Натрий катионит: Умягчение воды методом натрий-катионирования

Содержание

Умягчение воды натрий катионированием

Целью натрий-катионирования является удаление из воды ионов, обуславливающих ее жесткость, т.е. кальция и магния. Сам процесс описывается следующими реакциями:
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,
2Na [K] + MgSiO3 → Mg[K]2 + Na2SiO3,
где [K] – не растворимая матрица катионита.

Основные требования к воде перед подачей на натрий-катионитовые фильтры:

Параметр Ед.
изм.
Кол-во
Взвешеннаые вещества мг/л ≤ 8
Цветность Град. ≤ 30

Натрий-катионирование может проводиться по одно или двухступенчатой схеме, в зависимости от требования по жесткости воды на выходе установки:

  • до 0,05…0,1 мг-экв/л – по одноступенчатой схеме;
  • до 0,01 мг-экв/л – по двухступенчатой схеме.

Рассмотрим работу одноступенчатой N-катионитовой установки:

Вода, проходя сквозь слой катионита, умягчается и направляется в накопительный бак, откуда уже подается насосами потребителю. Такая схема позволяет избежать образование кислых стоков и, как следствие, использовать кислотостойкое оборудование и материалы.

Одноступенчатое N-катионирование, в сравнении с двухступенчатым, имеет ряд недостатков, ограничивающих ее применение:

  • умягчение воды не более 0,05 мг-экв/л,
  • неполное использование рабочей обменной емкости фильтра,
  • повышенный расход соли на регенерацию.

Работа двухступенчатой N-катионитовой установки

Проходя через N-катионитовые фильтры I ступени, жесткость воды снижается до 0,1…0,2 мг-экв/л, затем, проходя через фильтры II ступени, снижается до 0,02…0,01 мг-экв/л.

Последовательность такой фильтрации позволяет использовать максимально полно рабочую емкость обоих фильтров: значительная часть солей жесткости задерживается на фильтрах I ступени, II ступень снижает остаточную жесткость после предшествующих катионитов и выступает в качестве барьерной, задерживая соли жесткости в случае их проскока. Таким образом, регенерацию фильтров I ступени проводят не после начала проскока катионов кальция и магния, что требует тщательного контроля, а по расчетному количеству прошедшей через них воды.

Регенерация Na-катионитовых фильтров

Регенерация N-катионитов осуществляется путем пропуска раствора хлорида натрия через смолу и описывается следующими реакциями:

Ca[K]2 + 2NaCl → 2Na[K] + CaCl2,
Mg[K]2 + 2NaCl → 2Na[K] + MgCl2.

Образующиеся в результате ионного обмена соли хлорида кальция и магния хорошо удаляются при пропуске регенерационного раствора и далее в процессе отмывки фильтра.

Процесс регенерации натрий-катионитовых установок складывается из нескольких этапов:

  1. Взрыхление/обратная промывка – длится примерно 10-15 минут и имеет целью взрыхлить уплотнившиеся слои катионита и удалить принесенные взвешенные вещества;
  2. Пропуск регенерационного раствора – процесс восстановления замещенных ионов Na+ на ионы Ca2+ и Mg2+.
    Время пропуска регенерационного раствора зависит от рабочей емкости фильтра, концентрации солевого раствора, требуемой степени умягчения и варьируется от 25 до 40 минут.

    Расход соли pNaCl на одну регенерацию можно вычислить по формуле:

    pNaCl = S ⋅ a ⋅ hk ⋅ epNa/1000, кг, где
    S – площадь фильтра, м2,
    hк – высота слоя катионита, м,
    epNa – рабочая обменная емкость катионитового фильтра в случае Na-катионирования, г-экв/м3,
    а – удельный расход соли на 1 г-экв рабочей обменной емкости катионита, г/г-экв.
    Для одноступенчатой установки a = 150…200 , г/г-экв, для двухступенчатой на фильтры I ступени а = 120…150 г/г-экв, для II ступени a = 300…400 г/г-экв.

    Для более полного прохождения процессов ион-замещения при регенерации и фильтрации используют метод противоточного катионирования.

    Обусловлено это тем, что в процессе регенерации сверху вниз наиболее полно замещение ионов Ca2+ и Mg2 на ионы Na+ происходит в верхних слоях катионитового фильтра, в то время как нижние слои, по мере регенерации верхних, более и более концентрируют в себе замещенные ионы Ca

    2+ и Mg2+. Это, в свою очередь, ухудшает процесс регенерации и проводит к тому, что нижние слои оказываются не полностью регенерированы. Тот же противоионный эффект наблюдается и в процессе работы фильтра, только взамен замещаемых катионов магния и кальция выступают катионы натрия – их повышенная концентрация в нижних слоях катионита затормаживает ионообменный процесс, что приводит к уменьшению полезной обменной емкости катионитового фильтра и, как следствие, качеству воды на выходе установки.

    Данный эффект, негативно влияющий на работу фильтра, устраняется методом противоточного катионирования – умягчаемая вода и регенерационный раствор подаются в разных направлениях, тем самым обеспечивая условия для наиболее полного умягчения воды в процессе фильтрации.

Нужна консультация, хотите произвести работу или заказать оборудование? Свяжитесь с нами!
Телефон: +7 905 282 32-19
Email: [email protected]

Умягчение воды методом натрий-катионирования | Архив С.О.К. | 2011

Среди множества способов борьбы с накипью, при которых используют термический, реагентный методы, метод ионного обмена, диализ, магнитная обработка или их комбинации, наиболее распространенным в настоящее время является замещение ионов Ca2+ и Mg2+ на безвредные Na+ и H+, получивший название натрийкатионирования. В основе метода лежит способность фильтрующего материалаионита забирать из воды определенные ионы в обмен на эквивалентное количество собственных противоионов. Ионообменная смола состоит из зерен, в состав которых входят функциональные группы (матрицы), удерживающие катионы с более низкой динамической активностью, чем ионы, предполагаемые к удалению из раствора электролита (воды). При попадании в раствор частицы ионита впитывают воду и разбухают, приходя в рабочее состояние. Процесс ионного обмена протекает вследствие разности концентраций воды внутри и снаружи зерна смолы, которое в данном случае выступает в качестве мембраны. Как известно, разница в концентрациях заряженных частиц по разные стороны мембраны приводит к возникновению мембранной разности потенциалов, называемой также потенциалом Доннана. Энергия вхождения различных катионов в катионит и замещения в нем противоионов зависит от их валентности, а при одинаковом заряде — от интенсивности гидратации. Из всего объема химических элементов и соединений, проникающих в зерно, задерживаются в нем только те, которые смогли вступить в прочную связь с функциональной группой. Этим и объясняется многообразие вариантов фильтрационной загрузки и ее специализация, т.

