Министерство образования и науки РФ
Реферат
«Ионообменные установки»
Содержание
1. Введение
2. Ионный обмен вводоподготовке
3. Виды ионитов
3.1 Органические иониты
3.2 Неорганические иониты
4. Ионообменнаяадсорбция
5. Ионный обмен
6. Ионообменные установкисерии SF
7. Современные бытовые ипромышленные ионообменные фильтры водоподготовки
7.1 Фильтры непрерывногодействия
7.2 Ионитовыепротивоточные фильтры для умягчения и обессоливания воды
8. Оборудованиеионообменных установок
8.1. Противоточная регенерацияионообменных смол для водоподготовки
8.2 Ионообменная смола«Ультраион А»
9. Заключение
Список литературы
Введение
Основные проблемы с водой
В большинстве случаев вода, поступающая как из скважины,так зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается впредварительной обработке, целью которой является доведение качества воды додействующих нормативов.
Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствииустановленным нормам можно только на основании максимально полного химическогои бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делатьокончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придетсяиметь дело.
Наиболее распространенными неприятностями c водой, скоторыми приходится сталкиваться следующие:
-Наличие в воде нерастворенных механических частиц: песка,взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ.
-Присутствие в воде растворенного железа и марганца.
-Жесткость, которая определяется количеством растворенных вводе солей кальция и магния.
-Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности.
-Бактериологическая загрязненность.
Естественно, что приведенный выше список не исчерпываетвсего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит Вас с наиболеераспространенными из них.
Методы улучшения качества воды в зависимости от загрязнения
Обработка воды с целью подготовки ее для питья,хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических,химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Подобработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредныхпримесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающимиингредиентами. [17]
В принципе существует два метода улучшения качества воды:
-Метод хим. добавок для связывания нежелательных элементов
-Метод устранения самих примесей из воды
Из названия самих этих методов видно, что метод устраненияболее предпочтителен, чем ввод дополнительных химических ингредиентов, чтоможет привести к появлению побочных эффектов.
Проблема с водой
Цветность
Мутность
Жесткость
Запах
Температура воды
Водородный показатель pH
Аммиак
Нитриты
Нитраты
Свободный хлор
Хлориды
Фосфор общий
Кремний общий
Монофосфаты
Марганец общий
Магний
Поташ
Электропроводимость
Карбонаты
Сульфаты
Окисляемость
Хлор остаточный
Органический углерод
Кислород
Общее железо
Общее количество бактерий
Фекальный колиформы
Общие колиформы
Метод решения
Фильтрация на активированном угле/ коагуляция + фильтрация
Фильтрация на активированном угле/ коагуляция + фильтрация
Ионный обмен/обратный осмос
Фильтрация на активированном угле /озоновая обработка/аэрация
Охлаждение
Регулирование pH/аэрация/нейтрализация/подщелачивание/декорбанизация
Выветривание/ионный обмен/обратный осмос
Озонирование/хлорирование
Ионный обмен/обратный осмос
Фильтрация на активированном угле
Ионный обмен/обратный осмос/фильтрация на активированном угле
Обратный осмос
Обратный осмос
Обратный осмос
Деманганация
Ионный обмен/обратный осмос
Ионный обмен/обратный осмос
Ионный обмен/обратный осмос
Ионный обмен/обратный осмос
Ионный обмен/обратный осмос
Ионный обмен/обратный осмос
Фильтрация на активированном угле
Фильтрация на активированном угле/озонирование + фильтрация на активированном угле
Аэрация (при низком содержании)
Обезжелезивание
Дезинфекция (Озонирование/ хлорирование /УФ обработка)
Необходимость доочистки воды
Поступающая в наш дом вода в большинстве случаев требуетдоочистки. Это связано с тем, что проходя через трубы, набирает довольнобольшое количество посторонних примесей, которые вредны для здоровья, анекоторые соли на станциях водоподготовки не удаляются. А для того чтобы всебиохимические процессы в организме человека протекали в оптимальном режиме,вода должна иметь определенное качество:
Вода должна быть абсолютно чистая. Она не должна содержатьхлора и его органических соединений, солей тяжелых металлов, нитратов,нитритов, пестицидов, ксенобиотиков, бактерий, вирусов, грибков, паразитов,простейших, органических веществ и т.д.
Вода должна быть «жидкой», биологическидоступной, легкоусвояемой, т.е. степень поверхностного натяжения междумолекулами воды не должна быть слишком большой. Водопроводная вода имеетстепень поверхностного натяжения до 73 дин/см, а внутри и внеклеточная водаоколо 43 дин/см. Клетке требуется большое количество энергии на преодолениеповерхностного натяжения воды.
Вода должна быть средней жесткости. Так как и очень жесткаяи очень мягкая вода одинаково неприемлема для клеток.
Вода должна быть нейтральной.
Вода должна быть слабоминерализованна для поддержанияэлектролитного состава жидкостей организма.
Каким же образом мы можем изменить физико-химическиесвойства воды, чтобы сделать ее: чистой, «жидкой», биологическидоступной, легкоусвояемой, безопасной, химически активной, именно такой, чтобыона соответствовала потребностям живой клетки?
Мы можем: прокипятить, отстоять, профильтровать, заморозитьи разморозить, электроактивировать, минерализовать, изменить рН при помощихимических методов, омагнитить, дистиллировать, воздействовать на нее светом,звуком, биополем и многое многое другое. [17]
2. Ионный обмен в водоподготовке
ионообмен смола вода очистка
ИОННЫЙ ОБМЕН — это обратимая химическая реакция, прикоторой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и растворомэлектролита.
В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения,обессоливания воды, селективного удаления различных ионов и т.д. Подлежащаяочистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионитами,подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из водысоответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами другихионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионыназываются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса — матрицы ифункциональных групп — фиксированных ионов, которые жестко прикреплены кматрице и взаимодействуют с противоионами.
В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят накатиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являютсякатионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит называюткатионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами(например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.
Основными характеристиками ионитов являются: селективность,рабочая обменная емкость и кинетика ионного обмена.
Селективность ионита показывает, насколько эффективно ионитспособен удалять те или иные противоионы в присутствии других конкурирующихпротивоионов. Селективность ионитов определяется природой матрицы ионита, типомфункциональных групп, концентрацией противоионов в растворе и т.д. Как правило,селективность ионитов возрастает с увеличением заряда противоиона, а средиионов с одним и тем же зарядом — с увеличением атомного веса. Т.е., чем тяжелеепротивоион и чем выше его заряд, тем большую селективность проявляет к немуионит. Типичный ряд селективности показан ниже:
/>
Исключение составляют противоионы, которые образуютмалодиссоциирующие соединения с фиксированными группами, например,слабоосновные иониты с анионами слабых кислот (карбонатами), или некоторыецеолиты с аммонием. Кроме того, возможны специфические взаимодействия,основанные на хелатном эффекте или на ситовом эффекте.
Обращение селективности наблюдается при увеличенииконцентрации раствора. Например, двухзарядные противоионы могут быть вытесненыиз ионита однозарядными противоионами при контакте с раствором, содержащимоднозарядные противоионы в высокой концентрации. Этим определяется важнейшеесвойство ионитов — их способность к регенерации после насыщения ионами,удаляемыми из воды, путем промывки примерно 5-6%-ми растворами кислот (длякатионитов) или щелочей (для анионитов) или 10-12%-ыми растворами солей. Именноэто свойство позволяет многократно, в течение нескольких лет, использоватьзагрузку ионитов для очистки воды.
Величина рабочей обменной емкости определяет, как долгоможет работать ионит в данных условиях до первого проскока поглощаемого иона вфильтрат, а, следовательно, показывает ресурс работы ионита в процессеводоподготовки. Обычно обменную емкость принято выражать в эквивалентах на литрнабухшего ионита.
Кинетика ионного обмена определяет скорость протеканияионообменной реакции и, следовательно, требуемую скорость фильтрования. Наскорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированныхионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрацияраствора и т.д.
Общая скорость процесса ионного обмена может бытьпредставлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузияпротивоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов отповерхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионовионита на противоионы из раствора):
В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды,доминирующим фактором, определяющим скорость ионного обмена, является диффузияионов внутри зерна ионита. Следовательно, скорость ионного обмена, преждевсего, зависит от размера зерна ионита и увеличивается с уменьшением размеразерна.
