекайтеся стабілізації вимірювання на дисплеї і, використовуючи 
маленьку викрутку, повернути калібрувальний триммер до значення 
каліброваного розчину pH 6.86 (або pH 7.01) на дисплеї приладу. 
• Для калібрування по другій точці помістити електрод в буферний 
розчин pH 4.01 або pH 9.18 (або pH 10/01) і приблизно через хвилину прилад 
автоматично визначить і відобразить результат вимірювання 
використовуваного каліброваного розчину pH 4.01 або pH 9.18 (або pH 10/01) 
на дисплеї. 
• Калібрування закінчено [ 8 ]. 
 
2.3 Метод визначення масової концентрації іонів заліза 
 
 Для визначення масової концентрації іонів заліза у воді 
використовувався спектрофотометр Ulab 102 (Рис.2.2) 
 
 
Рис.2.2  Спектрофотометр Ulab 102 
 
         Даний прилад -  оптичний прилад, який  призначений для вимірювання 
коефіцієнта пропускання, оптичної щільності досліджуваних твердих і рідких 
проб при проведенні різного роду аналізів та обчислення оптичної щільності.     
Відмінні особливості спектрофотометра Ulab 102: 
  • Програмна установка довжини хвилі; 
• Автоматична установка темнового струму при зміні довжини хвилі; 
• Підвищена стабільність результатів вимірювань в порівнянні з 
поширеними аналогами; 
• Режим кількісного аналізу з побудовою градуювань зі стандартних 
зразків або вводиться коефіцієнтам 
• Великий РК-дисплей (128x64); 
• Збереження в пам'яті приладу до 50 груп даних і до 100 градуювальних 
кривих. 
Спектрофотометр Ulab 102 оснащений матричний РК-дисплеєм для 
фотометричних результатів, відрізняється простотою експлуатації, діапазон 
довжин хвиль 325 нм до 1000 нм. Цей прилад ідеально підходить для 
вимірювань у видимому і ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль спектра. 
Спектрофотометр складається з п'яти частин:  
1) галогенною або дейтерієвої лампи як джерела світла;  
2) монохроматора для відділення необхідної довжини хвилі і усунення 
небажаного випромінювання другого порядку; 
 3) кюветного відділення для приміщення досліджуваного розчину; 
 4) детектора для реєстрації пропущеного світла і його перетворення в 
електричний сигнал; 
 5) цифрового екрану для відображення значень поглиненого або 
минулого світла.  
Виконання роботи: 
1. Ввімкнути спектрофотометр Ulab 102 на 20 хв. для прогрівання, при 
цьому кюветне відділення повинно бути закритим. Після прогрівання система 
переходить до основного меню. 
2. Для вимірювання оптичної густини у фіксованій точці довжини хвилі 
натиснути кнопку MODE для переміщення курсору на функцію 
«А».Натиснути кнопку ENTER для безперервного виміру. 
3. Для установки довжини хвилі потрібно натиснути GOTO ʎ, вибрати 
значення довжини хвилі стрілкою, потім натиснути ENTER для 
підтвердження.  
4. Для проведення калібрування 100% Т/0Abs потрібно поставити 
еталонний розчин на світлому шляху та натиснути ZERO. 
5. Для вимірювання оптичної густини зразка необхідно поставити 
кювету, заповнену розчином на шляху світла, натиснути кнопку START для в 
вимірювання , і результат відобразиться в даних [ 9]. 
Для приготування розчину використовується наступна методика : 
у колби місткістю 25 см3 додати 20 см3 досліджуваної води та по 2 см3 розчинів 
сульфосаліцилової кислоти та амоніаку.   
Лише після цього можна виміряти  на спектрофотометрі оптичну густину для 
досліджуваних проб та визначити концентрацію заліза за калібрувальним графіком [ 10 ]. 
 
 
2.4 Визначення твердості води 
 
Твердість води визначається кількістю розчинених у ній солей 
вугільної, сірчаної, хлор-водневої, фосфорної, азотної кислот, переважно 
кальцію і магнію.  
Метод ґрунтується на утворенні міцної комплексної сполуки трилону Б 
(двонатрієвої солі етилендіамідтетраоцтової кислоти - ЕДТА) з іонами кальцію 
і магнію. Визначення проводять титруванням проби трилоном Б при рН=10 в 
присутності індикатора. 
Для перевірки якості дистильованої води до 100 см3 додають 1 
см3 буферного розчину і 5-7 крапель індикатора. В чистій воді з'явиться спік з 
бузковим відтінком забарвлення. 
В колбу наливають 100 мл досліджуваної води, додають 5 мл 
буферного розчину та 7-8 крапель індикатора хромогену чорного. 
Забарвлення розчину - винне. 
     Розчин титрують 0,05 н розчином трилону Б до переходу 
забарвлення в зелено-синє. 
   Розрахунок проводять за формулою, (мг ек/вл) : 
 
                 Х=                а• 0,05• 1000 
                                                 V 
          
де а - кількість трилону Б, використаного на титрування; 
V - об'єм досліджуваної води, мл; 
0,05 - нормальність титру [11] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ . АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ 
 
        3.1 Опис лабораторної установки для дослідження процесу знесолення природної води. 
 
       Лабораторна установка представлена на рисунку 3.1 і змонтована у розрахунку на виконання 
планового експерименту, де змінними параметрами процесу є концентрація домішок у вихідній 
воді, фільтрування, а також час обробки на мембранах  зворотноосматичної установки та УФО 
установці. 
 Знесолена вода може використовуватись не тільки хімічними виробництвами а і  різними 
підприємствами ( елеваторами для пропарювання та обробки , фармацевтичними корпораціями ) 
тому вважаю за доцільне останню стадію обробки ультрафіолетовим знезараженням. 
 
 
1-механічний фільтр грубої очистки; 2-3 –Nа-катіонітовий фільтр; 
4-вугільний фільтр; 5-фільтр механічної очистки 5мкм; 
6-зворотноосмотична установка (2 мембрани); 7-зворотноосмотична установка (1 
мембрани);8-ультрафіолетове опромінення; 9-насос 
 
Рисунок 3.1 Схема лабораторної експериментальної установки 
 
 
       Вхідна природна вода з свердловини надходить на фільтр очистки від механічних домішок. 
Загальний вигляд фільтру наведено на рисунку 3.2. 
 
 
Рисунок 3.2 – Фільтр очистки  від механічних домішок. 
 
      Фільтр марки Filter1 FPV-12HWF1 призначений для видалення з води механічних домішок 
(піску, мулу, іржі та т. п.). Захищає та продовжує термін експлуатації основного обладнання для 
водопідготовки, труб, запірної арматури. З фільтру механічної очистки поз.1 вода надходить під 
тиском 0,25 МПа на один з Nа-катіонітового фільтру поз.2 (Nа-катіонітові фільтри працюють 
паралельно, один на очистку, другий на регенерацію). Ззагальний вигляд натрій-катіонітового 
фільтру представлений на рисунку 3.3.  
 