е. эффективность использования по отношению к тем или иным примесям. На рис. 1 показан ряд активности некоторых металлов и соединений, участвующих в процессе ионного обмена. Поскольку натрий обладает наименьшими показателями, именно он обычно входит в состав функциональной группы катионита, используемого для умягчения воды. Ионы диффундируют через мембрану до тех пор, пока не установится электрохимическое равновесие. После чего начинается фаза т.н. «проскока» в фильтрат катионов жесткости. Данная стадия продолжается до момента уравнивания жесткости фильтрата с жесткостью исходной воды. На наружной поверхности омываемой частицы ионообменной смолы в процессе фильтрации образуется тонкая водяная пленка. Скорость ионообмена зависит от скорости диффузии катионов жесткости через пленку. Скорость диффузии зависит, в свою очередь, от нескольких факторов: 1. Структура зерна. Важную роль в ионообменном процессе играет отношение площади обменной поверхности к размеру зерна. В компактных частицах ионный обмен протекает на поверхности (экстрамицеллярный обмен), что повышает скорость фильтрации, но ограничивает площадь обменной поверхности.
В частицах с развитой структурой и диаметром пор, превышающим размер гидратированных катионов, ионный обмен происходит как на внешней, так и на внутренней поверхностях (интермицеллярный обмен). Это замедляет фильтрацию, зато позволяет обойтись меньшим количеством катионата за счет более полноценного использования. В зависимости от размера пор выделяют следующие виды катионитов: изопористые (смола с однородной структурой), макропористые (представляют собой губчатую структуру с диаметром пор, превышающим молекулярный размер) и гетеропористые (это гелевидная структура с небольшими порами). На основании структуры засыпки определяют рабочую и полную обменную емкости катионита, выражающую количество задержанных катионов [гэкв/л] на 1 м3 катионита в рабочем состоянии до момента проскока в фильтрат катионов жесткости и до уравнивания жесткости фильтрата с жесткостью исходной воды соответственно (рис. 2). Важное значение имеет также насыпная плотность, т.е. отношение величины частицы катионита в сухом (товарном) и разбухшем (рабочем) состоянии, а также абсолютные размеры этих частиц.
Мелкозернистый катионит обладает менее развитой поверхностью по сравнению с крупнозернистым, зато с увеличением размеров зерна уменьшается гидравлическое сопротивление и, соответственно, возрастает скорость фильтрации. Оптимальным размером принято считать размеры зерен 0,3–1,5 мм. 2. Химический состав зерна. Ассимиляция различных катионов из электролита функциональной группой ионообменной смолы зависит от фракционного состава загрузки. Катиониты подразделяются на минеральные и органические, которые, в свою очередь, могут иметь естественное или искусственное происхождение. Матрица может содержать амины, оксиды, гидроксиды, карбонаты, силикаты; сульфатные, фосфорные, фенольные, карбоксильные группы; природные минералы и другие соединения. Ионообменная смола состоит из однотипных (монофункциональные) или различных (полифункциональные) матриц. Подвижные заряды групп могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. В первом случае смола обладает катионообенными свойствами, во втором — анионообменными.
3. Температура исходного раствора. С одной стороны, повышение температуры обрабатываемой воды способствует снижению ее вязкости, что улучшает кинетику ионообмена. С другой стороны, нагрев в сочетании с высокой щелочностью или кислотностью может приводить к пептизации (превращении в коллоидный раствор) катионита, в результате чего он теряет способность к ионному обмену. Универсальной рекомендацией в данном случае может служить соблюдение предписаний, касающихся диапазонов температуры и pH фильтруемой среды, поскольку для каждого материала они могут значительно различаться. 4. Содержание механических примесей. Взвешенные частницы, содержащиеся в фильтруемой воде, могут загрязнять и блокировать диффузные пути зерен ионита, снижая его фильтрующую способность. Это накладывает определенные ограничения на качество исходной воды: содержание взвеси не может превышать 8 мг/л, а цветность — 30 °. Поэтому в системе водоподготовки ступень умягчения ставят после механической фильтрации. 5. Скорость протока. Толщина обволакивающей частицу ионита водяной пленки тем тоньше, чем выше скорость протока. А она, в свою очередь, связана с давлением воды на входе, а также размером зерен смолы. Процесс фильтрации Фильтруемая жидкость обычно подается в колбу с ионообменной смолой сверху вниз, при этом ионный обмен между электролитом и катионитом заканчивается на определенной глубине. По мере истощения обменных свойств катионита рабочий слой постепенно смещается вниз, пока не достигнет дна емкости. Все это время жесткость фильтрата сохраняется постоянной. Скорость фильтрования обычно составляет 10–25 м/ч.Процесс ионного обмена в натрий-катионитовых фильтрах описывается следующими уравнениями: где K — функциональная группа. После совмещения нижней границы рабочей зоны с нижней границей засыпки в фильтрат начинают проскакивать неотфильтрованные ионы из исходного раствора, в связи с чем остаточная жесткость повышается и в конце концов достигает значения предельной жесткости фильтрата, что свидетельствует об истощении катионита и необходимости регенерации. Восстановление фильтрующей способности катионита проходит в несколько этапов: взрыхление смолы обратным потоком обработанной воды (10–15 минут, 3–4 л/с⋅м2), слив излишков воды для предотвращения разбавления реагента, фильтрация регенерирующего раствора прямым потоком через катионит (одиндва часа, 3–5 м/ч), отмывка катионита от реагента нефильтрованной водой (полчаса-час, 8–10 м/ч). Регенерация натрий-катионитовых фильтров-умягчителей проводится обычно 5–8 %м раствором хлористого натрия, получившего широкое распространение вследствие низкой стоимости и хорошей растворимости полученных в результате регенерации солей. Процесс регенерации описывается следующим уравнением: Отмывка катионита после взрыхления происходит до тех пор, пока содержание хлоридов в фильтре не сравняется с отмывочной водой. Удельный вес воды на отмывку составляет около 4–5 м3 на кубометр смолы. При высоких значениях жесткости натрийкатионирование можно проводить в два этапа — первый позволяет умягчать воду до 0,05–0,1 мгэкв/л, второй — до 0,01 мгэкв/л. Отмывку катионита второй ступени производят фильтратом первой ступени. В современной практике при невысокой жесткости или отсутствии необходимости в глубоком умягчении применяют также частичное умягчение, когда фильтрации подвергается лишь часть общего объема, после чего необработанный проток и фильтрат объединяются вновь. Вычисление необходимого объема катионита Основной задачей, которую требуется решить при подборе необходимого фильтра для умягчения — это определение объема загрузки Vк [м3]. Он зависит от качества исходной воды, интенсивности протока, характера работы установки, особенностей выбранного катионита и выражается формулой: где Q — расход воды через фильтр, м3/ч; Жо — общая жесткость исходной воды, гэкв/м3; n — число регенерацийфильтра в течение суток, обычно принимают n ≤ 3; epNa — рабочая обменная емкость смолы, гэкв/м3, которую можно определить, используя данные из СНиП 2.04.02–84 [1, приложение 7] и технической документации к катиониту: где αэNa — коэффициент эффективности регенерации, зависящий от расхода реагента; βNa — коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по Ca2+ и Mg2+ вследствие частичного задержания катионитов Na+; Eп — полная обменная емкость катионита, гэкв/м3; qу — удельный расход воды на отмывку смолы, м3/м3. Подставив (2) в (1), получим общую формулу для расчета объема загрузки: На основании полученных данных происходит подбор корпуса фильтра, объема бака для реагента, а также на определение режима фильтрации. Рассмотрим несколько примеров. Пример 1 Произведем расчет фильтрационной установки для жилого дома с расходом воды 9 м3/мес., что составляет в среднем Q = 0,0125 м3/ч. Общая жесткость исходной воды, согласно анализу, равна 10,2 гэкв/м3.Режим водопотребления — неравномерный, с пиковыми расходами утром и вечером и минимальным расходом в ночное время, поэтому предлагается выполнять регенерацию один раз в сутки (ночью), т.е. n = 1. По [1] вычисляем αэNa: Значение коэффициента βNa принимаем как 0,83, значение qу = 6 м3/м3 [1]. В качестве катионита выбираем смолу Lewatit S 1428 (сильнокислотный гелеобразный катионит на основе сшитого полистирола) с общей обменной емкостью по паспорту Eп = 2000 гэкв/м3. Затем подставляем исходные данные в формулу (3): В связи с тем, что самый маленький корпус, комплектуемый блоками управления, вмещает 8 л ионообменной смолы, имеет смысл организовать регенерацию не один раз в сутки, а вдвое реже, т. е. один раз в два дня: n = 0,5. Пересчитываем Vк согласно скорректированным данным: Этому объему смолы соответствует корпус 0817, поэтому можно рекомендовать заказчику установку малогабаритную автоматизированную установку типа «кабинет» Cab…560 с корпусом данного типа (табл. 1). Пример 2 Рассчитаем установку умягчения, способную обеспечить жилой многоквартирный дом с расположенным на первом этаже предприятием общественного питания. Характер водопотребления и расход: 6:00–22:00 — 2,8 м3/ч, в остальное время суток — 1 м3/ч. Жесткость воды — 8,5 гэкв/м3. Так как в ночные часы потребление воды обычно падает в 2,8 раза, для обеспечения беспрерывной работы лучше поставить два корпуса, работающих параллельно, т.е. для каждого из корпусов: Регенерация будет производиться один раз в сутки ночью, сначала у одного фильтра, потом у другого: n = 1. Коэффициент αэNa = 0,668 вычисляем аналогично первому примеру, коэффициент βNa = 0,81 [1], параметры qу = 6 м3/м3 и Eп = 2000 гэкв/м3 также возьмем из того же приведенного выше примера 1. Подставляем эти данные в (3): Такому объему смолы соответствует корпус 2469, поэтому рекомендуем клиенту установку на базе этого корпуса (табл. 2, рис. 3).

 

>>> Также читайте по теме Умягчение воды. Ионообменные смолы: виды, принцип действия, эффективность в журнале СОК 2002 №10

Умягчение и обессоливание воды ионообменом

Г. Овчинников

В настоящее время, как в быту, так и в промышленности получили широкое распространение ионообменные методы очистки и умягчения воды

Свойства ионообменных смол

Ионообменные смолы (катиониты и аниониты) – это нерастворимые в воде высокомолекулярные полимерные органические соединения с кислотными или основными свойствами, чаще в виде сферических гранул, которые позволяют удалять из воды ионы кальция, магния и многих других металлов, а также других ионов, заменяя их в основном на ионы натрия Na+ или водорода H+, а также заменять кислотные остатки на ион хлора Cl или ион гидроксила OH.

Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые материалы характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера. Изопористые – однородной структуры и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол.

Для специальных целей иониты выпускают в виде порошков, волокон, нитей, нетканых материалов, мембран и др.