В зависимости от природы матрицы различают неорганические иорганические иониты. [17]
3. Виды ионитов
3.1 Органические иониты
Органические иониты — это в основном синтетическиеионообменные смолы. Органическая матрица изготавливается путем поликонденсациимономерных органических молекул, таких как стирол, дивинилбензол, акриламид ит.д. В эту матрицу химическим путем вводятся ионогенные группы (фиксированныеионы) кислотного или основного типа. Традиционно вводимыми группами кислотноготипа являются -СООН; -SО3Н; -РО4Н2 и т.п., а основного типа: ≡N; =NH;-NH2; -NR3+ и т.п. Современные ионообменные смолы, как правило, обладаютвысокой обменной ёмкостью и стабильностью в работе.
Иониты способны к набуханию в воде, что обусловленоприсутствием гидрофильных фиксированных групп, способных к гидратации. Однакобеспредельному набуханию, т.е. растворению, препятствуют поперечные связи.Степень поперечной связанности задается при синтезе ионитов через количествовводимого сшивающего агента — дивинилбензола (ДВБ). Стандартные смолы,используемые для умягчения, содержат 8% ДВБ. Доступные в настоящее время смолымогут содержать от 2 до 20%. В целом степень набухания ионитов определяетсяколичеством сшивки ДВБ, концентрацией гидрофильных ионогенных групп в объемезерна ионита и тем, какие противоионы находятся в ионите. Обычно однозарядныеионы, особенно ионы водорода и гидроксила, приводят к наибольшему набуханию;многозарядные противоионы приводят к некоторому сжатию и уменьшению объемазерен.
На данный момент ионообменные смолы выпускаются в двухмодификациях: гелевые и макропористые.
Гелевые смолы представляют собой гомогенныепоперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены повсему объему полимера. При небольшом содержании сшивки, они обладают высокойобменной емкостью, однако характеризуются невысокой прочностью. При увеличениисодержание сшивки повышается прочность, но уменьшается набухание и замедляетсяскорость обмена.
Макропористые смолы характеризуются фиксированной системойпор и каналов, которая задается во время синтеза, что позволяет вводить большоеколичество ДВБ для повышения механической устойчивости без замедления кинетикиобмена. Однако при этом сокращается обменная емкость, так как доступными дляобмена оказываются только фиксированные ионы на стенках пор — это 10-30% всегополимера.
Особого внимания заслуживают монодисперсные смолы, которыев отличие от стандартных полидисперсных смол характеризуются постояннымдиаметром гранул с отклонением не более 50 мкм (полидисперсность стандартныхсмол составляет от 0,3 до 1,2 мм). Монодисперсность обеспечивает увеличениескорости ионного обмена, так как время диффузии ионов во всех гранулаходинаково, что приводит к увеличению рабочей обменной емкости. Кроме того,особый метод синтеза монодисперсных смол обеспечивает увеличение механическойпрочности. [17]
3.2 Неорганические иониты
Неорганические иониты — это в основном иониты природногопроисхождения, к которым относятся алюмосиликаты, гидроксиды и солиполивалентных металлов. Наиболее распространенными и применяемыми для очисткиводы неорганическими природными ионитами являются цеолиты.
Цеолиты — это минералы из группы водных алюмосиликатовщелочных и щелочноземельных элементов, которые характеризуются наличиемтрехмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего системы полостей иканалов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулыводы. Общий объем системы полостей и каналов цеолита составляет до 50% объемакаркаса цеолита. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут бытьчастично или полностью замещены путем ионного обмена и дегидрации. Ионообменныесвойства цеолитов определяются особенностями химического сродства ионов икристаллической структуры цеолита. При этом необходимо соответствие размероввходных отверстий в цеолитовый каркас и замещающих ионов, т.к. каркас цеолитаимеет жесткую кристаллическую структуру и в отличие от органических смол неможет набухать с изменением объема.
Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы,извлечение которых другим методом часто представляет большую сложность.Установлена способность цеолитов адсорбировать радиоактивные ионы цезия израстворов, удалять NH4+, извлекать ионы Cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag и другихметаллов, очищать природные газы. Ионоситовый эффект позволяет адсорбировать изгазовых и жидких систем пары азота, CO2, SO2, H2S, Cl2, NH3. Кроме этого, цеолитымогут быть использованы для удаления растворенного железа, марганца ижесткости.
В отличие от органических смол существует ряд особенностейцеолитов. Так, общая минерализация обрабатываемой воды должна быть не менее 80мг/л, так как при меньшем содержании солей происходит растворениеалюмосиликатного каркаса цеолита. При рН обрабатываемой воды ниже 6 такжевозрастает вероятность разрушения кристаллической решетки.
Динамическая обменная емкость цеолитов ниже динамическойобменной емкости органических смол в тех же условиях, что связано с болеемедленной кинетикой обмена на цеолитах. Остаточная жесткость воды послецеолитов составляет около 0,3 мг-экв/л, тогда как после органических смол — неболее 0,1 мг-экв/л. [17]
4. Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция — широко распространенный вид адсорбции сильныхэлектролитов. Ионообменной адсорбцией называют процесс, в котором адсорбент и раствор обмениваются между собой вэквивалентных количествах одноименно заряженными ионами:
RM, + MJ -» RM2 + М+ или RA, + AJ -> RA2 + Af
где RM,, RA, — адсорбенты, содержащие катионы М, или анионы А, и способные к обменусоответственно с катионом М2 и анионом А2 в растворе. Ониполучили название ионитов. Это твердыеприродные или синтетические вещества, практически нерастворимые в воде и органическихрастворителях.
Иониты обладают сетчатой структурой (каркас, матрица) (рис. 19.20).
В сетке закреплены группы атомов R1, несущихположительный или отрицательный заряд (фиксированные ионы). Этот зарядкомпенсируется так называемыми противоионами(М' или А"). Фиксированные ионы вместе сподвижными противоионами (R~M* или R*A") называют ионогенными или функциональными группировками ионита.
По типу ионогенных групп иониты делят на катиониты R~M* (кислотныеиониты, обменивающие катион) и аниониты R*A* (основныеиониты, обменивающие анион).
Ионит, помещенный в воду или водный раствор, поглощает значительноеколичество воды (иногда до 50%), увеличиваясь при этом объеме. Поглощенная водагидратирует ионогенные группы и вызывает их ионизацию. По степени ионизацииионогенных групп иониты делят на сильно- и слабокислотные катиониты и сильно- ислабоосновные аниониты.
Сильнокислотные катиониты в качестве ионогенных групп содержат остаткисерной, фосфорной и других кислот. Слабокислотные — карбоксильные, меркапто- идругие группы. Ионогенные группы сильнооснбвных анио-нитов представляют собойобычно группы аммониевых или сульфониевых оснований, а слабоосновные —аминогруппы различной степени замещения, пиридиновые основания.
Зерно катионита можно рассматривать какгигантский поливалентный анион, отделенный физической поверхностью раздела отокружающей среды. Внутренняя часть такого поливалентного аниона пропитанараствором, содержащим большое число ионов водорода (или других катионов), способныхобмениваться на катионы, находящиеся в жидкости, окружающей зерно катионита.Зерно анионита можно рассматривать как гигантский поливалентный катион,противоионами которого являются гидроксильные ионы (или другие анионы),способные обмениваться на анионы. [17]
Ионный обмен — обратимый процесс, что дает возможность регенерироватьиспользованные иониты. Регенерацию катионитов производят обычно промываниемраствором какой-либо кислоты, анионита — раствором щелочи.
Для характеристики ионитов важно знать поглощающую способность ионита,которую характеризуют обменной емкостью: обменная емкость измеряетсяколичеством вещества ионов, поглощенных 1 г сухого ионита из раствора вравновесных условиях.
Иониты широко используюткак катализаторы реакций этерификации, гидратации и дегидратации; дляобессоливания воды; для очистки сточных вод; в ионообменной хроматографии; длявыделения и очистки аминокислот. [17]
5. Ионный обмен
Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора ствердой фазой, обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся в ней, надругие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие твёрдую фазу,носят название — ионитов.Они практически не растворимы в воде. Те из них,которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы,называются катиониталш(проявляют кислотные свойства), отрицательные ионы — анионитами (проявляют основные свойства). Если иониты обменивают и катионы ианионы, их называют амфотерными (проявляюткислотные и основные свойства).
Иониты бывают неорганические (минеральные) и органические. Это могутбыть природные вещества или вещества, полученные искусственно.
Органические природные иониты — это гумиповые кислоты почв и углей. Корганическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы с развитойповерхностью, которые представляют собой высокомолекулярные соединения,углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку сфиксированными на ней активными ионообменными функциональными группами.Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы — противоионами. Каждый противоионсоединён с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными илианкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны(сшиты) междусобой поперечными связями, что придаёт прочность каркасу.