 
 
Рисунок 3.3 – Загальний вигляд Nа-катіонітового фільтра 
 
    Метою натрій-катіонування є видалення з питної води іонів, що зумовлюють жорсткість води, 
тобто кальцію і магнію.Сам процес описують реакції: 
2Na [K] + Ca(HCO3)2 → Ca[K]2 + 2NaHCO3,  
2Na [K] + Mg(HCO3)2 → Mg[K]2 + 2NaHCO3,  
2Na [K] + CaCl2 →  Ca[K]2 + 2NaCl,  
2Na[K] + MgCl2 →  Mg[K]2 + 2NaCl,  
2Na [K] + CaSO4 → Ca[K]2 + Na2SO4, 
2Na [K] + MgSO4 → Mg[K]2 + Na2SO4,  
2Na [K] + CaSiO3 → Ca[K]2 + Na2SiO3,  
Na [K] + MgSiO3 → Mg[K]2 + Na2SiO3 
де [К] – нерозчинна матриця катіоніту. 
   На Na-катіонітовий фільтр подається вода, яка має показники,наведені в таблиці 3.1. 
 
Таблиця 3.1 – Параметри води, що подається на Na-катіонітовий фільтр. 
Параметр Од.вимірювання кількість 
Завислі частинки мг/дм3 < 8 
Кольоровість Град. < 30 
 
   Na-катіонітовий фільтр завантажений катіонітом марки КУ-2-8 вітчизняного виробництва. 
Катіоніт КУ-2-8 ― дуже кислотна іонообмінна смола, має гелеву структуру, випускається у вигляді 
мілких гранул. Для лабораторної установки застосовано фракцію крупністю 0,8-1,2 мм. 
Параметри проведення експериментів наведені в таблиці 3.2. 
 
 
 
Таблиця 3.2 –Параметри роботи Na-катіонітового фільтру. 
  Фактичне  
Параметр Од.вимірювання значення 
Режим очистки води  
Фракція КУ-2-6 мм 0,8-1,2  
Швидкість фільтрації м/год. (см3/хв..) 15 (250)  
Інтенсивність подачі води до розпушування дм3/с*м2 4  
Тривалість розпушування хвилин 20  
Висота шару катіоніту м 0,25  
Втрати напору при заданій швидкості м 0,045  
фільтрування 
Обмінна ємкість катіоніту мг-екв./100 см3  150  
Обєм катіоніту см3 1000  
Режим регенерації  
Реагент NаСІ, розчин концентрації  % мас. 5,5  
Швидкість регенераційного розчину м/год. . (см3/хв.) 4 (0,07)  
Питома витрата води на відмивання дм3/10 5  
см3катіоніту 
 
                 3.2 Методика  проведення і обробка результатів експериментів 
Параметри  води на вході наведено в таблиці 3.2 . 
Таблиця 3.2- Параметри  води на вході на механічний фільтр 
№ Аналітичні показники природної води на вході на механічний фільтр 
дослід
у РН Жорсткість Залізо Електропро- Сухий 
мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, мг/дм3 
мг/дм3 мкС∙см-1 
1 7,6 7,1 900,0 
0,3 550 
2 7,3 6,5 0,25 510 870 
3 7,0 6,0 0,2 500 860 
4 7,1 5,5 0,18 500 856 
5 7,1 4,5 0,15 500 848 
6 7,2 4,0 0,13 490 847 
Параметри і результати очистки питної води на механічному і Na-катіонітовому фільтрах 
наведені відповідно в  таблиці 3.3 і 3.4 
 
Таблиця 3.3 - Параметри природної води на виході з Na-катіонітового фільтру 
№ Аналітичні показники питної води на виході з Na-катіонітового фільтру 
дослі
ду РН Жорсткість Залізо Електропро- Сухий 
мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, мг/дм3 
мг/дм3 мкС∙см-1 
1 6,9 
5 0,22 355 612 
2 6,75 4,6 0,18 340 590 
3 6,64 4,2 0,14 340 586 
4 6,6 3,9 0,13 335 586 
5 6,5 3,2 0,13 335 580 
6 6,5 2,9 0,1 337 580 
 
Таблиця 3.4- Результати очистки природної води після механічного і Na-катіонітового 
фільтрів 
1 5 29,58 0,22 26,7 355 35,45 612 32 6,9 
2 4,6 29,5 0,18 28 340 33,3 590 32,2 6,75 
3 4,2 30 0,14 30 340 33,3 586 31,9 6,64 
4 3,9 29,4 0,13 33 335 33 586 31,5 6,6 
5 3,2 28,9 0,13 34 335 33 580 31,48 6,5 
6 2,9 27,5 0,1 35 337 32,6 580 31,4 6,5 
 
    Результати очистки питної води за допомогою використання механічного і Na-катіонітовому 
фільтрів наочно представлені графіком залежності ступеня очистки від концентрації солей 
жорсткості на рисунку 3.4. 
№ досліду 
Жорсткість 
мг-екв./дм3 
Ступінь 
очищення, % 
Залізо загальне, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
Електропро- 
відність, 
мкС∙см 
Ступінь 
очищення, % 
Сухий 
залишок, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
РН 
  
 
Рисунок 3.4 – Графік залежності ступеня очистки на Na-катіонітовому фільтрі від 
концентрації солей жорсткості вихідної води 
 
Результати очистки питної води за допомогою використання механічного і Na-
катіонітовому фільтрах наочно представлені графіком залежності ступеня очистки від 
концентрації загального заліза  на рисунку 3.5 
 
 
Рисунок 3.5 – Графік залежності ступеня очистки на Na-катіонітовому фільтрі від 
концентрації солей загально заліза вихідної води 
 
      Результати очистки питної води за допомогою використання механічного і Na-катіонітовому 
фільтрах наочно представлені графіком залежності ступеня очистки від електропровідності 
вихідної води  на рисунку 3.6 
      Аналізуючи отримані дані видно, що максимальна ступінь очищення досягаєься при 
концентрації солей жорсткості в вихідній воді від 5 до 4 мг-екв./дм3. Фактично, в досліджуваній 
питній воді вміст солей жорсткості в залежності від пори року  коливається в широких межах і 
необхідно застосовувати спосіб очистки, який ефективний в діапазоні 4-7 мг-екв./дм3. 
 
 
                                                        Електропрвідність,мкС*см-1 
 
Рисунок 3.7 – Графік залежності ступеня очистки на Na-катіонітовому фільтрі від 
електропровідності  вихідної води 
 
     Результати очистки питної води за допомогою використання механічного і Na-катіонітовому 
фільтрах наочно представлені графіком залежності ступеня очистки від концентрації сухих речовин  
на рисунку 3.8. 
 
 
Рисунок 3.8 – Графік залежності ступеня очистки на Na-катіонітовому фільтрі від 
концентрації сухих речовин  вихідної води 
      
       Для застосування ефективніших методів очистки води встановлюється вугільний фільтр, щоб 
звільнити воду від хлорорганічних домішок. Загальний вигляд вугільного фільтра показано на  
рисунку 3.5  
 
 
 
Рисунок 3.5 – Вугільний фільтр  
 
       Застосування вугільного фільтра забезпечує очистку питної води від забруднень органічного 
походження, зокрема, хлорорганічних сполук. Найбільш поширеною формою випуску фільтрів є 
картриджі. Вони являють собою блок, який складається з декількох шарів. Зовнішня частина 
виготовляється з сіток різної щільності. Ця ділянка фільтра повинен утримувати механічні 
забруднення. Усередині картриджа перебуває активоване вугілля. Вугільний фільтр для води 
вимагає заміни в міру свого забруднення. 
      В лабораторній установці після Na-катіонітового фільтру поз.2 (3) вода надходить на очистку 
від органічних домішок на вугільний фільтр поз.4. Щоб уникнути попадання дрібних частинок 
вугілля вода додатково очищується на механічному фільтрі поз.5. Фільтруючій елемент: 
поліпропіленовий картридж ВВ20. Рейтинг фільтрації складає 5мкм. 
     Щоб збільшити ступінь очистки питної води від солей жорсткості в більш  широких діапазонах 
концентрацій проведені експерименти з застосуванням двоступеневої зворотно-осмотичної 
установки, характеристика яких наведена нижче. Агальний вигляд такої мембрани показано на 
рисунку 3.6 
 
Рисунок 3.6 – Загальний вигляд мембрани рулонного типу. 
 