В зависимости от содержащейся функциональной группы катиониты делятся на сильнокислотные, среднекислотные и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой средах, для слабокислотных требуется только щелочная среда.

Мелкозернистый катионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую обменную емкость, чем крупнозернистый. Однако с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3…1,5 мм. Рекомендуется применять катиониты с коэффициентом неоднородности Кн не больше 2. Иониты, применяемые в развитых странах, характеризуются Кн близким к единице.

В воде все иониты набухают, увеличиваясь в объёме. Отношение объёмов одинаковых масс ионообменных смол в набухшем состоянии и в воздушно-сухом называется коэффициентом набухания. Его необходимо учитывать при первом наполнении сосуда фильтра ионообменной загрузкой и затем водой.

Катионит бывает в различных катионных формах. В основном, это натрий-форма (Na-форма) и водородная форма (Н-форма). В зависимости от этого катионит меняет удаляемые из воды ионы либо на натрий-ион, либо на водород-ион. Для удаления из воды катионов Са2+, Mg2+ в основном применяют класс полимерных смол различных катионитов с необходимыми свойствами для определённого процесса, а также их упорядоченные по высоте смеси. Катиониты в Н-форме используются для обессоливания воды и специальной водоподготовки.

После насыщения емкости катионита ионами кальция и магния, необходимо проводить его регенерацию, например, поваренной солью. Во время этого процесса идёт замена катионов солей жесткости на ионы Na+. После чего материал опять способен умягчать воду.

Также существует класс ионообменных полимерных соединений, которые, являясь основаниями, позволяют удалять из воды анионы кислот, заменяя их на анионы Cl или ОН. Они подразделяются на сильно-, средне- и слабоосновные аниониты. Для регенерации их подвергают действию щёлочи или соли соляной кислоты.

Нашли применение и так называемые амфотерные иониты или полиамфолиты. В разных ситуациях они могут вести себя как катиониты или как аниониты. Для регенерации амфотерных ионитов их промывают водой.

Применение ионообменных смол ионитов

Все типы ионитов могут разделяться по назначению на технические, пищевые и специальные. Иониты применяют для обессоливания, умягчения, обескремнивания, извлечения органики, отдельных специфических веществ (нитраты,фториды, бор), селективно при обмене в многокомпонентном растворе тяжелых элементов и др. Ионообменные смолы используют для систем водоподготовки коттеджей, котловой воды, производства алкогольных напитков, соков, хлеба, лекарств, химически чистой воды.

Ионообменные технологии не требуют значительных капиталовложений, в промышленности применяют стандартные виды и типы оборудования. Установки просты в обслуживании, а для достижения большой производительности нет принципиальных ограничений. Ионообменные умягчители относительно дёшевы в эксплуатации и могут надёжно обрабатывать воду в течение многих лет.

Для их правильной эксплуатации разработаны «Методические указания по применению ионитов на водоподготовительных установках тепловых электростанций», «Основные требования к применению ионитов на водоподготовительных установках тепловых электростанций. Технологические рекомендации по диагностике их качества и выбору». Существуют многие другие инструкции и рекомендации по подбору, эксплуатации определённых марок ионообменных смол, конкретных умягчительных установок. В промышленности используют сильнокислотные сульфокатиониты КУ-2-8 (сульфополистиролдивинилбензол) и пористый КУ-23 (сополимер стирола и дивинилбензола). В H-форме они обменивают все катионы, содержащиеся в воде. Также применяется широкий спектр качественных ионообменных смол зарубежного производства, единственным недостатком которых является их цена. Это, впрочем, частью компенсируется хорошими эксплуатационными свойствами и длительностью периода сохранения работоспособности до потери способности регенерироваться вследствие «отравления» активных центров различными примесями, содержащимися в воде и регенерационных растворах и не удаляемых при регенерации смолы.

Характеристики ионообменных смол

Отметим основные характеристики ионообменных смол, характеризующие их эксплуатационные свойства.

Обменная емкость ионообменных материалов – это масса ионов, которые могут быть извлечены единицей объема (или, в исключительных случаях, единицей массы) рассматриваемого ионообменного материала. Она выражается в грамм-эквивалентах на дм3 смолы в плотном состоянии или в градусах на единицу объема; эквивалент градуса, выраженный в грамм-эквивалентах, различен в различных странах (французские градусы, немецкие и т.д.).

Существуют различия между понятиями «полная обменная ёмкость» (величина, представляющая собой массу ионов, которые могут быть обменены) и «полезная ёмкость» (которая представляет собой часть полной обменной емкости и изменяется в зависимости от гидравлических и химических условий работы ионитов в течение фильтроцикла).

В практике водоподготовки обменную ёмкость катионита выражают в г-экв задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набухшем состоянии в рабочем фильтре.

Полной обменной ёмкостью называется то количество Са2+, Mg2+, которое может задержать 1 м3 вещества в рабочем состоянии, до того момента, когда жёсткость фильтрата сравняется с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной ёмкостью катионита называется то количество катионов кальция и магния, которое задерживается 1 м3 до момента «проскока» в фильтрат солей жёсткости. Пренебрегая остаточной жёсткостью умягчённой воды, рабочую обменную емкость фильтра Ер (г-экв/м3) можно выразить так:

Ер= QЖo или Ерр Vк,

где Q – количество умягченной воды, м3, Жo – жёсткость исходной воды, г-экв/м3; ер – рабочая обменная ёмкость катионита г-экв/ м3; Vк – объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии.
Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии определяется по формуле:

Vк = fh,

где f – площадь катионитового фильтра, м2; h – высота слоя катионита, м.

Формула для определения рабочей обменной емкости катионита (г-экв/м3):

ер= QЖo/fh.

Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре Сф, количество умягченной воды можно найти по формуле:

Q = СфfTk = ерfh/Жo.

Откуда длительность работы катионитового фильтра Tk (межрегенерационный период) находят по формуле:

Tk = ерh/СфЖo.

Необходимый объём катионита в фильтре вычисляется по формуле:

V = 24QЖo/nер,

где n – число регенераций каждого фильтра в сутки (принимается равным 1–3).

Объемная нагрузка – это отношение объема жидкости, обрабатываемой за 1 час, к объему смолы. Нагрузка по ионам – объемная нагрузка, умноженная на солесодержание воды (число ионов в мг-экв, поступивших на 1 дм3 смолы в 1 час).

Регенерационное отношение – масса реагента, используемого для регенерации единицы объема ионообменного материала.

Эффективность регенерации выражается отношением количества использованного регенерирующего реагента (г-экв) к количеству реагента (г-экв), соответствующему стехиометрическому количеству удаленных ионов, а эффективность удаления ионов представляет собой отношение концентрации удаляемых ионов в жидкости после и до обработки, она выражается в %.

Важной характеристикой ионообменных смол является их механическая прочность – износ гранул в процессе их использования, а также химическая стойкость в разных кислотах и щелочах, к растворённому в воде хлору и другим окислителям, термическая стойкость.

При высокой температуре обрабатываемой воды, повышенной кислотности или щелочности катиониты способны пептизироваться – переходить из нерастворимого состояния в состояние коллоидного раствора и в таком виде вымываться из фильтра.

Описание процесса умягчения воды

Удаление из воды кальция и магния можно описать уравнением:

Ме(HCO3)2 + 2NaR⇌МеR2 + 2NaHCO3.

Регенерация поваренной солью происходит следующим образом:

МеR2 + 2NaCl ⇌2 NaR+ МеCl2,

где R – обозначение радикала смолы (Ме-катиона двухвалентного металла).

Для ускорения процесса регенерации накопленных ионов кальция и магния, в систему направляют водный раствор поваренной соли (5–8% NaCl) со значительным превышением сверх необходимого стехиометрического её количества. В целях уменьшения удельного расхода соли при регенерации иногда практикуют первую половину расходного количества соли пропускать в виде 2 – 3%-го раствора, а вторую половину – в виде 6 – 7%-го раствора.

Скорости прохождения регенерирующих растворов обычно выдерживают на уровне 7 – 10 м/ч.

Расход поваренной соли Р для регенерации промышленных Na-катионитных фильтров на умягчение 1 м3 воды (г/м3) в расчете на 100% хлористый натрий определяют по нескольким формулам. Для одноступенчатого Na-катионирования или для фильтров 1 ступени:

Р11об – Жост).

Для Na-катионитных фильтров 2 ступени:

Р22ост – Жнорм).