В зависимости от степенидиссоциации различают следующие виды ионитов:
-Сильнокислотные катиониты,содержащие сульфогруппы SO3H или фосфорнокислые РО(ОН)2 группы исильноосновые аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания R3NOH;
-слабокислотные катиониты,содержащие карбоксильные COOH и фенольные C6H5OH группы, диссоциирующие приpH7.
В зависимости от противоиона,которым насыщена ионообменная установка, различают: H-форму, Na-форму, Ca-форму и др.для катионов и соответственно OH-форму, Cl-форму и др. для анионитов.
Основные требования к анионитам,используемым для очистки сточных вод, следующие:
-высокая обменная ёмкость;
-хорошие кинетические свойства(высокая скорость ионного обмена);
-достаточная устойчивость поотношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям;
-нерастворимость в воде,органических растворителях и растворах электролитов;
-ограниченная набухаемость.
Важнейшим свойством ионитовявляется их поглотительная способность, которая характеризуется обменнойёмкостью и определяется количеством грамм-эквивалентов ионов, поглощаемыхединицей массы или объёма ионита. Различат полную, статическую, и динамическуюобменные ёмкости. Полная ёмкость – это количество поглощаемого вещества.Статическая ёмкость- это обменная ёмкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях.Статическая обменная ёмкость обычно меньше полной. Динамическая обменнаяёмкость — это ёмкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат,определяемая в условиях фильтрации. Динамическая ёмкость
Если катиониты находятся в Н-формеили Na-форме, то обмен катионов будетпроходить по реакциям:
Ме+ + Н[К] = Ме[К] + Н+
Ме+ + Na[K] = Ме[К] + Na+,
где [К] — комплекс катионита; Me+ — катион металла, находящийся всточной воде
Слабоосновные аниониты обмениваютанионы сильных кислот:
2A[OH] + H2S04[A]2S04 + H2O
Где [A] - комплекс анионита
Характерной особенностью ионитовявляется их обратимость, т.е.достигается проведением реакции ионного обмена вобратном направлении. Этот процесс носит название регенерации. Регенерационные растворы называют элюатами.
Катиониты обычно регенерируют 2-8%растворами кислот (при переводе в Н-форму) или раствором хлористого натрия (припереводе Na-форму):
2Ме[К] + H2S04 =2Н[К] + Me2S04
6. ИОНООБМЕННЫЕ УСТАНОВКИ СЕРИИ SF
Ионообменные установки серии SF предназначены для очисткиводы методом ионного обмена (умягчение, декарбонизация, обессоливание, удалениесульфатов и нитратов, удаление цветности воды, обусловленной наличием гуминовыхи фульвокислот, очистка стоков от тяжелых металлов и т.д.).
Корпуса фильтров выполнены из полиэтилена с наружнойоплеткой из стеклопластика или из стали с внутренним полимерным покрытием,обеспечивающим эффективную защиту фильтров от коррозии в любых средах, в томчисле в соляной и серной кислотах.
Металлические фильтры поставляются с диаметром корпуса до3000 мм, пластиковые – до 2000 мм. Стандартная высота цилиндрической частифильтров – от 1100 до 2000 мм. Металлические фильтры могут изготавливаться слюбой высотой цилиндрической части по желанию заказчика, в том числемногосекционные с несколькими ложными днищами, что позволяет подбирать фильтрыиндивидуально для конкретной задачи.
Рабочее давление воды – до 6 кг/см 2; по желанию заказчикамогут поставляться фильтры, рассчитанные на давление до 10 кг/см 2.
Поставляются фильтры как для процессов с прямоточнойрегенерацией ионита, так и для противоточных процессов ( Packed Bed, UPCORE,Reverse Amberpack и др.). Преимущество противоточных фильтров передпрямоточными – на порядок более эффективное удаление ионов при меньших расходахионитов и реагентов.
В комплекте с фильтрами SF поставляются ионообменныематериалы производства фирм Dow CHEMICAL, Rhom & Haas, Purolite.
Управление работой фильтров может осуществляться вручнуюили автоматически.
В последнем случае применяются многоходовые клапаны сэлектромеханическим ( FLECK, CLACK) и гидравлическим ( Siata) приводом,дисковые поворотные затворы с электро- или пневмоприводом ( GEORGE FISCHER,DANFOSS, VAN DE LANDE), клапаны с пневмоприводом ( GEORGE FISCHER).
Работа клапанов или приводной запорной арматурыконтролируется программным устройством, позволяющим запрограммировать частотурегенерации и продолжительность ее стадий. Контроллер дает возможностьинтегрировать фильтры в единую систему автоматики водоочистного комплекса, втом числе с компьютерным управлением.
Варианты программирования регенерации: по таймеру, пообъему пропущенной воды, по жесткости или электропроводности воды.
На объектах с 24-часовым циклом производства применяютсяустановки непрерывного действия. Они состоят из нескольких параллельновключенных фильтров SF, объединенных в систему при помощи единого контроллера.Обычно один фильтр в такой системе постоянно находится в режиме ожидания илирегенерации.
Установки непрерывного действия серии SF-A с блокамиуправления FLECK используются для умягчения воды. Они состоят из двух ионообменныхфильтров с общим блоком управления и бака-солерастворителя для приготовленияраствора поваренной соли.
Установки непрерывного действия серий SF-D, SF-X, SF-Qсостоят соответственно из двух, трех и четырех фильтров. Они могут поставлятьсяс любыми блоками управления и контроллерами, в зависимости отпроизводительности и вида ионообменного процесса.
Дренажные устройства фильтров серии SF изготавливаются ввиде щелевых лучей или ложных днищ с щелевыми колпачками. Материал дренажей –полипропилен или нержавеющая сталь.
Установки серии SF комплектуются реагентным хозяйством. Впростейшем случае это баки для автоматического приготовления раствораповаренной соли. В более сложных случаях реагентный узел может включатьрастворные баки, перемешивающие устройства, механические фильтры, насосы,контрольно-измерительные приборы (например, солемер) и средства автоматики.
7. Современные бытовые и промышленные ионообменные фильтрыводоподготовки
Все бытовые ионообменные установки водоподготовки выполненыс прямотоком фаз. Данные фильтры имеют корпуса из пластика или нержавеющейстали и снабжаются блоками управления с многоходовымиклапанами-распределителями. Насыщенный раствор соли готовится в дополнительнойемкости-солерастворителе, устанавливаемой рядом с фильтром. В фильтрахдиаметром до 1 м блок управления и многоходовой клапан с электроприводомрасположены в едином корпусе, устанавливаемом непосредственно на корпус фильтралибо рядом с ним. Для больших аппаратов используется блок управления спневматическим или гидравлическим выходом и многоходовой клапан, устанавливаемыйрядом с корпусом фильтра.
Блок управления содержит счетчик воды либо таймер, которыйдает сигнал к началу регенерации ионообменной смолы, программно-временноеустройство, задающее последовательность и продолжительность проведенияопераций, а также силовой электропривод, двигающий клапан-распределитель.Бесспорно, что для ионного обмена оптимально включение режима регенерацииионообменной смолы по объему пропущенной воды. Блоки с таймером, как болеедешевые, могут применяться только для бытовых целей.
Работа ионообменного фильтра состоит из следующих операций:
-очистка воды (сервисный режим);
-взрыхление;
-засос соли из солерастворителя – регенерация ионообменнойсмолы;
-медленная отмывка ионообменной смолы от регенерационногораствора;
-быстрая отмывка в сервисном режиме;
-заполнение солерастворителя умягченной водой.
Распределительные устройства (дренажи) аналогичныиспользуемым в механических фильтрах.
7.1 Фильтры непрерывного действия
Фильтры непрерывного действия характеризуются тем, что всепроцессы водоподготовки (очистка воды, взрыхление, регенерация ионообменнойсмолы, отмывка) проводятся одновременно, каждый в своем аппарате. Ионообменнаясмола непрерывно или порциями перемещается из аппарата в аппарат. Тип и размерыкаждого аппарата оптимизированы для проводимого в них процесса.