 
      Зворотноосмотичні мембрани Amfor TW30-2521 виробництва компанії Amfor INC (США), 
забезпечують ефективну очистку води від широкого спектра розчинених речовин як органічного, 
так і неорганічного походження (до 99, 8%). Мембрани Amfor TW30-2521 призначені для 
знесолення води з вмістом солей до 2000 мг / л. Продуктивність - 1.23 м3 / добу. Робочий тиск - 15 
бар. Селективність - 99.5%. Активна площа - 1.2 м2. 
       Після вугільного фільтра поз.5 вода насосом  подається на першу ступінь знесолення води. Установка 
складається з двох мембран рулонного типу Amfor TW30-2521. 
      Параметри очистки питної води після І-го ступеня за допомогою зворотно осмотичних мембран 
представлені в таблиці 3.5 
      Результати очистки пом’якшеної води на І ступені зворотно осмотичної установки представлені в таблиці 
3.6 
 
Таблиця 3.5- Параметри природної води на виході з І ступеня зворотно осмотичної 
установки 
 
№ Аналітичні показники питної води на виході з І ступеня зворотно 
дослід осмотичної установки 
у РН Жорсткість Залізо Електропро- Сухий 
мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, мг/дм3 
мг/дм3 мкС∙см-1 
1 6,4 
0,85 0,05 110 85 
2 6,35 0,78 0,045 100 81 
3 6,3 0,65 0,04 98 76 
4 6,3 0,6 0,03 90 70 
5 6,3 0,5 0,02 85 70 
6 6,5 2,9 0,1 80 68 
 
Таблиця 3.6- Результати очистки природної води після І ступеня зворотно осмотичної 
установки 
1 0,85 88,03 0,05 83,3 110 80 85 90,56 6,4 
2 0,78 88 0,047 81,2 100 80,3 81 90,69 6,35 
3 0,65 89,17 0,038 81 98 80,4 76 91,16 6,3 
4 0,6 89,1 0,033 81,7 90 82 70 91,8 6,3 
5 0,5 88,9 0,026 82,7 85 83 70 91,7 6,3 
6 0,4 90 0,02 84,2 92,3 80 83,7 68 6,5 
 
 
 
№ досліду 
Жорсткість 
мг-екв./дм3 
Ступінь 
очищення, % 
Залізо загальне, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
Електропро- 
відність, 
мкС∙см 
Ступінь 
очищення, % 
Сухий 
залишок, 
мг/дм3 
Ступінь 
очищення, % 
РН 
      Залежність ступіня очистки від концентрації домішок в вихідній воді  після І ступеня зворотно 
осмотичної установки наведено  на рисунках 3-7-3.10. 
 
 
 
Рисунок 3.7-Залежність ступеня очистки від концентрації солей твердості у вихідній воді 
після І ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
Рисунок 3.8-Залежність ступеня очистки від концентрації загального заліза у вихідній воді 
після І ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
Рисунок 3.9-Залежність ступеня очистки від електропровідності у вихідній воді після І 
ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
 
Рисунок 3.10-Залежність ступеня очистки від концентрації сухих речовин у вихідній воді 
після І ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
Аналізуючи склад очищеної води після І ступеня зворотного осмосу можна зробити 
висновок, що вода звільнилась від домішок по концентрації солей жорсткості на 88-90% в 
залежності від концентрації солей у вихідній воді. Чим вища жорсткість, тим менша ступінь 
очистки. 
       Так само, ступінь очистки від загального заліза лежить в межах 81-82,6%. 
Електропровідність знизилась від 80 до 83,6 %, очистка від сухих речовин 90,4-92%. 
       Результати свідчать про те, що для досягнення 99,7 % необхідно застосувати ще одну ступінь 
зворотно осмотичної очистки.  
       Отже, після першого ступеня для нейтралізації СО2  в лінію води після І ступеня очистки 
дозують до 5 мл NаОН 0,01 N і спрямовують потік на другу ступінь зворотно осмотичної системи. 
Далі очищену воду аналізують. 
        Показники якості очищеної води представлені в таблиці 3.7 
 
Таблиця 3.7- Параметри очищеної води на виході з ІІ ступеня зворотно осмотичної 
установки 
 
№ Аналітичні показники питної води на виході з Na-катіонітового фільтру 
дослі
ду РН Жорсткість Залізо Електропро- Сухий 
мг-екв./дм3 загальне, відність, залишок, мг/дм3 
мг/дм3 мкС∙см-1 
1 
6,15 0,025 0,002 5 8,4 
2 6,13 0,02 0,0016 4,7 8,1 
3 6,11 0,016 0,001 4,55 7,6 
4 6,1 0,014 0,0008 4,4 7 
5 6,1 0,011 0,0005 4,3 6 
6 6,1 0,005 0,0004 4,3 4 
 
 
Залежність ступіня очистки від концентрації домішок в вихідній воді  після І ступеня 
зворотно осмотичної установки наведено  на рисунках 3.11-3.14.. 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 3.8- Результати очистки  води після ІІ ступені зворотно осмотичної установки 
1 0,025 99,64 0,002 99,33 5 99,09 8,4 99,06 6,15 
2 0,02 99,69 0,0016 99,36 4,7 99,07 8,1 99,06 6,13 
3 0,016 99,73 0,001 99,5 4,55 99,09 7,6 99,1 6,11 
№ досліду 
 Жорсткість,мг-екв./дм3 
Ступінь очищення, % 
 Загальне залізо,мг/дм3 
Ступінь очищення, % 
Електропровідність, мкС∙см 
Ступінь очищення, % 
Сухий залишок, мг/дм3 
  
Ступінь очищення, % 
РН 
4 0,014 99,74 0,0008 99,5 4,4 99,12 7 99,1 6,1 
5 0,011 99,75 0,0005 99,66 4,3 99,14 6 99,2 6,1 
6 0,005 99,87 0,0004 99,69 4,3 99,12 4 99,52 6,1 
 
 
 
 
Рисунок 3.11-Залежність ступеня очистки від концентрації солей твердості у вихідній воді 
після ІІ ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.12-Залежність ступеня очистки від концентрації загального заліза у вихідній 
воді після ІІ ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.13-Залежність ступеня очистки від електропровідності у вихідній воді після І 
ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
 
 
 
Рисунок 3.14-Залежність ступеня очистки від концентрації сухих речовин у вихідній воді 
після ІІ ступеня зворотно осмотичного очищення 
 