Для H-, Na-катионитных фильтров:

Р3=180 (Жоб – Щ + а),

где У1, У2 – удельные расходы поваренной соли (г/г-экв), соответственно, выбирают по таблице в зависимости от применяемой технологии умягчения воды и регенерации катионита. Для одноступенчатого прямоточного процесса – 118 г/г-экв, второй ступени – 350 г/г-экв. Для прямоточного умягчения конденсатов – 350 г/г-экв. При одноступенчатом натрий-катионировании и ступенчато-противоположной системе регенерации 88 г/г-экв и противоточной технологии 90–150 г/г-экв; Жоб – среднегодовая общая жесткость исходной воды перед Na-катионитным фильтром 1-ой ступени, мг-экв/дм3; Жост – средняя за фильтроцикл остаточная жесткость воды, после первой ступени Na-катионирования, мг-экв/дм3; Жнорм – нормируемая жесткость умягченной воды, мг-экв/дм3; Щ – карбонатная щелочность исходной воды, мг-экв/дм3; а – заданная щелочность фильтрата, мг-экв/дм3.

Для эффективного взрыхления ионитов перед регенерацией необходимо предусмотреть свободное пространство в фильтре, достаточное для расширения слоя катионитов на 50–75%, слоя анионитов – на 80–100%. При этом иониты макропористой структуры требуют большей высоты расширения слоя в сравнении с ионитами гелевой структуры. В связи с этим начальная скорость потока взрыхляющей воды не должна превышать 5–7 м/ч.

Концентрированные водные растворы хлоридов СаСl2, МgСl2 и избыток раствора соли NаСl, оставшейся неиспользованной, затем удаляют промывочной водой из фильтра в дренаж.

При пропускании регенерационного раствора сверху-вниз, в нём нарастает концентрация вытесняемых и уменьшается концентрация регенерирующих ионов. Увеличение концентрации противоионов (при умягчении это Са2+, Mg2+), в регенерационном растворе NаСl подавляет и ослабляет замещение Са2+, Mg2+ в смоле на Nа+. Иначе говоря, это так называемый противоионный эффект тормозит реакцию регенерации. В итоге в нижних слоях катионита некоторое количество катионов жёсткости остаются незамещёнными Nа+. Для устранения этого явления можно продлить время регенерации, но это увеличивает удельный расход соли и повышает стоимость обработки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропусканием раствора соли при жёсткости умягчённой воды до 0,20 мг-экв/дм3 или двукратным при жёсткости ниже 0,05 мг-экв/дм3.

Для каждого вида ионообменных смол есть свой предел, которого он может достигнуть, после чего фильтрующий слой перестаёт работать по назначению. Возможны два варианта того, что следует делать со смолой, использовавшей свою ионообменную емкость.

В том случае, когда порция смолы использовалась в виде сменного картриджа, что практикуется в ряде бытовых устройств, его просто заменяют на новый. Подобные устройства целесообразно применять для получения небольших объёмов очищенной воды, например, для разового приготовления пищи.

Недостатком подобных устройств является почти полная неизвестность того момента, когда картридж исчерпал свои умягчительные свойства. Поэтому или картридж меняют, хотя он ещё работоспособен, или употребляют не умягчённую воду.

В бытовых водоумягчительных устройствах с большим объемом загрузки ионообменными смолами применяется регенерация насыщенным раствором таблетированной поваренной соли из бака, который или расположен отдельно (колонная система, рис. 1), или является частью относительно компактной установки (кабинетная система, рис. 2).

Рис. 1. Колонная система водоумягчения

Рис. 2. Кабинетная система водоумягчеиня

Устройство и функционирование ионообменных установок

Для бытовых установок умягчения ограничиваются только Na-катионированием жёсткой воды, в промышленности же могут применять значительно более сложные установки с цилиндрическими сосудами больших размеров с катионитом и анионитом для получения глубоко умягчённой и полностью обессоленной воды. Иногда в одном корпусе фильтра комбинируют сильные и слабые ионообменные материалы одной и той же полярности, при условии, что они имеют различную плотность. В этих случаях разделение слоев осуществляется гидравлическим способом – обратным потоком воды таким образом, что во время цикла фиксации обрабатываемая жидкость проходит последовательно через слабые ионообменники, а затем – через сильные.

Все бытовые ионообменные установки водоподготовки выполнены с прямотоком фаз. Данные фильтры имеют корпуса чаще всего из пластика и снабжаются блоками управления с многоходовыми клапанами-распределителями. В фильтрах с диаметром до 1 м блок управления и многоходовой клапан с электроприводом расположены в едином корпусе. Для больших промышленных аппаратов используется блок управления с пневматическим или гидравлическим выходом и многоходовой клапан, устанавливаемый рядом с корпусом фильтра и часто сложной системой противотока обрабатываемой воды и регенерационных растворов, улучшающих эксплуатационные свойства системы, её экономичность и качества воды на выходе.

Блок управления содержит счетчик объёма воды или таймер, который дает сигнал к началу регенерации ионообменной смолы, программно-временное устройство, задающее последовательность и продолжительность проведения операций, а также силовой электропривод, двигающий клапан-распределитель. Для ионного обмена оптимально включение режима регенерации ионообменной смолы по объему пропущенной воды. Блоки с таймером, как более дешевые, могут применяться только для бытовых целей. Хотя и для них предусмотрен режим выхода на регенерацию по объёму пропущенной воды. При этом по таймеру проводится принудительная регенерация, если фильтр долго бездействовал или обработал небольшие объёмы воды за относительно длительное время.

Системы непрерывного действия применяются, в основном, в крупных коммерческих и промышленных масштабах получения умягчённой или обессоленной воды.

Чистое Na-катионирование применяют преимущественно при умягчении воды с относительно небольшой карбонатной жесткостью. Одноступенчатая схема Na-катионирования имеет определённые недостатки – невозможность глубокого умягчения воды до 0,01 –0,02 мг-экв/дм3, относительно высокий удельный расход соли на регенерацию, неполное использование ёмкости поглощения загрузки. Это ограничивает её применение в промышленности. Для более глубокого умягчения, экономии соли и увеличения длительности фильтроцикла, применяется последовательное двухступенчатое Na-катионирование.

При фильтровании жёсткой воды сверхувниз через слой катионита, происходит её умягчение, заканчивающееся на некоторой глубине. Слой катионита, умягчающий воду, называют работающим слоем или зоной умягчения. При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катионита истощаются и теряют обменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита, и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: истощенного, работающего и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са2+ и Мg2+ и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Однако процесс умягчения данным фильтром останавливают в начале проскока катионов жёсткости.

Совместное Nа-Н-катионирование

Для умягчения подземной и поверхностной воды с большой карбонатной жесткостью применяют совместное Nа-Н-катионирование. Имеется несколько таких схем, из которых наиболее распространены две: последовательная и параллельная. Их применение зависит от концентраций сульфатов и хлоридов в исходной воде.

По схеме последовательного Nа-Н-катионирования часть воды, подлежащая умягчению, сначала проходит Н-катионитовые фильтры, потом её смешивают с остальной водой, удаляют CO2, а затем она поступаетв Na-катионирование.

Эта схема обработки воды позволяет более полно использовать емкость Н-катионитового фильтра и уменьшить расход кислоты на регенерацию.

По схеме параллельного Nа-Н-катионирования фильтры включают параллельно, и вода, подлежащая умягчению, проходит через них двумя параллельными потоками.

Процесс удаления катионов двухвалентных металлов при помощи H-катионирования можно описать следующими уравнениями.

2HR + Ca(HCO3)2 ⇌ CaR2 +2CO2 + 2H2O,
2HR + MeCl2 ⇌ MeR2 + 2HCl,
2HR + MeSO4 ⇌ MeR2 + H2SO4,

где R – обозначение радикала смолы, Ме – катион двухвалентного металла (Ca, Mg).

А также:

НR + NaНСО3 ⇌ NaR + СО2 + 2Н2О,
2НR + Na2SO4 ⇌ 2NаR + Н2SO4,
НR+ NaCl ⇌ NаR + НCl.

При этом происходит полное превращениесолей в кислоты.

Для регенерации катионита, насыщенного извлекаемыми из электролита катионами, используют растворы кислот, например 5–6%-ный раствор НCl:

MeR2 + 2НСl ⇌ 2НR +МеСl2,
NаR + НСl ⇌ НR + NаCl.

Регенерация Н-катионитовых фильтров (в системе Н-Na-катионирования) часто осуществляется 1,5 – 2% водным раствором серной кислоты. Более высокие концентрации могут приводить к отложению CaSO4 в загрузке. Скорость пропускания регенерирующего раствора рекомендуется выдерживать в пределах 8 – 10 м/ч.

В конечном счете, так или иначе, но воду после Nа- и H-катионирования смешивают, и происходит нейтрализация кислот:

H2SO4 + 2NaHCO3 = Na2SO4 + 2CO2 + 2H2O.

Процесс проводят таким образом, чтобы остаточная щелочность не превышала 0,4 мг/дм3. Для получения глубокого умягчения (не меньше чем 0,01 мг-экв/дм3), воду после дегазации от CO2 пропускают через Nа-катионитовый фильтр второй ступени.