Фильтры непрерывного действия бывают со сплошным ипсевдоожиженным слоем сорбента. В СССР в урановом и золотоизвлекающемпроизводствах с середины 50-х гг. широко применялись установки непрерывногоионного обмена, использующие каскады аппаратов смешения. В 70-е гг. они стализаменяться противоточными колоннами со сплошным (КНСПР, КДС, ПСК-НР и т.п.) ипсевдоожиженным слоем ионообменной смолы (ПСК, ПСК-Т). В аппаратах со сплошнымслоем раствор и сорбент подается в реакционную зону и выводится поочередно,порциями. Частота перемещения сорбента зависит от содержания компонента врастворе. Для малоконцентрированных растворов соотношение расходов раствора иионообменной смолы может составлять десятки и сотни раз. Колонны спсевдоожиженным слоем используют специальные распределительные тарелки КРИМЗ инизкочастотную, около 1 Гц, пульсацию, т.е. вертикальные колебания раствора.Тарелки и пульсация обеспечивают высокую интенсивность массообмена иравномерное распределение фаз по сечению даже очень крупных аппаратов. Такиеколонны применяются для регенерации и отмывки ионообменных смол смол отрегенерирующего раствора. Колонны с так называемой транспортной пульсациейнаиболее эффективны для процессов переработки малоконцентрированных растворов,в том числе при наличии механических взвесей.
Для очистки радиоактивных сточных вод (по солесодержаниюаналогичны природной воде) методом обессоливания разработаны установки сосмешанным слоем ионообменных смол, которые позволяли при удельнойпроизводительности 40–50м3 /м2 ·ч в одном фильтре обессоливать воду до удельнойэлектропроводности около 1 мкСм/см.
В промышленности эксплуатировались установки водоподготовкиединичной производительностью до 300м3 /ч с колоннами диаметром до 3,4 м.
Для очистки воды используются фильтры со сплошным слоемионитов, для отмывки ионообменных смол от взвеси и регенератов – спсевдоожиженным. Регенерация смолы может осуществляется и в сплошном, и впсевдоожиженном слое. Все фильтры работают непрерывно с противоточным движениемфаз.
Высокая эффективность противоточных колонн позволяетобходиться без паразитных потоков промывных вод. Все воды от отмывкиионообменной смолы от регенерационного агента доукрепляются им и подаются вколонны регенерации.
Установки водоподготовки такого типа имеют существенноболее высокие показатели, чем фильтры периодического действия: удельнаяпроизводительность (скорость раствора) может достигать 50–70м3 /ч,единовременная загрузка ионообменной смолы сокращается в 5–15 раз, а объемрегенератов в 1,5–2,5 раза. Они сложнее периодических, требуют использованияавтоматики и управляемых вентилей. Их целесообразно использовать припроизводительности более 30–50м3 /ч в экологически чистых технологияхводоподготовки, когда регенераты подвергаются дальнейшей переработке.
В качестве примера на рис.3 показана схема установкипроизводительностью 300–500м3/ч для водоподготовки подпитки умягчением вод,содержащих значительное количество взвесей. Она была создана на ТЭЦЛисичанского НПЗ (Украина) в 90–91 гг., но в силу известных причин не былапущена в эксплуатацию. Установка водоподготовки состоит из сорбционной колонны1 диаметром 3,4 м со сплошным слоем сорбента, колонны 2 для отмывки сорбента отизвлеченных из исходного раствора взвесей, диаметром 0,6 м с псевдоожиженнымслоем сорбента, регенерационно-промывной колонны 3 диаметром 0,6 м со сплошнымслоем, и колонны 4 диаметром 0,6 м с псевдоожиженным слоем для окончательнойотмывки от соли.
Вода подается снизу сорбционной колонны 1, проходит черезслой катионита и умягчается. Катионит насыщается в сорбционной колонне ипорциями по 0,5м3 выводится из сорбционной колонны в промывную 2. В ней онсвободно опускается в потоке поднимающейся промывной воды, а затем перемещаетсяв колонну регенерации 3. В регенерационной колонне катионит постепенноопускается, двигаясь навстречу поднимающемуся сначала регенерационномураствору, а затем промывной воде, которая вводится снизу колонны.
7.2 Ионитовые противоточные фильтры для умягчения иобессоливания воды
В большинстве случаев ионообменный метод обработки водыобеспечивает необходимые параметры качества умягчения и/или деминерализацииводы в промышленных условиях. Показатели экономической эффективности иэкологичности ионного обмена напрямую зависят от выбора технологии регенерацииионитов, применяемой при эксплуатации.
Сравнение технологий с прямоточной (параллельноточной)регенерацией с противоточными свидетельствует о предпочтительности примененияпоследних, в силу того, что при противотоке достигается более высокое качествообработанной воды при более низких значениях удельных расходах реагентов сиспользованием меньшего количества единиц установленного оборудования.
Ключевыми факторами, характеризующими эффективностьрегенерации и процесса ионного обмена в целом, являются:
удельные расходы химических реагентов
объемы потребления воды на собственные нужды
По указанным выше показателям приоритет принадлежиттехнологическим процессам, в которых реализуется принцип «зажатого слоя»ионита, при котором практически весь рабочий объем фильтра заполняется слоемактивной смолы.
Технологии, основанные на «зажатом слое», различаются междусобой по:
-надежности функционирования в широком диапазоне изменениярабочих нагрузок;
-толерантности к недостаткам предочистки (допустимомуколичеству взвесей, присутствующих в обрабатываемой воде);
-простоте конструктивных решений основного оборудования.
Технология UPCORE (АПКОРЕ), разработанная компанией The DowChemical Company, а также ее модификации в наибольшей степени отвечаютсовременным требованиям, предъявляемым к процессам противоточной регенерацииионитов. Ее применение позволяет потребителю обеспечивать высокое качествообработки при минимальных значениях расходов реагентов и потребления воды насобственные нужды, простоте реализации и удобстве в эксплуатации в сочетании состабильностью рабочих показателей в широчайшем диапазоне нагрузок ибеспрецедентной для противоточных процессов с зажатым слоем устойчивостью кприсутствию взвешенных веществ в исходной воде. [18]
8. ОБОРУДОВАНИЕ ИОНООБМЕННЫХ УСТАНОВОК
Оборудование, предназначенное для очистки природных источных вод от растворов, примесей, а также обессоливания и опреснения воды.Оно включает: ионообменные фильтры с обработкой воды в плотном илипсевдоожиженном слое ионита; пульсац. колонны или резервуары с механич. илипневматич. перемешиванием для контактирования ионитов с водой. В фильтрах сплотным слоем загрузки в нижней части имеется днище с дренажным устройством,позволяющим пропускать только воду и задерживать твердые частицы ионита.Верхняя часть фильтра снабжена распределительным устройством для подачи иравномерного распределения воды по всему его сечению. Зернистый ионит загружаютв фильтр в набухшем состоянии. Вода, подаваемая сверху вниз, проходит черезслой ионита и дренаж с заданной скоростью до проскока извлекаемых примесей. Припоявлении примесей в фильтрате процесс очистки воды приостанавливают, чтобывосстановить первоначальное рабочее состояние ионита, т.е. регенерировать его.Процесс регенерации ионитов осуществляется пропусканием регенерирующего агентачерез фильтр прямотоком (сверху вниз) или противотоком (снизу вверх). Послерегенерации иониты отмывают от избытка регенерирующего агента и продуктоврегенерации. Отмытые иониты используют для очистки следующей порции сточнойводы. Цикл — фильтрация воды, регенерация и отмывка ионита — многократноповторяется. В практике очистки и обсссоливания сточных вод наиболеераспространены ионообменные натрий- и водород-катионитовые фильтры:параллельно-точные типа ФИПа 1-2,0-6, ФИП-1 -2,6-6, ФИП-1-3,0-6, ФИП-1-3,4-6.
При глубокой очистке и обессиливании сточных вод послеочистки с целью корректирования значения рН применяют фильтры смешанного действия(ФСД), в к-рые загружают смесь анионита и катеонита. При этом используюткатиониты и аниониты с различными плотностями. На обоих концах таких фильтровпредусмотрены дренажные устройства, а в середине — спец. коллекторные патрубкидля введения регенерац. растворов и отмывочной воды. Фильтры смешанногодействия бывают двух видов: с внутренней и выносной регенерацией. В комплектоборудования ФСД с выносной регенерацией входят, кроме рабочих фильтров, ещедва регенератора. Один из них оборудован верхним, нижним и средним распределит,устройствами, другой этих устройств не имеет. Наличие двух регенераторовпозволяет проводить совместную регенерацию кати-онита и анионита в одномрегенераторе и раздельную в каждом из них. Преимущество очистки илиобессоливания сточных вод в ФСД по сравнению с процессами катионирования ианионирования в раздельных фильтрах заключается в том, что использованиерабочей обменной емкости в ФСД достигает 80—90%, тогда как в раздельныхфильтрах — 60—65%. Процесс ионного обмена осуществляется при протоке очищаемойводы через смешанный слой ионитов. После проскока катионов или анионовпроизводится раздельная регенерация катионита и анионита соответственнорастворами к-ты и щелочи. Процесс регенерации может происходить только послеразделения ионитов, для чего снизу вверх подается вода под большим давлением.При этом ионит с меньшей плотностью (анионит) поднимается в верхнюю частьфильтра, а с большей (катионит) остается в его нижней части. Затем черезкатионит снизу вверх пропускают раствор к-ты до зоны анионита, а через анионитсверху вниз — раствор щелочи. Регенерирующие растворы через анионит и катионитможно пропускать одновременно или поочередно и выводить через средниеколлекторы. После окончания регенерации производятся предварит, отмывка ионитаобессоленной водой, перемешивание ионитов сжатым воздухом — снизу вверх иокончат. отмывка ионитов потоком обессоленой воды сверху вниз. После отмывкифильтр включается в работу в следующем цикле.