3.3 Аналіз результатів проведених експериментів 
 
      Створена система очистки вихідної природної води з централізо, яка включає в себе механічний 
фільтр, іоннообміний, вугільний і двоступеневу зворотноосмоьичнуустановку забезпечила ступінь 
очищення:  
      По вмісту солей жорсткості з (4,0 -7,1) до (0,005-0,025) мг-екв./дм3 ― до 99,9%,; 
     По вмісту загального заліза з (0,13-0,3) до (0,002-0,0004) мг/дм3 ― до 99,7%,; 
     За електропровідністю  з (490-550) до (4,3-5,0) мкС*см-1― до 99,12%,; 
     За вмістом сухих ечовин з (847-900) до (8,1-4) мг/дм3 ― до 99,5%,; 
     РН зменшилось з (7,1-7,6) до (6,0-6,15) од.РН. 
     Після зворотноосиотичного очищення особливо чиста вода опромінювалась ультрафіолетовим 
випромінюван  
      Використання ультрафіолету при промисловій водопідготовці – можливо за потреби. 
Знищуючи патогенні мікроорганізми і бактерії, ультрафіолетова лампа для очищення води не 
вносить в оброблюване  
середовище ніяких домішок.  
Популярність застосування ультрафіолетових ламп для очищення води на виробництві 
пояснюється рядом переваг такої технології: 
 при знезараженні зберігається фізико-хімічний склад води; 
 після ультрафіолетових промислових фільтрів для води в очищеному середовищі відсутні 
вторинні продукти обробки; 
 УФ-випромінювання нейтралізує як спороутворюючі, так і вегетативні бактерії; 
 промислові системи водопідготовки ультрафіолетом - універсальне, ефективне й 
економічно вигідне рішення; 
 простотою використання, обслуговування та компактністю - промислові системи 
очищення води ультрафіолетом і установки зворотного осмосу легко встановлюються в уже 
існуючі схеми систем водоочистки та водопостачання; 
 відсутністю необхідності створювати систему безпеки і запасатися реагентами; 
 при установці промислових фільтрів для очищення води ультрафіолетом на вже 
побудованих очисних спорудах не потрібно проводити реконструкцію приміщень або 
здійснювати масштабні будівельні роботи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ  
 
4.1 Технологічна схема знесолення природної води 
 
Запропонована удосконалена технологічна схема знесолення природної 
води представлено на рисунку 4.1 
Вода із водозабірної свердловини глибинним насосом    перекачується в 
апарати технологічної схеми. Першою стадією очищення води є видалення 
заліза та фільтрація. Управління електродвигуном глибинного насосу 
здійснюється в ручному або автоматичному режимі за допомогою пристрою, 
що встановлений на пульті управління. 
Для фільтрації води і видалення із неї заліза та мангану вихідна вода 
поступає на три фільтри      . У якості фільтруючого завантаження у фільтрах 
використано Birm, який служить каталізатором реакції окислення заліза та 
мангану розчиненим у воді киснем. Під час фільтрації розчинене у воді залізо 
взаємодіє на поверхні бірма з розчиненим киснем. Бірм володіє каталітичними 
властивостями та прискорює процеси окислення, що сприяє випадінню його у 
вигляді трьохвалентних оксидних з’єднань, які затримуються в шарі 
фільтруючого завантаження під дією адгезії. Грубодисперсні з’єднання , що 
містяться у воді, утворюють плівку на поверхні фільтруючого матеріалу до 
тих  пір, поки інтенсивність налипання не перевищує інтенсивність їх 
відривання. За умови досягнення розрахованого часу захисної дії 
завантаження фільтра, він відключається автоматично і ставиться на 
промивку. Промивка проводиться промивною водою із ємкості    шляхом 
подачі води в фільтри в зворотному напрямку. Промивочна вода входить в 
фільтруючий шар та «скаламучує» його. Зважені та колоїдні часточки 
відмиваються від фільтруючого матеріалу і виносяться промивною водою в 
дренаж. Після промивання та видалення зважених часток фільтр 
переключається на режим фільтрації води. Перед подачею освітленої води на 
установку знесолення та пом’якшення, з метою попередження можливого 
проскоку мілких зважених часточок (менше 19 мкм), в схемі встановлено 
патроннй фільтр. 
Нерозчинні з’єднання заліза та мангану, які утворюються у воді в 
результаті окислення, осаджуються в шарі завантаження та можуть бути легко 
відфільтровані. З метою видалення грубодисперсних, зважених та колоїдних 
забруднень (пісок, глина, окалина), перед установкою видалення заліза 
встановлено автоматичний сітчастий фільтр 100 мкм. 
Для пом’якшення частина води (20 м3/годину) далі поступає на 
іонообмінну установку в Na – катіонітові фільтри       . Три фільтри 
завантажені іонообмінною смолою Lewatit S 1467 Na працюють безперервно. 
Катіоніт володіє здатністю видаляти із води іони Са2+ і Mg2+ та віддавати 
уводу еквіваленту кількість іонів Na+. Пом’якшуючи воду катіоніт поступово 
насичується іонами Са2+ і Mg2+ та втрачає здатність до іонного обміну. В 
процесі пом’якшення відбувається зниження загальної жорсткості води з 9,7 
мг-екв/л до 0,3 мг-екв/л. 
Для відновлення обмінної здатності катіоніту один із фільтрів 
періодично переключається на регенерацію. Регенерація проводиться шляхом 
промивання виснаженого катіоніту насиченим розчином натрію хлористого. 
Розчин солі для регенерації подається із бака       насосом       . Перед кожною 
регенерацією катіоніта проводиться зрихлююче промивання з метою усунення 
згущення катіоніту та видалення із фільтрів подрібненого катіоніту. Після 
регенерації проводиться відмивання водою від продуктів регенерації та 
надлишку солі. Вода для промивання подається насосом        із ємкості          . 
Частина води (45 м3/годину) після стадії видалення заліза та фільтрації 
подається на установку зворотноосмотичну            для знесолення. В установці 
зворотного осмосу проходить процес мембранного розділення вихідної води 
на два потоки: 
- потік знесоленої води (35 м3/годину); 
- концентрат (10 м3/годину). 
Знесолення води в установці основане на принципі зворотного осмосу – 
відділення знесоленої води від мінералізованої через напівпроникні мембрани 
під тиском, який є вищим від осмотичного. Для заданого типу мембран такий 
тиск складає 1,3 – 1,5 МПа.  
Знесолена вода в установці після проходження мембран попадає 
всередину дренажних каналів і далі передається в колектор фільтрату, а 
концентрат відводиться із установки та зливається в каналізацію. 
Для попередження утворення на поверхні мембран малорозчинних 
лужних відкладень в установці передбачено автоматичне дозування інгібітора 
утворення осаду., а також періодичне промивання та регенерація мембранних 
модулів. Дозування інгібітора у вихідну воду проводять безперервно насосом 
– дозатором    у всасуючу лінію робочого насосу       в кількості 5 мг/л 
вихідної води. 
Для промивання зворотно осмотичної установки передбачено вузол 
хімічної регенерації мембранних елементів, який включає:  
- бак маточного розчину  з електромішалкою та насосом для 
перекачування; 
- баки циркулюючих розчинів з насосами та фільтрами. 
Змішана вода після пом’якшення та знесолення в кількості 50 м3/годину 
поступає у вузол ультрафіолетової обробки          . Даний вузол складається із 
двох паралельно з’єднаних ультрафіолетових ламп SUV 100Р. Бактерицидні 
лампи розташовані на шляху слідування потоку води. Знезаражуюча дія 
ультрафіолетового випромінювання відбувається миттєво. 
Після знезараження вода поступає в накопичувальні ємкості  
В подальшому знесолена  вода може використовується на різноманітних 
підприємствах . 
 