Применение Н-катионирования требует сложной аппаратуры, выполненной в кислотостойком исполнении. Кроме того, возникает задача нейтрализации кислотных стоков от избытков кислоты при регенерации.

Другие схемы умягчения воды

Кроме указанных схем умягчения воды катионитами, существуют еще две – последовательного и параллельного аммоний-катионирова ния (NH4-катионирования), – при которых все катионы исходной воды обмениваются в слое катионита на катион аммония по следующим уравнениям:

2NH4R + МеА ⇌ МеR2 + (NН4)2А,
2NН4R + 2NаА ⇌ 2NаR + (NН4)2А,

где А – может обозначать -SО4, -Сl, -SiО3, (-НСО3)2, Ме – двухваленые катионы металлов Са или Мg, R – обозначение радикала смолы.

Регенерацию NН4 – катионита производят 2–3%-ным раствором сульфата аммония (NН4)24 или 6–8%-ным раствором хлорида аммония NН4Сl:

МеR2 + (NН4)24 ⇌ 2NН4R + МеSO4.

Кроме того, необходимо упомянуть натрийхлор-ионитовый метод.

Он основан на умягчении воды с одновременным уменьшением щелочности и осуществляется последовательной обработкой воды сначала Na-катионированием первой ступени, затем Сl-анионированием и затем снова Na-катионированием. Причём вторую ступень обработки воды проводят в фильтре с двухслойной загрузкой: снизу Na-катионит, а сверху – сильно основной анионит, например, АВ-17-10. Аниониты АВ-17 широко распространены в водоочистке, так как обладают крайне высокой степенью эффективности и сохраняют работоспособность в кислых средах.

В двухслойном фильтре в слое анионита анионы SO42– и HCO3– обмениваются на ионы хлора, а катионы жесткости обмениваются на ионы натрия.

Процессы в слое анионита можно описать уравнениями:

2АnCl + Na2SO4 ⇌ Аn2SO4 +2NaCl,
АnCl + NaНСО3 ⇌ АnНСО3 +NaCl,

где Аn – обозначение радикала анионита.В конце процесса умягчения жёсткость воды может составлять 0,01 мг-экв/дм3, а щёлочность – 0,2 мг-экв/дм3.

Аниониты в данном случае регенерируют 5–6%-ным раствором поваренной соли. В результате этого анионит переходит в Cl-форму. Регенерация катионита NaCl описана выше.

Натрий-хлор-ионитовый метод умягчения воды имеет определённые преимущества по сравнению с водород-натрий-катионитовым. Нет необходимости в использовании для регенерации кислот (применяется только поваренная соль), а также в кислотостойком оборудовании и арматуре. Проще эксплуатация и контроль за работой водоумягчительной установки.

Опреснение высокоминерализованных вод

При помощи ионообменных технологий можно получать опреснённую и глубоко обессоленную воду. Сущность метода заключается в последовательном пропускании воды через H-катионитовый, а затем – анионитовый фильтр с загрузкой в форме OH, СО32– или НСО3. Процессы, протекающие в H-катионитовом фильтре, описаны выше.

В OH-анионитовом фильтре анионы образовавшихся кислот обмениваются на OH–:

АnOH +НСl ⇌ АnСl + H2O,
2АnOH +H2SO4 ⇌ Аn2SO4 +2H2O.

В зависимости от требуемой степени обессоливания проектируются одно-, двух- или трёхступенчатые установки, причём для непрерывной работы в каждой группе должно быть не меньше двух взаимозаменяемых фильтров. Для регенерации анионитовых фильтров первой ступени применяют раствор кальцинированной соды с удельным расходом на 1 г-экв поглощённых анионов 100 г Na2СО3 с концентрацией порядка 4%. Фильтры первой ступени отмывают H-катионированной водой.

Для регенерации второй ступени применяют раствор едкого натра, приготовленный на H-катионированной воде.

Раствор едкого натра и промывка фильтров третьей ступени после регенерации производят обессоленной водой после анионных фильтров второй ступени. Удельный расход NaОH равен 2000г/г-экв поглощённой кремневой кислоты.

Общим недостатком умягчения и обессоливания воды при помощи ионообменных смол является большой объём сточных вод – порядка 15–20% производительности установки, – так как после регенерации ионитов необходима тщательная их отмывка от следов регенерирующих растворов.

Для экономии при регенерации используют отходящие промывные воды одних фильтров для промывки других ступеней умягчения и обессоливания воды. Для опреснения исходной воды с содержанием растворенных солей 1,5–2,5 г/дм3 требуется сравнительно высокий расход реагентов, поэтому метод приемлем, когда себестоимость воды не играет особой роли.

Ионообменный способ опреснения и умягчения воды имеет и ряд достоинств – простота стандартного оборудования, относительно малый расход электроэнергии, отработанные схемы и технологии ведения процесса обессоливания практически любых необходимых объёмов воды, большой выбор видов ионообменных смол с необходимыми свойствами для конкретных технологических целей и свойств фильтрата.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 12 362
Вас может заинтересовать:

Вам также может понравиться


Заказ был отправлен, с Вами свяжется наш менеджер.

Фильтры натрий-катионитные паралельноточные ФИПа

Фильтры натрий-катионитные паралельноточные ФИПа

Цены на поставляемую продукцию смотрите здесь

Назначение.

Натрий-катионитные фильтры предназначены для получения умягченной воды, используются в схемах водоподготовительных установок электростанций, промышленных и отопительных котельных, различных технологических процессов.

Типы фильтров

По способу проведения регенерации фильтры бывают :

1.параллельноточные – ФИПа:

При параллельноточном способе регенерации обрабатываемую воду и регенерационный раствор пропускают через фильтр в одном и том же направлении.

а – работа; б – регенерация; (стрелками показаны направления рабочих потоков)

2. противоточные – ФИПр

При противоточном способе регенерации обрабатываемую воду и регенерационный раствор пропускают через фильтр в противоположных направлениях.

а – работа; б – регенерация; (стрелками показаны направления рабочих потоков)

По схеме умягчения:

1. Одноступенчатое I NA-катионирование

Для получения умягченной воды, используемой для питания водогрейных котлов и подпитки теплосети закрытого типа, применяется следующая схема одноступенчатого NA-катионирования (см. рисунок). Исходной водой при этом является водопроводная или артезианская. После прохождения фильтра вода направляется в деаэратор, в котором происходит удаление агресивных газов. В случае применения этой схемы очистки в обработанной воде остаточная общая жесткость составляет 0,1-0,2 мг-экв/л, свободная углекислота отсутсвует, концентрация свободного кислорода не превышает 20 мкг/л.

2. двухступенчатое II NA-катионирование.

Подготовка воды на ГРЭС и ТЭЦ производится по схеме см рисунок. В этом случае обрабатываемая вода поступает на NA-катионитовый фильтр I ступнеи, в котором происходит удаление основного количества ионов Са и Мд. Оставшиеся катионы жесткости поглощаются фильтром II ступени. В ряде случаев воду после Na-катионитного фильтра I ступени подкисляют, в результате чего при взаимодействии ионов Н+ с бикарбонатами НС03~ образуется свободная углекислота. Для её удаления из обрабатываемой воды между I и II ступенями Na-катионирования устанавливают декарбонизатор.

Устройство и принцип работы

Фильтры натрий-катионитные представляют собой вертикальный сосуд из цилиндрической обечайки с приваренными к ней эллиптическими днищами в который частично загружается катионитом или сульфоуглем.

А

вход обрабатываемой воды

Б

вход соляного раствора

В

выход обработанной воды

Г

спуск первого фильтрата

Д

спуск промывочной воды

Е

вход промывочной воды

Фильтр состоит (см рисунок) из следующих основных элементов:

Корпус с эллиптическими днищами

Верхнего распределительного устройства

Нижнего распределительного устройства

Порядок установки

Установите на заранее подготовленый фундамент фильтр вертикально на опоры и закрепите.
Cмонтируйте фронт трубопроводов обвязки, арматуру и манометры в соответсвии с проектом или сборочным чертежом. Соедините отводящие и подводящие вентили 5,6,7,8,9,10 и вентили 11,12 трубопроводами по проекту и закройте их.
Заполните фильтр водой, для чего откройте вентиль 11 полностью, затем плавно открывая вентиль 8, заливайте водой до ее выхода через вентиль 11.
Закройте вентиль 11 после заполнения фильтра водой.

Откройте поочередно вентиль 12 и краники 14, спустите оставшийся воздух.

Закройте вентиль 12 и краники 14 при вытекании из них воды потом закройте вентиль 8.

Произведите гидроиспытание фильтра пробным давлением 0,9 МПа (9 кгс/см2).

Устраните дефекты возникшее при монтаже, выявленные при гидроиспытании.