Процесс очистки и обессоливания воды можно осуществитьнепрерывно (нециклично). В этом случае вместо фильтров используют пульсационныеколонны (ПСК). Существует несколько типов ПСК: противоточные с псевдоожиженнымслоем; прямоточные с псевдоожиженным слоем; прямоточные со сплошным слоем.Пульсация раствора необходима для равномерного распределения ионита в воде и посечению ПСК и их перемешивания. Установка непрерывного ионного обмена состоитиз неск. ПСК, каждая из к-рых предназначена для проведения одного технологич.процесса: ионного обмена, регенерации, промывки. Поскольку очистка иобессоливание сточных вод обеспечиваются последоват. их катионированием ианионированием, то полная схема такого процесса включает две установки, в однойиз к-рых циркулирует катионит, а в другой — анионит. При применении ПСК в 5—20 разсокращается необходимое колличество ионита и уменьшаются габариты установки,кроме того, появляется возможность (особенно при противотоке) получитьстабильные высокие концентрации извлекаемых в-в из регенерац. растворов,сократить расход промывных вод, упростить схему регулирования и полностью ееавтоматизировать.
Значительно меньшее распространение в практике ионообменнойочистки и обессоливания сточных вод имеет статич. метод — без протока очищаемойводы. В статических условиях процесс очистки растворов и извлечения из них врезервуарах, куда помещаются иониты — раздельно катионит и анионит.Преимущество статич. методов состоит в относительно простом аппаратурномоформлении — процесс проводится в емкостях, оборудованных перемешивающими устройствами.
Для очистки и обессоливания сточных вод применяюткомплектные обессоливающие установки УЦ-2, УЦ-10, УЦ-25, произ-стыо 2; 10; 25м/ч. Их можно использовать для обработки сточных вод, не содержащих органич. веществи значит, количеств железа, т.к. в их составе отсутствует узел предварительнойочистки воды. Помимо установок непосредственно предназнач. для ионного обмена(ионообменные фильтры, ПСК), в составе ионообменных установок должны бытьемкости для хранения реагентов и очищенной воды, приготовления регенерирующихрастворов, мерники и дозаторы реагентов, приборы для автоматизации процессов.Емкостное оборудование подбирают в зависимости от произ-сти установки, частотырегенерации загрузки фильтров и ПСК и др. условий. Для защиты от коррозии внутр.поверхности корпусов ионообменных аппаратов и емкостей либо гуммируют, либопокрывают кислотостойкими смолами и лаками. Гуммиров. емкости вместимостью0,25—1 и 1—40 м серийно выпускаются. Нижние распределит, устройства трубчатоготипа ионообменных фильтров, крепежные детали внутри корпуса и др. арматуруизготовляют из нержавеющей стали; верхние распределительные устройства — изполиэтилена. [18]
8.1. Противоточная регенерация ионообменных смол дляводоподготовки
Рассмотрены основные технологии противоточной регенерацииионообменных смол периодического действия, применяемые в установкахводоподготовки в мировой практике. Изложена хронология их появления на рынке,дан анализ достоинств и недостатков.
В последние 15 лет в России и странах СНГ среди специалистовслужб эксплуатации установок водоподготовки (ВПУ) все большую популярностьприобретают современные технологии водоподготовки — мембранные методыразделения (микро-, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) всочетании с противоточным ионированием и(или) электродеионизацией.
Первым этапом модернизации установок водоподготовки сталпереход от прямоточной (параллельно-точной) регенерации ионообменных смол(ионитов) к противоточной. Этому способствовали как активное распространениемирового опыта применения схем противоточной регенерации зарубежнымипроизводителями ионообменных смол ( Dow Chemical, Bayer, Rohm& Haas, Purolite ), так и переход стран бывшего СССРк рыночной экономике, что заставило производителей оборудования [ОАО ТКЗ«Красный котельщик» (г. Таганрог), АО ЗиОМАР (г. Подольск), ОАО «Комсомолец»(г. Тамбов), ОАО Бердичевский машиностроительный завод «Прогресс»] расширятьпривычную номенклатуру изделий и осваивать выпуск фильтров с противоточнойрегенерацией ионообменной смолы.
Наиболее широкое распространение получили технологииводоподготовки периодического действия (непрерывные процессы представляют собойотдельную тему и в данной публикации не рассматриваются).
По оценкам зарубежных производителей ионообменных смол, вмире работают более 5 тыс. установок промышленной водоподготовки по технологиямпротивоточной регенерации (примерно 4 тыс. — по SCHWEBEBETT, около 700 установок водоподготовки— по UPCOREи около 600 приходится на долю всех остальных технологий водоподготовки). Частона страницах научно-технических изданий [1—9], а также на семинарах иконференциях возникают дискуссии о возможностях или преимуществах той или инойпротивоточной технологии. Каждая сторона, участвующая в обсуждении, стремитсядоказать, что оптимальной является именно та технология, которая была даннойстороной разработана (или применяется). Отдельные публикации, касающиесясравнения эффективности различных технологий, хотя и являются достаточнообъективными, но либо носят частный характер (для конкретных условийэксплуатации [2]), либо ограничиваются констатацией самых общих положений [1,3, 8, 9], не содержат глубокого анализа и потому не могут претендовать науниверсальность оценок.
К сожалению, в последнее время участились случаи, когданекоторые специалисты (в том числе и зарубежные) распространяют недостоверныесведения или публикуют статьи, служащие образцом некомпетентности, например[10].
Цель настоящей статьи состоит в проведении всестороннегоанализа наиболее распространенных противоточных технологий водоподготовки (наосновании изучения предпосылок их возникновения и направлений развития запоследние 50 лет) и определении условий и задач, для которых возможноосуществить оптимальный выбор.
В общем случае противоточные технологии водоподготовкиразличаются по эксплуатационно-экономическим показателям:
степени сложности обслуживания (особенно при ручномуправлении);
интервалу значений рабочей нагрузки (от 0 до максимальнодопустимой), в котором обеспечивается работоспособность схемы водоподготовки;
коэффициенту использования полезного объема фильтра (доляобъема активной ионообменной смолы в общем объеме фильтра);
степени жесткости требований, предъявляемых к качествупредочистки воды, направляемой на ионитную часть (например, по толерантности кприсутствию взвешенных твердых веществ в обрабатываемой воде);
потреблению воды на собственные нужды;
возможности корректировки объема загрузок ионообменнойсмолы при изменении характеристик источника водоснабжения или методапредочистки;
стоимости основного и вспомогательного оборудованияводоподготовки (фильтров, насосов и пр.).
Другими словами, противоточные технологии различаются пообъему капитальных затрат при создании установки промышленной водоподготовки ирасходам на ее эксплуатацию.
При сравнении с прямоточной (параллельно-точной)технологией регенерации ионообменной смолы любая противоточная (при условииграмотной реализации!) обеспечивает сокращение потребления (удельных расходов)реагентов на регенерацию, повышение качества обработанной воды и снижение еепотребления на собственные нужды (за исключением схем с гидравлическойблокировкой).
/>
Рис. 1. Схема фильтра (классический вариант прямоточнойтехнологии). [19]
ИВ — исходная вода; OS— обработанная вода; Р — реагент
В подавляющем большинстве случаев при солесодержанииисходной воды до 15 мг-экв/л применение одноступенчатого противотока ( Na -катионирований или цепочки Н-ОН)позволяет гарантировать в обработанной воде остаточную жесткость ниже 5мкг~экв/л (или электропроводность менее 2 мкСм/см) в сочетании с приемлемымудельным расходом реагентов, рассчитанным на основании стехиометрическихсоотношений: 120...140 % для NaCIи HCI; 150...190 % для H2S04и 120… 160% для NaOH. Однако внекоторых публикациях (например в [11]) приводятся значения электропроводности6...35 мкСм/см, полученные при использовании одноступенчатой схемыводоподготовки. Подобные результаты свидетельствуют (с высокой степеньювероятности) о непреднамеренных ошибках, допущенных признанными специалистамипри реализации конкретной технологии противоточной регенерации.