 
 
 
 
4.2 Основні апарати на стадії знсолення води 
 
Основними апаратами схеми знесолення є Na-катіонітові, ОН-аніонітові 
фільтри та фільтри змішаної дії а також апарат зворотноого осмосу. 
На стадії розрахунку матеріальних потоків були визначені основні 
параметри іонообмінної апаратури. Вони підібрані однакові для фільтрів I та 
II ступенів, відрізняється лише матеріал завантаження. Це дасть змогу 
взаємозаміни апаратури при виведенні її на капітальні ремонти. 
Конструкційно відмінними є фільтри змішаної дії за рахунок більшої кількості 
розподільних пристроїв та складнішої їх будови. 
 
4.3 Na -катіонитовий фільтр І ступеню  
 
Na-катіонитовий фільтр І ступеню представлено на рисуноку 4.2. Фільтр 
прямоточний. Вапняно-коагульована вода проходить крізь верхній розподільчий 
пристрій 8, рівномірно розподіляється всій площі фільтру. Вода проходить скрізь 
шар катіоніту КУ-2-8, висотою 2,5 який розташований над нижнім розподільчим 
пристроєм. Вода очищена від катіонів кальцію і магнію, виходить в трубопровід 
Na-катіонованої води 6. Після проскоку іону натрію в очищену воду, фільтр 
вимикають з роботи і проводять регенерацію катіоніту через лінію 2. Для цього 
катіоніт розпушують водоя під тиском через трубопровід 5, знизу вверх фільтра. 
Катіоніт КУ-2-8 регенерують розчином сірчаної кислоти, з масовою часткою 1,8-
3,0 %, який подається зверху вниз і відводиться через трубопровід 4 в 
усереднювач кисло лужних стоків. Швидкість регенерації становить 4-5 м/с. Після 
регенерації катініт відмивають до кислотності на виході не буде становити 1,2-2,0 
мг-екв/дм3 в залежності робочої кислотності на робочих фільтрах. Промивна вода 
після відмивки Na-катінітового фільтра надходить в баки промивної води. 
Промивка фільтра виконується зверху вниз. Фільтр ставиться в резерв. Для 
ремонту фільтра використовується люк-лаз. 
 8 
     8 
         9 
   7 
      6 
      1 
      2 
     5 
     3       4 
 
1-подача води ; 2-подача регенераційного розчину води; 3-верхній дренаж; 4-
нижній дренаж; 5-підведення води для розпушування; 6-вихід очищеної води; 
7-лаз круглий; 8-верхній розподільчий пристрій; 9- шар іонообмінної смоли  
Рисунок 4.2– Na-катіонітовий фільтр. 
 
Регенерація іонообмінних фільтрів складається із слідуючих операцій: 
 - розпушування фільтруючого матеріалу; 
 - пропускання регенераційного розчину; 
 - попередньої відмивки; 
 - остаточної відмивки. 
Операція розпушування призначена для усунення ущільнення іоніта, відмивки 
дрібної фракції смоли та механічних забруднень, вирівнювання по поверхні 
фільтрата шару іоніта. 
При розрахунку матеріального балансу було визначено, що необхідна 
кількість Na-катіонітових фільтрів І ступеню становить 20 робочих і 2 
резервних. 
За довідковими даними прийнято фільтр типу ФИПа-3,4-0,6 (робочий 
тиск - 0,6 МПа, діаметр фільтру - 3400 мм, висота фільтруючого завантаження 
- 1600 мм). 
 
Швидкість фільтрування на фільтрах визначається за формулою: 
 
α Q
                                   V  1 год ,                    (4.1) 
n  f
де α – коефіцієнт запасу, 
     Qгод – годинні витрати води, м3/год. 
 
1,3 3484,34
                          V  = 24,97 м/год < 30 м/год. 
20 9,07
 
Об’єм катіоніту в робочому стані визначається за формулою: 
 
                     V  = f h,                                     (4.2) 
де f – площа  фільтрування, м2; 
     h – висота завантаження, м. 
 
                                  f = 3,14∙3,42 / 4 = 9,07 м2, 
 
                                 V  =9,07 ∙ 1,6 = 14,51 м3. 
 
Здійснюю конструкційний розрахунок катіонітового фільтра І ступеню. 
Споруда має еліптичне днище і кришку, які приварені до споруди. 
Тиск в апараті 0,6 МПа, температура t = 18 – 400С. Фільтр виготовлено 
зі сталі марки Ст3 з нанесенням захисного внутрішнього покриття – 
гумування та фарбуванням ззовні. 
Товщина стінки обичайки, навантаженої внутрішнім надмірним тиском 
визначається за формулою: 
 
р D
                                    S  ,                   (4.3) 
2σ  р
 
де р – тиск в апараті, МПа; 
    [δ] – допустима напруга сталі; 
    φ – коефіцієнт міцності зварного шва; 
    D – діаметр апарата, мм. 
Приймаю: [δ]40 = 131 МПа. 
Тоді: 
 
0,6 3400
S   2  9,8 мм . 
2 1311,00,6
 
Зі стандартного ряду приймаю найближче значення товщини стінки 10 мм. 
Розраховую штуцери входу і виходу очищуваної води за формулою: 
 
4 Q
                                dшт   ,         (4.4) 
 
 
де   Q  – витрати води, м3/с; 
        – швидкість води у трубопроводі, м/с; для рідин при 
перекачуванні насосами   2,5 м / с. [18, с.16].  
 
4 3484,34 / 20
                              dшт. вх.   0,157 м.   
3600 3,14  2,5
 
Обираю найближче стандартне значення труби з зовнішнім діаметром 
194 мм, товщиною стінки 6 мм. 
Товщина стінки сферичного днища розраховується за формулою: 
 
P R
                                           S   c ,                                             (4.5) 
2  доп
 
де R – радіус днища, мм. 
Таким чином товщина стінки днища становить: 
 
0,6 1250
                                        S   2  4,9  мм. 
2 1131
 
Товщина стінки днища приймається зі стандартного ряду – 6 мм. 
Проводимо розрахунок укріплення отворів. 
Найбільший діаметр отвору, що не потребує додаткового укріплення 
розраховується за формулою: 
 
 4 s 
                                    dдоп 1,2  1 D(s  c) ,                              (4.6) 
 3 s1 
 
де s – фактична товщина обичайки, см; 
    s1 – розрахункова товщина обичайки, см. 
Таким чином: 
 
 4 1,0 
                       dдоп 1,2  1 430  (1,0 0,2)  8,02  см. 
 3 0,98 
Тобто найбільший діаметр отвору, що не потребує укріплення – 6,11 см. 
Умова укріплення отворів відповідає такому рівнянню: 
 
                                         F  F0  Fк  Fш  Fc ,                                     (4.7) 
 
де F – площа, що підлягає компенсації, см2; 
    F0 – площа перерізу обичайки, що приймає участь в укріпленні, см2; 
    Fк – розрахункова площа поперечного перерізу, яке укріплює кільце, 
см2; 
    Fш – розрахункова площа поперечного перерізу штуцеру, см2; 
    Fс – площа перерізу зварних швів, см2. 
Площа, яка підлягає компенсації розраховується за формулою: 
 
                                             F  (d  2c)  S ' , см2,                                          (4.8) 
 
де с – прибавка на корозію, см; 
    d – внутрішній діаметр штуцеру, см; 
    S’ – розрахункова товщина стінки обичайки, см. 
 