Подготовка к работе

Слейте воду из натрий-катионитного фильтра, для чего откройте вентиль 11, затем вентиль 9 (см.рис.) до полного вытекания воды.
Закройте вентили 9 и 11.
Снимите заглушку штуцера 4 и крышку люка 20 и проверьте надежность крепления и исправность колпачков 15.

Примечание: Допускается в целях сохранения целостности дренажных колпачков поставлять их в отдельном деревянной ящике.
На монтаже необходимо установить колпачки на ложное дно. Монтаж колпачков произвести через указанные штуцер и люк, головку втулки
колпачка держать через отверстие в приварите нижнего днища.

Поставьте и закрепите заглушку штуцера 4 и крышку люка 20.
Отверните гайку и снимите крышку люка 19.
Загрузите в натрий-катионитный фильтр через люк 19
Примечание: при гидрозагрузке катионита открыть вентиль 9 для удаления излишка воды.
Поставьте крышку люка 19 и заверните гайку.
Произведите отмывку катионита (см.п.п.10.7. – 10.13).

Порядок работы фильтра

Работа натрий-катионитного фильтра заключается в периодическом осуществлении четырех операций:
а). умягчение;
б). взрыхление;
в). регенерация;
г). отмывка.
Перед включением в работу натрий-катионитного фильтра, находившегося в резерве после регенерации, предварительно произведите его отмывку (см.п.п. 10.17 – 10.25).
Включите натрий-катионитный фильтр на умягчение, для чего откройте вентили 5 и 8 (см.рисунок), причем вентиль 5 открывается полностью, а производительность фильтра регулируется вентилем 8.
Скорость фильтрования воды через катионит может колебаться в больших пределах без ухудшения качества умягченной воды, однако, в целях использования рабочей емкости поглощения катионита, скорость фильтрования не увеличивайте более 20-25 м/час.
Отбирайте периодически во время работы натрий-катионитного фильтра пробу умягченной воды для контроля величины остаточной жесткости в ней.
Выключите натрий-катионитный фильтр на регенерацию после достижения остаточной жесткости в умягченной воде 54 мкг.экв./л (0,15°), для чего закройте вентили 8 и 5. 10.7.
Произведите взрыхление катионита отмывочной водой от предыдущей регенерации самотеком из расположенного выше бака или с помощью специального насоса из бака, расположенного внизу. Допускается производить взрыхление катионита сырой осветленной водой, подводимой к фильтру непосредственно от напорной магистрали.
Откройте для взрыхления катионита вначале полностью вентиль 7, а затем, во избежание неравномерного тока промывной воды, откройте плавно вентиль 10.
Откройте полностью вентиль 10 при наличии ограничителей интенсивности взрыхления (шайбовых или поплавковых), а при отсутствии ограничителей до получения нужного расхода воды по измерительному прибору. Интенсивность взрыхления может колебаться в пределах 2-5 л/сек.м2 в зависимости от природы катионита, крупности его частиц и температуры промывочной воды.
Нормальная длительность взрыхления составляет 15 минут и контролируется по осветленности промывочной воды, отбираемой через вентиль II.
Контролируйте вытекающую при взрыхлении из фильтра воду в отношении содержания рабочих зерен катионита.
Присутствие в отбираемых пробах мути, мелких, медленно оседающих на дно сосуде зернышек катионита является допустимым и даже желательным, так как это свидетельствует о вымывании из фильтра вредной мелочи. Только при появлении в пробе воды быстро оседающих рабочих зерен катионита, интенсивность взрыхления должна быть немедленно снижена путем прикрытия вентиля 10, затем через две минуты вновь повышена до появления мелочи в промывочной воде.
Закройте вентиль 10 и затем вентиль 7 после окончания взрыхления.
Произведите регенерацию катионита путем подачи в фильтр раствора поваренной соли, при этом откройте вентили на предварительно подготовленном к подаче регенерационного раствора солерастворителе или на солепроводе при организации мокрого хранения соли, затем полностью откройте вентиль 6 на подводе регенерационного раствора у натрий-катионитного фильтра и вентиль 9, которым установите надлежащую скорость подачи раствора соли порядка 4-5 м/час, при этом подача регенерационного раствора в фильтр обычно продолжается 15-25 минут.
Во избежание разряжения в нижней части фильтра и вызываемого вследствие этого подсоса воздуха в толщу катионита, а также для предотвращения спуска водяной подушки и оголения катионита необходимо при проведении регенерации следить по вытеканию воды из вентиля 11, чтобы в фильтре все время был подпор воды.
В случае прекращения вытекания воды через вентиль 11 необходимо несколько убавить скорость пропускания раствора соли путём прикрытия вентиля 9 до появления воды из вентиля 11.
Произведите отмывку фильтра после окончания подачи регенерационного раствора, для чего откройте полностью вентиль 5 и закройте вентиль 6 на солепроводе у фильтра, затем откройте вентиль 9 так, чтобы скорость фильтрования воды при спуске отработанного регенерационного раствора в дренаж составляла 4-5 м/час.
Произведите спуск отработанного регенерационного раствора в дренаж до того момента, когда периодически отбираемые пробы отмывной воды через вентиль 12 перестают давать заметное помутнение при прибавлении 5% раствора соды (двууглекислого натрия), после чего закройте вентиль 9 и откройте вентиль 7 для подачи воды в бак отработанного регенерационного раствора.
Скорость фильтрования при отмывке в бак может быть увеличена до 6-8 м/час и регулируется вентилем 7.
Прекратите отмывку, когда концентрация хлоридов превысит их содержание в исходной воде не более чем на 30-50 мг/л хлора. 10.21. Если указанные условия не будут достигнуты при наполнении бака отработанного регенерационного раствора, то отмывку продолжайте со сливом воды в канализацию через переливную трубу бака.
Отмывка фильтра продолжается 40-60 мин.
В случае необходимости быстрого регенерирования фильтра, скорость фильтрования воды как при отмывке в дренаж, так и при отмывке в бак может быть доведена до 10-12 м/час.
К этому следует прибегать в исключительных случаях, так как при высоких скоростях фильтрования увеличивается расход отмывной воды и создаются менее благоприятные условия для регенерации фильтра.
Закройте по окончании отмывки вентиль 7, а вентиль 8 откройте и фильтр включите в работу по умягчению воды.
Если же после регенерации фильтр не вводится в работу, а ставится в резерв, то целесообразно отмывку прекратить тотчас же после заполнения бака и закончить её лишь перед включением фильтра в работу.

Техническое обслуживание

Через люк 19 производится проверка состояния поверхности катионита (наличие ям, трещин, уплотнений, корок и т.п.) до и после взрыхления.
При наличии снимается слой шлака с поверхности катионита и досыпается свежий катионит до необходимой высоты.
Периодически один раз в год внутренняя поверхность натрий-катионитного фильтра очищается от грязи и коррозии, производится ревизия дренажного устройства и арматуры, при этом катионит выгружается через штуцер 4 или люк 20.
После очистки и ревизии натрий-катионитный фильтр вновь загружается катионитом или сульфоуглем(см. Подготовка к работе).Перед загрузкой катионит или сульфоуголь просеивается и очищается от загрязнений.

 

Меры безопасности

Вскрытие люков разрешается производить только при полном отсутствии давления в фильтре.
Необходимо следить, чтобы перед вскрытием люков и загрузкой катионита вентили были закрыты.
Перед закрытием люков необходимо убедиться в отсутствии внутри посторонних предметов.

Производство фильтра

Цены на поставляемую продукцию смотрите здесь

Натрий-катионирование

Этот процесс применяется для умягчения воды и имеет самостоятельное значение при подготовке добавочной воды для котлов низкого давления и подпиточной воды для тепловых сетей, если исходная вода имеет малую щелочность.

Обработка воды путем натрий-катионирования заключается в фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы натрия. При этом катионит поглощает из воды ионы Са2+ и Mg2+, обусловливающие ее жесткость, а в воду переходит из катионита эквивалентное количество ионов Na+. Протекающие реакции могут быть записаны следующим образом:

2NaR + Ca(HCO3)2CaR2 + 2NaHCO3;

2NaR + Mg(HCО3)2MgR2 + 2 NaHCO3;

2NaR + CaCl2 CaR2 + 2NaCl;

2NaR + MgSO4 MgR2 + Na2SO4,

где СаR2, MgR2, NaR – солевые формы катионита;

R – комплекс матрицы и функциональной группы без обменного

иона; его принято считать одновалентным.

При Na – катионировании:

– жесткость воды снижается,

– анионный состав не изменяется,

– щелочность остается постоянной.

– Суммарная концентрация катионов, участвующих в этом процессе, также остается постоянной. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько увеличивается, поскольку эквивалентная масса двух ионов натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния, поэтому солесодержание воды несколько возрастает.