Рассматриваются противоточные схемы водоподготовки длядеминерализации воды, основанные на цепочке, состоящей из двух фильтров (Н—ОН),и история возникновения и развития технологий противоточной периодическойрегенерации ионообменной смолы в области водоподготовки.
Ключевым фактором, определяющим успешную реализацию любогопротивоточного процесса, является обеспечение сохранности слоя ионообменнойсмолы в «зажатом» состоянии, без внутрислойного (продольного или осевого)перемешивания, как в режиме рабочего цикла, так и при проведении регенерации.
Классическим примером реализации процесса деминерализацииили умягчения воды посредством ионного обмена является упрощенная схема,показанная на рис. 1. Обрабатываемая вода проходит сверху вниз последовательночерез фильтры, загруженные катионитом (обычно сильнокислотным в Н-форме, приумягчении воды — в Na ) и анионитом (например,сильноосновным в ОН-форме). При этом объем активной ионообменной смолысоставляет не более чем 60 % (часто — около 50 %) внутреннего объема фильтра.При проведении регенерации направление подачи реагентов совпадает снаправлением подачи обрабатываемой воды (сверху вниз). Поэтому даннаятехнология регенерации ионообменной смолы называется прямоточной (илипараллелькоточной). Ее достоинства и недостатки общеизвестны. Однако необходимоотметить, что она обладает следующими положительными качествами: возможностьюизменения рабочей нагрузки в широком диапазоне значений, свободой чередованиятехнологических остановов с возобновлением рабочего цикла, возможностьюудаления из слоя монообменной смолы загрязнений, накопленных во время работы, ифрагментов зерен смолы, образовавшихся при ее разрушении в процессеэксплуатации (благодаря операции взрыхления слоя ионообменной смолы,осуществляемой в каждом цикле), предотвращением каналообразования в слоезагрузки и, наконец, исключительной простотой конструкции фильтров.
/>
Рис. 2. Схема конструкции фильтра с гидравлическойблокировкой слояионообменной смолы. [19]
ВБ — вода для блокировки; другие обозначения см. рис. 1
Преимущества противоточной регенерации перед прямоточнойуже отмечались ранее, однако для ее реализации необходимо было решитьтехническую задачу по обеспечению «зажатого» состояния слоя ионообменной смолыи постараться сохранить при этом все достоинства, присущие прямоточнойтехнологии водоподготовки.
Первыми противоточнымн технологиями, появившимися на рубеже50—60-х годов прошлого века, были такие, в которых «зажатие» слоя ионообменнойсмолы при регенерации осуществлялось подачей дополнительного потока воды,направленного сверху вниз, навстречу потоку реагента. Такие технологии получилиназвание «противоточные технологии с гидравлической блокировкой (зажатием)слоя» (рис. 2). В рабочем цикле обрабатываемая вода подается c вepxyвниз через распределительное устройство, расположенное в верхней части фильтра(на схеме не показано), проходит через слой ионообменной смолы и инертныйматериал и через нижнее распределительное устройство выводится фильтра. Слойионообменной смолы заполняет до 60 % объема цилиндрической части фильтра.Среднее дренажное устройство либо заглублено в слой ионообменной смолы своимираспределительными элементами, либо размещается целиком в верхнем слоеионитовой загрузки. При регенерации поток реагента подается снизу вверх, (дляобеспечения «зажатого» состояния слоя через верхнее распределительноеустройство сверху вниз навстречу потоку реагента) подается дополнительныйблокирующий поток воды. Оба потока выводятся из фильтра через среднеераспределительное устройство. Очевидно, что расход воды в блокирующем потокедолжен существенно превышать расход воды в потоке реагента (иначе слойионообменной смолы разуплотнится и будет перемешиваться). Этим обстоятельствомопределяется значительное потребление воды на собственные нужды. В то же времяданная схема водоподготовки позволяет выбрать способ взрыхляющей промывки: либовсего слоя загрузки (с обязательной последующей двойной регенерацией), либотолько верхних слоев ионообменной смолы (при подаче воды на взрыхление черезсреднее распределительное устройство, которое заглублено в слой ионита).
Наиболее широко известная и апробированная из отечественныхпротивоточных технологий водоподготовки, предложенная потребителям в конце 80-х— начале 90-х годов прошлого века [5, 7, 12], относится по своему техническомууровню именно к данному (первому) поколению технологий противоточнойрегенерации ионообменной смолы.
Следующим этапом в развитии противоточной технологииводоподготовки стало применение воздушной (пневматической) блокировки слояионообменной смолы, что позволило в значительной степени снизить потреблениеводы на собственные нужды. Конструкции фильтров, последовательность и типопераций при проведении рабочего цикла и регенерации в технологиях с воздушнойблокировкой полностью идентичны соответствующим решениям, применявшимся всхемах с гидравлической блокировкой. Отличие состоит лишь в том, что блокировкаслоя ионообменной смолы осуществляется не водой, а подаваемым под давлением сбольшим расходом потоком воздуха.
Недостатками технологий с использованием блокировки обоихвидов являются низкое значение коэффициента использования полезного объемафильтра, сложность регулирования технологических параметров и управлениятехнологическими потоками в процессе регенерации ионообменной смолы (особенновручную), а несомненными достоинствами — возможность проведения взрыхляющихпромывок без перегрузки ионита в дополнительную емкость, а также возможностьостанова и возобновления работы установки водоподготовки в любой моментрабочего цикла.
Еще одним типом противоточной технологии водоподготовки,реализуемой в фильтрах, конструкция которых представлена на рис. 3, является ECONEX с перемещаемым слоем инертногоматериала [13]. Особенность конструкции такого фильтра по сравнению состандартным прямоточным состоит в том, что помимо нижнего распределительногоустройства аппарат оснащается еще и верхним. Отличительной чертой этойтехнологии является наличие в фильтре, над слоем активного ионита, плавающейинертной загрузки, которая обеспечивает «зажатое» состояние слоя ионообменнойсмолы при проведении регенерации.
/>
Рис. 3. Схема конструкции фильтра с перемещаемым слоеминертного материала. Обозначения см. на рис. 1[19]
Рабочий цикл проводится в направлении сверху вниз, арегенерация — снизу вверх. В случае необходимости проведения взрыхляющейпромывки слой инертного материала удаляется из рабочего фильтра вдополнительную емкость, а после ее завершения возвращается в рабочий фильтр дляпроведения регенерации (как минимум двойной). Возможность проведениявзрыхляющей промывки ионообменной смолы непосредственно в рабочем фильтреявляется несомненным достоинством рассматриваемой технологии водоподготовки,существенно повышающим ее толерантность к присутствию взвешенных твердыхвеществ в обрабатываемой воде. К недостаткам можно отнести: низкое значениекоэффициента использования полезного объема фильтра, так как значительный объемфильтра заполнен инертной загрузкой; включение в технологическую схемудополнительной емкости для гидроперегрузки ионообменной смолы; сложностьавтоматизации процесса работы установки из-за необходимости тщательногоконтроля за отсутствием остатков перегружаемого инертного материала взапорно-регулирующей арматуре; дополнительные расходы воды на собственные нуждыи реагентов на проведение двойных регенераций.
Революционным прорывом в противоточных технологияхводоподготовки стала SCHWEBEBETT, разработанная и предложенная к внедрению компанией BAYERв 60—70-е годы прошлого века [14], Впервые было предложено заполнить активнойионообменной смолой практически весь объем фильтра. В его верхней части(непосредственно между ионообменной смолой и верхним распределительнымустройством) размещается относительно узкий (до 300 мм высотой) слой плавающегоинертного материала, поэтому между смолой и этим материалом остается небольшаязона свободного пространства (необходимая для «дыхания» ионообменной смолы припереходе из одной рабочей формы в другую). По технологии SCHWEBEBETT регенерация ионообменной смолыпроводятся сверху вниз, а рабочий цикл — снизу вверх (рис. 4).
Начиная с 70-х годов прошлого века в мире было созданооколо 4 тыс. промышленных установок водоподготовки для деминерализации воды (стехнологической цепочкой; основанной на схеме Н—ОН), использующих технологиюSCHWEBEBETT.