Прибавка на корозію приймається с = 0,2 см.   
Внутрішній діаметр штуцера становить d = 19,4 - 2∙0,6 = 18,2 см. 
Розрахункова товщина стінки обичайки S’ = 0,98 см. Тоді: 
 
                            F  (18,2 2 0,2) 0,98 18,23  см2. 
 
Площа перерізу обичайки, що приймає участь в укріпленні 
розраховується за формулою: 
 
                       F0  2lк (S c) , см2,                                                             (4.9) 
де S – товщина стінки обичайки, см; 
    lк  – розрахункова ширина укріплюючого кільця, см. 
Значення lк  приймається як менше з двох значень: 
 
d
                                                        lк   c , см;                                           (4.10) 
2
                                                      lк  D(s  c) , см.                                     (4.11) 
 
Отже за формулою (3.9): 
 
18,2
 lк   0,2  9,3 см. 
2
 
За формулою (3.10): 
 
 lк  430 (1,00,2) 18,5см. 
 
Таким чином lк = 9,3 см. 
Отже: 
 
 F0  2 9,3  (1,00,2) 14,88  см2. 
 
Площа поперечного перерізу штуцеру, що бере участь в укріпленні 
розраховується за формулою: 
 
F  2H (s  c  s '
 ш ш ш ) , см2,                           (4.12) 
 
де Н – розрахункова висота штуцеру, см, 
    sш – товщина стінки штуцеру, см; 
    s'ш – розрахункова товщина стінки штуцеру, см. 
sш = 0,6 см; s'ш = 0,22 см. 
 
Висота штуцеру розраховується за формулою: 
 
 H  (d  2c)(sш  с) .                               (4.13) 
 
Тоді: 
H  (18,2 2 0,2)(0,6 0,2)  2,73см. 
 
Отже: 
 
Fш  2 2,73 (0,60,20,42)  0,98 см2. 
Площу перерізу укріплюючого кільця розраховують виходячи з 
нерівності (3.7): 
 Fк  F  (F0  Fш  Fc ) ,см2.                        (4.14) 
Отже: 
Fк 18,23 (14,880,981,12)  35,21 см2. 
Товщина укріплюючого кільця розраховується за формулою: 
F
 s к
к  , см.                                                (4.15) 
2  lк
35,21
Таким чином: sк   0,95  см ≈1,0 см. 
2 18,5
 
 
 
 
 
 
 
4.4 Зворотноосматична установка 
 
1- корпус; 2- прижимна шайба; 3 – перміатовідвідна трубка; 4- штуцер; 
5- прижимна гайка; 6 – перфорована шайба; 7- резинові кільця; 
8 – мембранний модуль; 9 – розподільча трубка. 
  
Рисунок 4.3  Зворотноосматична установка 
 
4.4.1 Розрахунок установки знесолення води 
Дані для розрахунку : 
 кількість очищаємої води    45 м3/добу; 
 початкова концентрація солей, моль/л.  0,4; 
 кінцева концентрація солей, моль/л.  0,01; 
 густина очищаємої води    998,2 кг/м3; 
 динамічна в’язкість очищаємої води  0,914∙10-6 м2/с; 
 тип мембран      МГА 90; 
Вибір робочої температури , типу мембрани та перепаду тиску через 
мембран 
 
З підвищенням температури розділяє мого розчину селективність 
мембран змінюється мало, а питома продуктивність збільшується в першому 
наближенні обернено пропорційно до в’язкості пермеату. Але з підвищенням 
температури зростає швидкість гідролізу полімерних мембран та скорочується 
строк їх служби. Враховуючи це, а також те, що використання 
теплообмінників ускладнює робить більш дорогим процес, процес очистки 
води будемо проводити за звичайних умов оточуючого середовища – т.б. 
температурі 20 0С. 
Із збільшенням перепаду тиску через мембрану зростає рушійна сила 
зворотного осмосу та збільшується питома продуктивність мембран. Але при 
високому тиску полімерні мембрани піддаються ущільненню, яке за певного 
тиску може нейтралізувати ефект пов'язаний з підвищенням продуктивності 
мембран (залежить від структури мембран). Крім того за високого тиску 
мембрани швидше забруднюються зваженими часточкам, присутніми в 
розчині. Практика показує, що в умовах довготривалого використання 
полімерних плоских мембран оптимальний перепад тиску складає 5 – 6 МПа. 
При виборі мембрани керуємося тим, що вона повинна володіти 
максимальною питомою продуктивністю при селективності, що забезпечує 
виконання вимог до якості пермеату. Крім того, мембрана повинна володіти 
високою хімічною стійкістю по відношенню до розділяємого розчину. 
При роботі на нейтральних розчинах найбільше розповсюдження 
отримали ацетат целюлозні мембрани, які характеризуються гарними 
розділяючи ми властивостями. Оскільки розділяємий розчин має рН = 7, то 
вибираємо ацетатцелюозну мембрану МГА – 90. Мембрана має селективність 
99,1% по іонам Са2+та 99,9% по іонам Mg2+ при рН розчину 6 та тиску 4,12 
МПа [ 6 ]. 
 
 
 
 
4.4.2 Розрахунок робочої поверхні мембран 
 
Питома продуктивність мембран по воді при розділенні зворотним 
осмосом з урахуванням того, що концентрація солей у очищає мій воді не 
перевищує 0,4 моль/л та в першому наближенні можна знехтувати впливом 
концентраційної поляризації, а також прийнявши те , що осмотичний тиск 
пермеату дуже малий (α2 = 0), можна розрахувати за формулою: 
 
G = G0(1 – α1/Δp) ,                                        (4.16) 
де G0 – продуктивність мембрани по воді, кг/(м2∙с). 
Згідно графіка  на  рисунку  11.2 [   ] знаходимо,  що  α1 = 0,0058 МПа;  
α2 = 0,023 МПа. 
Питома продуктивність на вході розділяємого розчину в апараті 
зворотного осмосу та на виході є рівною: 
 
Gп = 3,0∙10-3(1 – 0,023/5) = 2,98∙10-3 кг/(м2∙с), 
Gк = 3,0∙10-3(1 – 0,0058/5) = 2,99∙10-3 кг/(м2∙с). 
В першому наближенні приймаємо, що середня питома продуктивність 
мембран може бути виражена як середня арифметична величина. 
 
G  = (2,89 + 2,99)/2 = 2,985∙10-3 кг/(м2
сер ∙с). 
 
Тоді робоча поверхня мембран складе: 
 
F = Lр / Gсер = 0,35 / 2,985∙10-3 = 117 м2 ,                        (4.17) 
де L  = 0,46(1 – 4-1/0,991
р ) = 0,35 кг/с – питома продуктивність очищаємої 
води через мембрану МГА – 90, кг/с. 
 