Недостаток процесса: карбонатная жесткость в процессе ионного обмена переходит в бикарбонат натрия и обусловливает высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в котле NaHCO3 превращается в соду и едкий натр. К достоинствам относятся простота метода и дешевизна реагентов.

Регенерация истощенного Na – катионита достигается фильтрованием через него раствора поваренной соли NaCl концентрацией 6-10%. Протекающие реакции можно записать в следующей форме:

СаR2 + 2NaCl 2NaR + CaCl2;

MgR2 + 2NaCl  2NaR + MgCl2.

Поваренная соль применяется для регенерации вследствие ее доступности. Получающиеся при этом хлориды кальция и магния хорошо растворимы и легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой.

Процесс умягчения воды удобно представить графически:

Линия ГД (Жо)соответствует величине исходной жесткости воды. Процесс умягчения, начавшись в момент контакта воды со слоем катионита, заканчивается на некоторой глубине в плоскости аобо. Слой, в котором начинается и заканчивается умягчение воды, наз. работающим слоем или зоной умягчения.

В процессе работы верхние слои зоны умягчения истощаются. На смену им вступают в работу свежие слои катионита, расположение ниже. Таким образом, зона умягчения постепенно опускается вниз. В слое катионита постепенно образуется три зоны: истощенного катионита, умягчения, свежего катионита. При включении фильтра в работу жесткость воды будет минимальной (точка А). Величина ее остается постоянной до момента совмещения нижних границ зоны умягчения а2б2 и слоя катионита а3б3. В момент совмещения границ (точка Б графика) появляется проскок катионов жесткости, поэтому в фильтрате жесткость начинает увеличиваться, пока в точке Д не станет равной жесткости исходной воды. Это означает полное истощение катионита. Для целей умягчения фильтр выводится из работы и останавливается на регенерацию в момент начала проскока жесткости в точке Б.

Площадь АБВГ наз. рабочей обменной емкостью фильтра.

Площадь БВД – остаточная обменная емкость или неиспользованная обменная емкость. Она минимальна в том случае, когда плоскости а1б1 и а2б2 горизонтальны. В действительности зона умягчения ограничивается искривленными поверхностями, при которых проскок катионов жесткости начинается раньше вследствие гидравлического перекоса. На графике этому моменту соответствует точка Б’. В результате величина использованной емкости поглощения будет меньше (площадь А Б’ В’ Г), а неиспользованная емкость больше.

При проведении процессов умягчения и регенерации следует учитывать действие так называемых противоионов. Противоион – это тот, который вытесняется из ионита, то есть в умягчаемой воде ион Na+, а в регенерационном растворе – ионы Са2+, Mg2+. Повышение концентрации в фильтрате иона, содержащегося в катионите (продукта реакции), согласно закону действующих масс, тормозит реакции умягчения воды или регенерации катионита. Поэтому чем выше минерализация исходной воды, тем больше концентрация ионов натрия в умягченной воде и, следовательно, выше противоионный эффект, что приводит к увеличению остаточной жесткости фильтрата. Концентрация противоиона определяется не только начальным содержанием иона Na+ в исходной воде, но и тем количеством Na+, которое будет вытеснено из катионита в процессе обмена на ионы жесткости. Этот эффект необходимо учитывать при высокой жесткости исходной воды 20…30 мг-экв/кг.

Аналогичное действие оказывают противоионы в регенерационном растворе. При пропускании через фильтр раствора NaCl в нем возрастает концентрация вытесняемых из катионита катионов Ca2+ и Mg2+ и он обедняется ионами Na+. Увеличение концентрации противоионов (Ca2+ и Mg2+) в регенерационном растворе подавляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена, то есть тормозит регенерацию ионита. В результате, по мере продвижения регенерационного раствора в нижние слои, некоторое количество катионов Ca2+ и Mg2+ остается невытесненным, поэтому регенерация катионита протекает менее полно.

Меры борьбы с противоионным эффектом при регенерации:

1. Увеличить расход соли, что сильно ухудшает экономичность процесса.

2. Противоточное катионирование (фильтрование производится снизу вверх, а регенерация – сверху вниз), при котором устраняется неблагоприятное расположение в слое ионов, так как умягченная вода перед выходом из фильтра будет соприкасаться с наиболее хорошо отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Метод противоточного катионирования позволяет значительно снизить расход реагентов на регенерацию катионита, приближаясь к стехиометрическим соотношениям.

3. Применение двухступенчатого катионирования. В этом случае в фильтрах первой ступени вода умягчается до остаточной жесткости 0,05…0,2 мг-экв/кг, а во второй ступени  до 0,03…0,01 мг-экв/кг. Наличие фильтров второй ступени создает своего рода барьер, препятствующий “проскоку” удаляемых катионов при случайных отклонениях в работе фильтров первой ступени (несвоевременное отключение на регенерацию, нарушение гидравлического режима, приводящее к гидравлическому перекосу и увеличенному проскоку удаляемых катионов в фильтрат). При наличии барьерных фильтров второй ступени упрощается эксплуатация установки, так как фильтры первой ступени могут отключаться на регенерацию не по проскоку ионов Са2+ и Мg2+, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а по количеству воды, пропущенной через них. Небольшое повышение жесткости воды после первой ступени будет снято фильтрами второй ступени.

Эффект от применения двухступенчатого и противоточного Na-ка-тионирования в отношении уменьшения удельного расхода соли на регенерацию и снижения остаточной жесткости фильтрата практически одинаков. В зависимости от качества исходной воды и схемы ее обработки можно применять то или другое или оба эти мероприятия.

катионит – Энциклопедия по машиностроению XXL

Поведение ионов натрия в процессе ЫН4-катионирования воды аналогично поведению их при Н-катионировании. Сначала НН4-катионит поглощает наряду с ионами Са + и Mg + все ионы На+, затем появляется проскок На+, происходит вытеснение ранее поглощенных катионов натрия катионами a и и, наконец, появляется  [c.234]

Водород Нг — газ без цвета, запаха и вкуса, самый легкий легче воздуха в 14,4 раза и почти в 16 раз легче кислорода. В природе в свободном состоянии, бывает в небольшом количестве, изредка выходит из буровых скважин при добыче нефти и газа. Водород широко встречается в природе в различных соединениях в составе воды (11% по весу), в животных и растительных организмах и во многих минералах. Водород содержится в натрий-катионите и содействует очищению воды, пропускаемой через этот фильтр, от магния и,кальция.  [c.39]


Образующиеся при разложении бикарбоната аммония аммиак и углекислота уносятся паром, а в котловой воде должны оставаться соляная и серная кислоты. Во избежание коррозии под действием кислот применение аммоний-катионирования в энергетической практике всегда сочетается с натрий-катиони-рованием. В процессе натрий-катионирования карбонатная жесткость превращается в бикарбонат натрия, который в котле разлагается с образованием соды и едкого натра  [c.525]

В случае ионных кристаллов, таких, как обычная поваренная соль, в кристаллической решетке при растворении заряды не накапливаются, так как благодаря гидратации в раствор переходят как ионы натрия, так и ионы хлора. Кроме того, происходит диссоциация молекулы хлористого натрия на положительно заряженный ион натрия (катион) и отрицательно заряженный ион хлора (анион).  [c.11]

Всего было проведено девять опытов. В семи опытах проводилась добавка в питательную воду химически очищенной воды из реки Невы, обработанной в механических фильтрах с последующим натрий-катиони-рованием.  [c.158]

Из приведенных реакций следует, что вода после фильтрования ее через натрий-катионит будет содержать вместо солей и щелочей кальция и магния, обусловливающих ее жесткость, соответствующие соли и щелочи натрия.  [c.29]

Когда рабочая обменная способность натрий-катионита в процессе фильтрования через него жесткой воды истощается, натрий-катионит подвергается регенерации путем промывки его раствором поваренной соли. Происходит замена поглощенных ранее катионитом катионов кальция, магния и железа на катионы натрия процессы, отвечающие уравнениям (2.1) — (2.3), протекают при этом в обратном направлении. Продукты регенерации (хлориды кальция, магния и железа) отмываются водой, после чего регенерированный натрий-катионит способен вновь умягчать жесткую воду. Расход поваренной соли на регенерацию 1 г-экв обменной способности натрий-катионита равен 200 г при однократном натрий-катионировании и 140 г при двукратном.  [c.30]

После продолжительной работы фильтра но мере замены в катионите (сульфоугле) катионов натрия катионами кальция и магния обмен становится слабым (катионит истощается), а затем и прекращается, т. е. катионитовый фильтр перестает умягчать воду.  [c.172]

Когда употребляется совместное водород — натрий-катиони-рование  [c.179]