Простота проведения регенераций по рассматриваемойтехнологии не вызывает сомнений, однако в некоторых случаях могут возникатьосложнения в режиме рабочего цикла фильтра. Во-первых, чтобы исключить (или повозможности минимизировать) вероятность транспортировки катионитной мелочи(возникающей при разрушении зерен ионообменной смолы в процессе эксплуатации) вфильтр с анионитом, инертный материал подбирался таким образом, чтобывоспрепятствовать выносу из фильтра практически любых дисперсий (взвесей). Во-вторых,вследствие гидроклассификации наиболее крупные (и тяжелые) зерна ионообменнойсмолы сосредотачиваются в донной части фильтра, а наиболее мелкие (и,соответственно, легкие) — в верхней. В результате в рабочем цикле при подачеисходной воды, содержащей взвеси, снизу вверх взвешенные веществараспределяются по всей высоте слоя ионообменной смолы.
Совокупность изложенных факторов приводит к тому, чтовзвеси практически не вымываются из фильтра, их количество возрастает от циклак циклу, что приводит к росту гидравлического сопротивлений фильтра и ухудшениюкачества регенерации ионообменной смолы.
Чтобы решить эту проблему потребителю необходимо:
либо наладить работу предочистки (например, осветлителей ифильтров) таким образом, чтобы практически исключить присутствие взвесей вводе, поступающей на ионирование (что в условиях России до пос леднего времениили являлось недостижимой мечтой, или требовало резкого увеличения капитальныхи/или эксплуатационных затрат на предочистку);
либо периодически очищать ионообменную смолу от взвесей:перегружать ее в дополнительную емкость, проводить взрыхляющую промывку,загружать в технологический фильтр и осуществлять двойную регенерацию (чтотакже приводит к дополнительным затратам реагентов и воды на собственные нужды).
Именно из результатов анализа опыта эксплуатацииSCHWEBEBETT был сделан вывод о том, что при использовании противоточнойтехнологии необходимо предъявлять значительно более жесткие требований ккачеству предочистки по сравнению с прямоточной.
В третьих, необходимо поддерживать слой ионообменной смолыв «зажатом» состоянии на протяжении всего рабочего цикла. Для этого нужнособлюдать определенное минимальное значение расхода обрабатываемой воды и недопускать произвольных остановов и пусков фильтра в работу.
Специалисты BAYER достаточно быстро осознали недостатки,присущие технологии водоподготовки SCHWEBEBETT. Поэтому в результате работ поее совершенствованию (с конца 60-х н до начала 80-х годов прошлого века)появились технические решения для противоточной регенерации, запатентованныепод названиями UFTBETT, RINSEBETT и MULTISTEP (последняя раз работкапредназначалась главным образом для финишной очистки деминерализованной воды).На рис 5 представлены конструктивные особенности фильтров, предназначенных дляреализации указанных процессов. Фильтр, применяемый для технологии UFTBETT,представляет собой двухкамерную конструкцию (что увеличивает стоимость егоизготовления на 30...50 %), в которой верхняя камера практически полностьюзаполнена активной ионообменной смолой, а нижняя — не более чем на 50 %полезного объема. В верхних частях обеих камер располагается плавающая инертнаязагрузка. Обрабатываемая вода поступает сначала в нижнюю, а затем в верхнююкамеры. Регенерация осуществляется в обратном направлении — сверху вниз.Благодаря тому, что объем загрузки ионообменной смолы в нижней камере фильтране превышает 50 % ее объема, в ней можно проводить взрыхляющую промывку слоясмолы. Обвязка фильтра дает возможность перегрузки ионообменной смолы из верхнейкамеры в нижнюю (для удаления взвесей и мелочи из слоя смолы взрыхляющейпромывкой материала, находящегося в нижней камере). Кроме того, недостаткомданной технологии водоподготовки (помимо удорожания конструкции) являетсянеобходимость установки арматуры на соединительных трубопроводах междукамерами, так как обеспечение надежной и бесперебойной ее работы в присутствиитранспортируемой твердой фазы — весьма непростая задача в условиях промышленнойэксплуатации.
Использование технологии водоподготовки LIFTBETT посравнению со SCHWEBEBETT позволяет отказаться от жестких требований к качествупредочистки воды, однако необходимы существенно большие капитальные затраты наее реализацию. Кроме того, значение коэффициента полезного использования объемафильтра значительно ниже, а конструкция и эксплуатация — сложнее.
Технология RINSEBETT предназначена (по мнениюразработчиков) для реализации в фильтрах диаметром до 2 м [15]. Кроме среднегораспределительного устройства эти фильтры оснащаются еще и перфорированнойпластиной, которая размещается над ним, но при этом находится под слоемионообменной смолы толщиной 0,25...0,30 м. Перфорированная пластина вместе сразмещенным выше слоем ионообменной смолы призвана обеспечивать неподвижностьслоя в течение рабочего цикла, когда обрабатываемая вода подается в фильтрснизу вверх. Регенерация проводится в обратном направлении.
Несмотря на то что эта технология обеспечивает возможностьвзрыхлять слой ионообменной смолы непосредственно в фильтре (преодолевается темсамым один из недостатков, присущих SCHWEBEBETT ), она не получила широкогораспространения из-за сложности как конструктивной, так и эксплуатационной.Кроме того, RINSEBETT уступает технологии SCHWEBEBETT по значению коэффициентаиспользования полезного объема фильтра.
Специалистами компании Rohm & Haas также былапредпринята попытка усовершенствовать технологию SCHWEBEBETT, результатом чегоявилась технология водоподготовки AMBERPACK [16]. Конструкции фильтров,предназначенных для ее реализации, практически ничем не отличаются от таковыхдля SCHWEBEBETT (хотя в 90-е годы прошлого века Rohm & Haas заявила овозможности отказа от плавающего инерта, если для загрузки применятьмонодисперсные ионообменные смолы), но в состав установки промышленнойводоподготовки обязательно включается дополнительная емкость для выноснойотмывки ионита от взвесей. В оригинальной запатентованной технологиипредполагалось, что в процессе работы из верхней части фильтра ионообменнаясмола будет отбираться в емкость для отмывки, а отмытая смола — возвращаться внижнюю часть рабочего фильтра. На практике же специалисты Rohm & Haasрекомендуют осуществлять выносную промывку слоя ионообменной смолы по меренеобходимости, т.е. при возрастании гидравлического сопротивления фильтра (в точномсоответствии с регламентом, разработанным для технологии SCHWEBEBETT ).
Необходимо отметить, что агрессивный маркетинг компанииRohm & Haas для продвижения технологии водоподготовки (а, по сути, торговоймарки) AMBERPACK приносит свои плоды. Так, в публикациях последних лет дажемаститые отечественные авторы [17], описывая современные противоточныетехнологии водоподготовки, упоминают AMBERPACK и UPCORE, но при этомнезаслуженно обходят молчанием SCHWEBEBETT, являющуюся подлинным прототипомвсех современных технологий противоточной регенерации с «зажатым» слоемионообменной смолы.
Во второй части настоящей статьи, которая будетопубликована в № 11 за 2006 г ., проанализированы технологии противоточнойрегенерации, получившие развитие в течение последней четверти века, определеныобласти и конкретные задачи, для которых возможно однозначно выбратьоптимальную технологию, сформулированы требования, позволяющие достичьмаксимальной эффективности при использовании противоточной регенерацииионообменной смолы, и обозначены принципы построения современныхтехнологических схем водоподготовки для умягчения и деминерализации воды вэнергетике и промышленности.8.2. Ионообменнаясмола «Ультраион А»МОНОДИСПЕРСНЫЙ СИЛЬНООСНОВНОЙ АНИОНИТ ГЕЛЕВОЙ СТРУКТУРЫТИПА 1 (с четвертичными аминогруппами) СО СТИРОЛ-ДИВИНИЛБЕНЗОЛЬНОЙ МАТРИЦЕЙ ДЛЯОБЕССОЛИВАНИЯ.(Ионообменная смола в Cl -формеможет применяться в качествеорганопоглотителя)Характеристики ионообменной смолы:/>[19]
Заключение
На базе анализа свойств ионообменных смол с однородным(монодисперсным) гранулометрическим составом и аспектов их применения втехнологиях водоподготовки сделан вывод о существенных выгодах использованиятаких ионообменных смол.
Около 15 лет назад компания DOW CHEMICAL первой средикомпаний, выпускающих ионообменные смолы, предложила своим потребителям новоепоколение ионитов — ионообменные смолы с однородным гранулометрическим составомзерен (с монодисперсным распределением зерен ионообменной смолы по размерам),полученным по о собой технологии производства, а не методами тривиальногорассева.