 
 
4.4.3 Вибір апарату та визначення його основних характеристик 
 
Серед мембранних апаратів найбільше розповсюдження отримали апарати з 
фільтруючими рулонними елементами. Серед них найбільш перспективними є 
апарати, кожний модуль яких складається з декількох сумісно навитих рулонних 
фільтруючих елементів (РФЕ). Така конструкція дозволяє зменшити гідравлічний опір 
дренажу потоку пермеату завдяки тому, що шлях, який проходить пермеат в дренажі є 
обернено пропорційною до сумісно навитих РФЕ. Виберемо апарат з РФЕ типу ЭРО – 
Э – 6,5/900. 
Основні характеристики апарату: 
 довжина рулонного модуля lм, м    0,9; 
 довжина пакету lп, м      0,95; 
 ширина пакету bп, м      0,83; 
 висота напірного каналу, що дорівнює товщині 
сітки сепаратора с, м      5∙10-4; 
 товщина дренажної сітки д, м     3∙10-4; 
 товщина підложки 1, м      1∙10-4; 
 товщина мембрани 2, м      1∙10-4; 
 число елементів в модулі n     5. 
Визначимо параметри апарату, що необхідні для розрахунку. 
Поверхня мембран в одному елементі визначається формулою 2∙lп∙bп. 
враховуючи, що частина поверхні використовується для склеювання пакетів                 
(приблизно 0,05 м) і не приймає участі в процесі фільтрації, робочу поверхню 
мембран в одному елементі Fе визначимо із співвідношення: 
 
Fе = 2(lп – 0,05)∙(bп - 2∙0,05) = 2(0,95 – 0,05)∙(0,83 – 0,1) = 1,315 м2 .    (4.18) 
 
Робоча поверхня мембран в одному модулі Fм рівна : 
 
Fм = Fe∙n
2
e = 1,315∙5 = 6,57 м  .                                   (4.19) 
 
Приймаємо, що апарат складається з чотирьох модулів. Тоді робоча 
поверхня мембран в апараті: 
 
Fа = Fм∙4 = 26,71∙≈ 27 м2 .                                        (4.20) 
 
Переріз апарату, по якому проходить розділяємий розчин : 
 
Sпер = ne∙c(ln -= 0,05) = 5∙5∙10-4∙0,9 = 2,25∙10-3 м2.               (4.21) 
 
Загальне число апаратів в мембранній установці: 
n = F / Fa = 60 / 27 = 2.                                     (4.22) 
 
4.4.4 Розрахунок спостерігаємої селективності мембран 
 
Спостерігаєму селективність мембран розраховуємо за формулою: 
 
lg ((1 - ) / ) = U / 2,3∙ + lg ((1 - ) / I) ,                         (4.23) 
де U – швидкість руху розчину у напрямку до мембрани, що викликана 
відведенням пермеату; 
     - коефіцієнт масовіддачі розчиненої речовини від поверхні 
мембрани до ядра потоку розділяємого розчину. 
Коефіцієнт масовіддачі  визначимо із дифузійного критерію Нуссельта. 
Під час розрахунку будемо вважати канал, по якому рухається розділяємий 
розчин пустотілим, т.б. не будемо брати до уваги вплив на масообмін 
сепаруючої сітки. 
Проведемо розрахунки при середніх значеннях робочих параметрів 
установки. 
Середня питома продуктивність 2,985∙10-3 кг/(м2∙с), середня 
концентрація: 
 
(0,04 + 0,0001)/2 = 0,02 % (мас.). 
 
Середня лінійна швидкість руху розділяємого розчину в каналах 
мембранних паратів: 
 
 = (п + к) / 2 = ((Lп / (ρп∙Sc∙n) + Lк / (ρк∙Sc n)) / 2 .           (4.24) 
 
 = ((0,46 / (0,9167∙2,25∙10-3∙5) + 0,11 / (0,9124∙2,25∙10-3∙5)) / 2 = 0,114 м/с. 
 
Значення густини та необхідні для послідуючих розрахунків значення 
коефіцієнтів кінематичної в’язкості та дифузії знаходимо, користуючись 
даними [  6   , стор. 346].  
Визначимо режим руху розчину. Еквівалентний діаметр кільцевого 
каналу: 
 
Dе = 2∙с = 2∙5∙10-4 = 1∙10-3 м.                              (4.25) 
Критерій Рейнольдса: 
 
Re = 0,114∙1∙10-3 / (0,934∙10-6) = 122. 
 
Таким чином в апаратах ламінарний режим протікання розділяємого 
розчину. Для знаходження середнього за довжиною каналу значення критерію 
Нуссельта  у випадку ламінарного потоку в щілинах та кільцевих каналах 
можна знайти за критеріальним рівнянням: 
 
Nu = 1,67∙Re0,34∙(Pr)0,33∙(de / l) ,                            (4.26) 
де Pr =  / D – дифузійний критерій Прандтля; 
    l,67 – довжина каналу, що дорівнює ширині пакету. 
Підставивши значення знайдемо: 
 
Pr = 0,934∙10-6 / 1,281∙10-9) = 729. 
Nu = 1,67∙1220,34∙7290,33(1∙10-3 / 0,83) = 10,25. 
 
Коефіцієнт масовіддачі: 
 
 = Nu∙D / de = 10,25∙1,281∙10-3(1∙10-3 / 0,83) = 1,31∙10-5  м/с.     (4.27) 
 
 
Поперечний потік: 
 
U = G / ρ = 2,25∙10-3 / 998,2 = 2,254∙10-6 м/с.                 (4.28) 
 
Розрахуємо спостерігаєму селективність за формулою (4.23). 
lg ((1 - ) / ) = 2,254∙10-6 / 2,3∙1,31∙10-5 + lg((1 – 0,91) / 0,91), 
Звідки  = 0,946. Спостерігаєма селективність мембрани більша ніж 
задана за характеристикою. Тому тип апарату та мембрани МГА – 90 обрано 
правильно. 
 
4.4.5 Розрахунок гідравлічного опору апарату 
 
Тиск стоврюємий насосом Δрн витрачається на створення перепаду 
робочого тиску через мембрану Δр, подолання гідравлічного опору потоку 
розділяємого розчину в апараті Δра і потоку пермеату в дренажах Δрд, а також 
на компенсацію втрат тиску на тертя та місцеві опори в трубопроводах та 
апаратурі Δрв і підйом розчину на певну геометричну висоту Δрг: 
 
Δрн = Δр + Δра + Δрд + Δрв + Δрг.                               (4.29) 
 
Останньою складаючою в установках зворотного осмосу можна 
знехтувати із-за її малого значення у порівнянні з іншими. Втрати на тертя та 
місцеві опори в трубопроводах та арматурі залежить від компоновки апаратів 
та використаної арматури. Для практичних розрахунків можна вважати, що 
Δрв складає 10% від Δра. Таким чином, вираз (4.29) буде мати вигляд: 
 
Δрн = Δр + Δра + Δрд + 0,1Δрв.                              (4.30) 
 
Гідравлічний опір при протіканні рідини в каналах, утворених сітками – 
сепараторами та дренажним шаром, можна визначити за формулами: 
 
Δра = Δрпк∙1 .                                         (4.31) 
Δрд = Δрпк∙2 ,                                         (4.32) 
де Δрпк – гідравлічний опір пустотілих каналів; 
1 і 2 – коефіцієнти, що залежать від виду се паруючої сітки та 
дренажного м матеріалу (1 = 5 – 10, 2 = 100 – 200). Для рулонних модулів за 
експериментальними даними 1 = 5,6. 
Значення Δрпк визначають на основі загального виразу: 
 
l ρ ω2
Δрпк =    .                                     (4.33) 
d 2
e
За умови ламінарного режиму  протікання в рідини в щілинних каналах 
 = 96 / Re. Тоді : 
 
Δрпк = 48ρl / d 2
e .                                      (4.34) 
 
Розрахуємо Δра. Розчин протікає від першої до останньої секції в 
каналах кільцевого перерізу вздовж осі апаратів. Загальна довжина каналів 
дорівнює добутку числа секцій, числа модулів в апараті та довжини шляху в 
модулі, що дорівнює ширині мембранного пакету: l = 5∙2∙0,83 = 8,3 м. 
Оскільки швидкість, густина та в’язкість розділяємого розчину мало 
змінюється від першої до останньої секції, підставимо в формулу (4.29) 
середньоарифметичні значення цих параметрів на вході в першу чергу секцію 
і на виході із останньої: 
 
Δрпк = 48∙0,934∙10-6∙938,2∙8,3∙0,114 / (1∙10-6) = 39799 Па 
 
Δра  = 39799∙5,6 = 222874 Па. 
 
Розрахуємо Δрд. Пермеат проходить по каналах, що утворені дренажним 
шаром, причому його швидкість змінюється від нуля на зовнішній поверхні 
елементу (спіралі) до максимального значення при  вході в пермеатовідвідну 
трубку. Загальна довжина каналу є рівною довжині пакету, а ширина – пакету 
за винятком частин, які використані для склеювання. 
Оскільки дренажний матеріал характеризується значно більш крупним 
порами, чим матеріал підложки, його опір в багато разів менше, і можна 
вважати, що пермеат протікає тільки по каналу, утвореному дренажною 
сіткою (д =3∙10-4 м).  
Еквівалентний  діаметр  (в перерахунку на пустотілий канал) є рівним : 
de = 2д = 6∙10-4 м. 
Перепад тиску в довільному перерізі на участку нескінченно малої 
довжини для пустотілого каналу складе: 
 
dp = 48∙∙∙d∙l / d 2
e  .                                     (4.35) 
 
Швидкість у довільному перерізі пов’язана з довжиною каналу 
наступним чином: 
 
G  2(b  2  0,05)  l 2 G  l
 = п  =  ,                          (4.36) 
ρ(b  2  0,05)  δ ρ  δ
п д д
де bп - 2∙0,05 – ширина каналу, що являє собою ширину мембранного 
пакету за винятком частини, яка використовується для склеювання пакетів: 
2(bп - 2∙0,05)∙l – робоча поверхня мембрани від зовнішньої поверхні спіралі до 
довільного перерізу на відстані l; вираз (bп - 2∙0,05)∙д – площа поперечного 
перерізу каналу. 
Підставивши вираз (4.35) у співвідношення (4.36): 
νρ2Gl νGl
dp = 48 dl = 96 . 
2 2
d ρδ d δ
e д e д
 
Враховуючи, що д = de / 2, отримаємо: 
dp = 192∙∙G∙l∙dl / d 3
e . 
 
Проінтегруємо ліву частину від 0 до Δрпк, а праву – від 0 до (lп – 0,05): 
 
νG (l  0,05) 2 νG(l  0,05) 2
Δрпк = 192  п   = 96 п                   (4.37) 
3 3
d 2 d
e e
 
Проведемо розрахунок за формулою (6.34), використовуючи 
середньоарифметичне значення питомої продуктивності мембран: 
 
Gсер = (Gп + Gк) / 2 = (2,98∙10-3 + 2,99∙10-3) / 2 = 2,985∙10-3 кг/(м2∙с); 
Δрпк = 96∙0,9∙10-6∙2,285∙10-3(0,95 – 0,05)2 / (6∙10-4)3 = 740 Па. 
 
Приймаємо 2 = 150. Тоді Δрд = 740∙150 = 111000 Па. 
Визначимо тиск, який повинен розвивати насос за формулою : 
 
Δрн = 5∙106 + 0,223∙106 + 0,111∙106 + 0,1∙0,223∙106 = 5,36∙106 Па. 
 
Напір насоса (при густині вихідного розчину ρп): 
 
Н = Δрн  / (ρп∙g) = 5,36∙106 / (998,2∙9,81) = 547 м. 
Згідно розрахунку вибираємо центробіжний живильний 
багатоступінчасий насос марки ПЭ 150-53 з наступними основними 
характеристиками: Q = 0,49 м3/с;  Н = 580 м; n = 50 с-1;  н = 0,7;  Nн = 305 кВт. 
ВИСНОВКИ  
 
В кваліфікаційній роботі магістра проведені дослідження природної 
води з метою одержання води для використання в технологічних мережах , 
апаратах та різноманітному устаткуванні. На розробленій лабораторній 
установці проведено очистку води з застосуванням фільтрів механічної 
очистки і іонообмінної установки, що дозволило знизити вміст солей 
жорсткості  і загального заліза в цілому на 32,2 %. Зниження 
електропровідності відбулося на 32-35 %. Одночасно знизились рН з 7,1 до 
6,3 а сухий залишок на 32%. 
Подальше використання зворотно осмотичної установки дозволило 
знизити вміст солей жорсткості до 0,005 мг-екв./л; заліза до 0,00049 мг/л; 
сухого залишку до 4 мг/л, що забезпечило ступінь очистки в цілому до 
99,75%.   
Вдосконалено технологічну схему  та розроблено оптимізацію процесів 
знесолення  природної води  що нагрівається у технологічному устаткуванні 
та апаратах різного призначення. 
Розроблено теоретичні основи та експериментальні методики 
попередньої оцінки здатності води визначеного складу не утворювати 
кальцію карбонат і, як наслідок, його осад за даної температури та 
визначення умов, за яких така вода може використовуватись як циркуляційна 
у теплових мережах та охолоджувальних системах. 
В процесі виконання кваліфікаційної роботи магістра розроблено 
технологічну схему підготовки природної води, проведено розрахунок 
процесу видалення заліза, мембранного та іонообмінного очищення води, 
проведено розрахунок  основного і допоміжного обладнання технологічної 
схеми. 
 Зроблено аналіз  умов праці та небезпек при експлуатації обладнання 
на стадії знесолення  природної води . Розроблено заходи по забезпеченню 
охорони праці, пожежної безпеки та розраховано освітлення цеху на станції 
підготовки води. 
Розроблено економічну частину кваліфікаційної роботи магістра  де 
розраховано собівартість знесоленої природної води яка становить 32,65 грн 
за 1 м3. 
Замість аніоніта АН-31 в даній роботі пропонується аніоніт Пьюролайт 
А - 847. Він має більшу механічну міцність, високу осмотичну стабільність та 
в більш повній мірі піддається видаленню сорбованих органічних домішок 
без втрати обмінної ємності. Це дозволяє підвищити термін експлуатації 
смоли та знизити собівартість знесоленої води.