В настоящее время DOW выпускает монодисперсные ионообменныесмолы трех основных классов; DOWEX MARATHON, DOWEX MONOSPHERE и DOWEX JPCOREMONOSPHERE.
Специальная технология синтеза монодисперсных ионообменныхсмол, разработанная DOW, позволяет:
-получить зерна с любым средним медианным размером вдиапазоне от 300 до 1000 мкм;
-лимитировать максимальное отклонение диаметра зернаионообменной смолы от среднего медианного размера для 95 % общего числа зерен влюбой выборке пределами от -30 до +30 мкм;
-исключить присутствие разрушенных и треснувших зерен всинтезированной ионообменной смоле;
-обеспечить близкие к абсолютно возможным гомогенностьструктуры и изомерность свойств зерна ионообменной смолы;
-значительно повысить механическую прочность зерен,определяемую тестами на раздавливание и истирание;
-существенно улучшить осмотическую стабильность зеренионообменной смолы;
-повысить химическую стойкость (устойчивость ионообменнойсмолы к окислению);
-повысить устойчивость ионообменной смолы к отравлениюорганикой и другими веществами.
Однако объективное заключение о происхождении ионообменнойсмолы, обладающей однородным гранулометрическим составом, может быть полученотолько на основе комплексного анализа ее структуры и свойств.
Следствием монодислерсного гранулометрического составаявляется более низкое значение гидравлического сопротивления слоямонодисперсной ионообменной смолы по сравнению со стандартной полидисперсной,характеризуемой тем же значением эффективного диаметра зерна. Кроме того,средний эффективный диаметр зерна для стандартных ионообменных смолполидисперсного гранулометрического состава лежит в пределах 700 — 800 мкм, вто время как DOW выпускает подавляющее большинство монодисперсных ионитов сдиаметром зерна в диапазоне 500 — 650 мкм. Благодаря этому существенноувеличивается площадь поверхности межфазного контакта при осуществленииионообмена, а также значительно улучшается его кинетика, обусловленная резкимвозрастанием скорости процессов диффузии, которая находится вобратнопропорциональной зависимости от диаметра зерна. Сочетание указанныхфакторов обуславливает существенные преимущества монодисперсных ионообменных смолв условиях, когда требуется проводить обработку высокоскоростных потоков илипотоков с широким диапазоном измененирасходных характеристик.
Применение монодисперсных ионообменных смол вобессоливающих воду установках в зависимости от конкретных условий позволяетснизить удельный расход реагентов на регенерацию на 10-20 % без снижениякачестве обработанной воды или сокращения фильтроцикла.
Очень важным представляется то обстоятельство, чтомонодисперсные ионообменные смолы проявляют более высокую устойчивость котравлению органикой и другими потенциально вредными соединениями,содержащимися в обрабатываемой воде. Объяснением служат приводившиеся вышедоводы об увеличении удельной площади поверхности ионообменной смолы в единицеобъёмной загрузки и, как следствие, о снижении удельного количества сорбируемыхзагрязнений в единице поверхности смолы, равно как и фактор более полной ибыстрой регенерируемости более мелких зерен.
Несмотря на изложенное, некоторые отечественные специалистысклонны считать, что преимущества монодисперсных ионообменных смол становятсясущественными только в условиях высокоинтенсивных технологий водоподготовки (ккоторым относят процессы противоточной регенерации, конденсатоочистку,применение ФСД и др.) и практически никак не проявляются в стандартныхпрямоточных (параллельноточных) схемах установок водоподготовки,предназначенных для обессоливания или умягчения воды. Чтобы убедиться вобратном достаточно обратиться к отечественным нормативам ежегодной досыпкикатионитов и сильноосновных анионитов (исключим из рассмотрения этот показательдля слабоосновных анионитов, чтобы не делать картину совсем трагичной). Взависимости от конкретных условий эксплуатации этот показатель колеблется всреднем в пределах 7-10%. Для стандартных полидисперсных ионообменных смол срокэксплуатации не превышает 10 лет. Таким образом, в обычных условиях задесятилетний период, принимая во внимание объем досыпки и процесс естественногостарения ионообменной смолы, требуется, как минимум, произвести полную заменувсего объема первоначальной загрузки. В соответствии с данными эксплуатациимонодисперсных ионообменных смол производства DOW на западных установкахводоподготовки, в течение 8-12 лет не производилось никаких досыпок вообще!Другими словами, благодаря комплексу механических, осмотических и химическиххарактеристик срок службы этих ионитов оказывается не менее чем в 2 раза выше,чем срок службы их стандартных аналогов!
Одной из важных стадий для нормального проведения процессарегенерации является взрыхляющая промывка. Очевидно, что для повышенияэффективности очистки слоя ионообменной смолы от загрязнений скоростьвзрыхляющего потока должна быть максимальной, но не превышающей определенногозначения, чтобы не вынести из фильтра относительно мелкую часть рабочей фракциисмолы (примем в качестве ограничивающего диаметр зерен, равный 350-400 мкм).При этом надо иметь в виду, что при взрыхлении происходит практическипсевдоожижение (взвешивание) слоя ионообменной смолы. Причем для материаловполидисперсного гранулометрического состава сначала происходит взвешиваниемелких фракций, которые способствуют более быстрому (т.е. при относительноменьшей скорости несущего потока) переходу во взвешенное состояние крупныхфракций посредством передачи им части своего импульса. Как указывалось выше,предел существования взвешенного слоя ионообменной смолы в фильтре определяетсяскоростью уноса, рассчитанной для наиболее мелкой фракции
Очевидно, что для фракции смолы со средним медианнымразмером 500 мкм, скорость потока, при которой может наблюдаться унос,оказывается на 20 % выше (а для фракции 600 мкм — на 26 % выше!), чем длясмолы, включающей фракцию 350 мкм.
Таким образом, применение ионообменной смолымонодисперсного состава позволяет существенно увеличить линейную скоростьпотока при взрыхлении, повышая тем самым эффективность удаления из слоя смолыимеющихся загрязнений.
Рассматривая всю совокупность преимуществ, которые могутбыть получены при эксплуатации монодисперсных ионообменных смол, можно сделатьвывод о целесообразности их применения и в стандартных отечественных установкахпромышленной водоподготовки.
Список литературы
1.Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерацииионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. 1998. № 3.С. 52—55.
2.Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ //Химическое и нефтяное машиностроение. 1998. Кй 12. С. 47—48.
3.Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В. Внедрение технологии проти-воточного ионированияна базе реконструкции установленного оборудования // Энергосбережение иводоподготовка. 1998. № 1. С. 52—59.
4.Внедрение противоточной технологии UPCORE фирмы «Дау Кэмикал» (США) на ВПУ пообессоливанню ТЭЦ-12 МОСЭНЕРГО / И.И. Боровкова, И.С. Бадаев, С.Л. Громов и др.// Электрические станции. 2000. № 5. С. 29—31.
5.Алексеева Т.В., Федосеев Б.С. Совершенствование техники ионного обмена наоснове противоточной технологии // Энергетик. 2001. №7. С. 17—19.
6.Гришки А.А., Малахов И.А., Ларин Б.М. Экологические проблемы ионообменныхтехнологий на ТЭС // Сб. материалов меж-дунар. конф. «Экология энергетики». М.:Изд-во МЭИ. 2000. С. 131—332.
7.Опыт применения технологии противоточного натрий-катио-нирования в котельных /Э.Г. Амосова, П.И. Долгополов, Н.В. Потапова и др. // Сантехника. 2003, Хе 2.С. 28—31.
8.Красильннков М.Д. Противоточная технология обработки воды // Вода и экология.2005. № 2. С. 39—41.
9.Ларин Б.М., Бушуев Е.Н., Бушуева Н.В. Технологическое и экологическоесовершенствокание водоподготовительных установок на ТЭС // Теплоэнергетика.2001. N° 8. С. 23—27.
10.Патент РФ № 1372711, Способ регенерации ионнтного фильтра / Д.Л. Цырульников,Е.Б. Юрчевский, А.В. Яковлев и др. // Изобретения. 1996.
11.Патент ФРГ Jft 1807694 W. Lux. 1968.
12.Патент ФРГ М 1442689. F. Martinda, G. Siegers. 1963.
13.Брннгс Б. Технологические схемы ионообменной очистки воды // Индустриянапитков. 2004. № 4. С. 55—61.
14.Патент EPV № 0142359 А2. A. D. Pnmac, J. Dobias. 1985.
15.Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. М.: Изд-воМЭИ, 2003.
16.www.engineeringsystems.ru
17.evrovoda.by
18.www.nwr.ru
19.www.mediana-filter.ru
20.www.energokaskad.com