Свойства применяемых в технике катионитов таковы, что в их состав могут быть введены разные обменные катионы, однако для практики водоподготовки на ТЭС важными являются только два катиона натрий (Na+) и водород (Н+). В зависимости от того, какой катион в данном катионите является обменным, различают натрий-катионит (Na-катионит, Na+R”) и водород-катионит (Н-катионит, H+R-), где символом R обозначен нерастворимый в воде сложный радикал катионита, играющий условно роль одновалентного аниона. Процессы обработки воды перечисленными катионитами соответственно называются Na-катионированием и Н-катио-нированием.  [c.264]


Схемы 1—6 обычно дополняются барьерными натрий-катионит-выми Фильтрами.  [c.303]

Рассмотрим сначала процесс регенерации истощенного катионита, т. е. процесс обратного обмена катионов, при котором кальций-катионит и магний-катионит вновь превращаются в натрий-катионит. Для этого через истощенный фильтр пропускают раствор хлористого натрия (поваренной соли), содержащий ион натрия, при этом верхние слои загруженного в фильтр катионита будут омываться регенерационным раствором, наиболее бога-198  [c.198]

Отмеченные выше недостатки натрий-катионирования воды могут быть устранены, если ионообменный материал вместо катиона натрия заряжать катионом водорода Н% для чего истощенный ионит регенерируют раствором какой-либо кислоты. Обычно для этой цели применяют как наиболее доступную и дешевую серную кислоту НаЗО , которая в водном растворе диссоциирует на два катиона водорода Н+ и сульфатный анион 50 . При пропускании такого раствора через истощенный ионит происходит катионный обмен, в результате которого кальций-катионит и магний-катионит, а также натрий-катионит превращаются в водород-катионит (Н-катионит).  [c.91]

По истечении определенного промежутка времени катионы натрия замещаются катионами кальция и магния и натрий-катионитовый фильтр начинает пропускать жесткую воду. Натрий-катионит истощился и для восстановления умягчающей способности его необходимо подвергнуть регенерации.  [c.53]

Сущность процессов обработки воды в аммо-ний-натрий-катионитных фильтрах второй ступени и реакции, протекающие при восстановлении рабочей способности катионита, аналогичны процессам, происходящим в аммоний-натрий-катионит-ных фильтрах первой ступени.  [c.30]

Принцип работы. При натрий-катионировании поваренная соль, а при аммоний-натрий-катиони-ровании поваренная соль с сульфатом аммония в необходимом количестве загружаются в солерастворитель для регенерации одного фильтра. Затем в аппарат подается вода под давлением до 6 кгс/см .  [c.117]

Основным препятствием для применения комплексонов при очистках конденсаторов является высокая стоимость очистки в сравнении с солянокислотной промывкой. Поэтому целесообразны поиски возможности повторного использования реагента. Один из способов та кого регенерирования комплексона заключается в под-кислении соляной кислотой использованного промывочного раствора до pH = 3- 4. В растворе при этом оказываются двузамещенная натриевая соль ЭДТА, одноза-мещенная натриевая соль ЭДТА и хлористый кальций. При пропускании такого раствора через натрий-катиони-товый фильтр ПОНЫ кальция поглощаются им и получается раствор трех- и четырехзамещенных натриевых солей ЭДТА, готовый к повторному использованию для отмывки. Такой способ удешевляет очистку, но усложняет ее. Поэтому использование его целесообразно лишь временно — до снижения стоимости комплексона.  [c.157]

Следовательно, аммоний-катионироваяная вода является потенциально кислой и, как и водород- катионированная, не пригодна для питания котлов. Поэтому аммоний-ка-тио нирование применяется совместно с натрий-катиони-116  [c.116]

Рис. 11-7. Схемы водород-натрий-катионит-ных установок. а — параллельное Н-Ка-катионироваиие б — последовательное Н-Ка-катионирование.,
Технологическое отличие этой схемы от предыдущей состоит в следующем при фильтровании воды через слой катионита концентрация противоиона, как известно, нарастает (В направлении сверху вниз. Бели обрабатываются минерализованные воды, то концентрация противои-онов в нижней части слоя будет значительной, что препятствует глубокому умягчению воды. Поэтому умягчение минерализованных вод в схеме параллельного водород-натрий-катионирования приводит к высокой остаточной жесткости. В последовательной же схеме окончательное умягчение происходит в натрий-катионит-ных фильтрах, в которых концентрация противоионов меньше, чем в исходной воде на величину —  [c.270]

Как правило же, природные воды с повышенной щелочностью (>2 мг-экв1л) в процессе обработки подвергаются не только натрий-катиони-рованию, но и снижению щелочности по методу известкования, Н-катионирования или подкисления. Последний метод — подкисление или, точнее, нейтрализация щелочных соединений воды серной кислотой — применяется редко, главным образом в случаях исходной щелочности воды, близкой к 2 мг-экв л, поскольку этот метод хотя и дешев по капитальным затратам, однако дорог и неудобен в эксплуатационном отношении (требует повышенного расхода реагентов, увеличивает солесодержание воды, продувку котлов и нобходимую производительность водоподготовительной установки).  [c.405]


Совместное Н—Nа-ттионирование (рис. 20.15, в) осуществляют в одном фильтре, верхним слоем загрузки которого является Н-катионит, а нижним — натрий-катионит. Катионит реге-  [c.519]

В котельных установках обычно требуется глубокое умягчение воды, для чего применяют две ступени натрий-катионирова-ния воды, в случае Na— l-ионирования после натрий-катионит-ных фильтров первой ступени ставятся фильтры второй ступени, где натрий-катионирование совмещается с хлор-ионировани ем, при этом в низ фильтра загружается катионит, а сверху помещается анионит типа АВ-17. В процессе регенерации фильтра второй ступени раствором поваренной соли ионы натрия — регенерируют катионит, а ионы хлора — анионит.  [c.523]

Таким образом, чем меньше концентрация ионов натрия, переходящих в раствор (противоионов), тем полнее сорбируется кальций катионитом, т. е. полнее извлечение кальция из разбавленных растворов. Справедливо также и обратное положение, т. е. в концентрированных растворах натрия катионит переходит в Na-форму. Становится понятным, почему Ыа-катионит легко удаляет из исходной воды соли жесткости, концентрация которых невелика, тогда как при регенерации, т. е. замене ионов натрия в ионообменном материале, необходимо применять концентрированные растворы (например, раствор поваренной соли).  [c.90]

Баки натрий-катиони-рованной воды  [c.9]

Сущность умягчения воды посредством натрий-катионирования заключается в замене ионов кальция и магния, остающихся в воде после первой фазы обработки, на катионы натрия. Натрий-катионирование воды осуществляется путем фильтрования ее через зернистый материал (натрий-катионит НаКа1), имеющий в своем составе подвижные катионы натрия способные замещаться ка тионами кальция Са и магния а также железа Ре + и Ре ,  [c.28]

Пусть при взаимодействии раствора щелочного силиката с модулем 1.5 шлаковое стекло разрушается наполовину, тогда из 100 г шлака переходит в алюмосиликаты 4 г АХдОд (содержание А12О3 в шлаке примем 8%) или приблизительно 0.04 моля АХаОд. Если с каждым из атомов А1 связан способный к обмену атом Ка, тогда количество натрий-катиона равно примерно 0.08 г-атома, что эквивалентно 0.04 г-атома N1.  [c.103]

При дальнейшем фильтровании начинается вытеснение из катионита ранее поглощенных катионов натрия катионами кальция и магния, этот процесс сопровождается дальнейшим снижением кислотности фильтрата. Процесс Н-катионирования переходит в Н—Ма-ка-тионирование. В этот период концентрация натрия в фильтрате выше концентрации его в исходной воде.  [c.64]

Двойной электрический слой 214 Двухступенчатое натрий катионя-рование 275 Декарбонизация 192 Деполяризация водородная 46  [c.408]

После продолжительной работы фильтра по мере замены в катионите (сульфоугле) катионов натрия катионами кальция и магния обмен становится слабым (катионит истощается), а затем и прекращается, т. е. катионитный фильтр перестает умягчать воду. Для восстановления (регенерации) свойств катионита через фильтр периодически пропускают 8—10%-ный раствор поваренной соли МаС1. Ионы натрия, содержащиеся в этом растворе, вытесняют из катионита поглощенные им ранее ионы кальция и магния. Последние в растворенном виде удаляются, а обменная способность фильтра восстанавливается.  [c.216]

Необходимые данные о конструктивных размерах выпускаемых натрий-катион,итовых фильтров можно найти в справочниках [Л. 13, 31, 33], где, кроме диаметра, указаны высота и объем катионита.  [c.383]

Ниже описывается применение на Невинномысском химическом комбинате магнитной обработки воды при очистке по схеме хлорирование-введение извести и коагулянта (Ре504-7Н20)—осветление — фильтрование — натрий-катионит-ное умягчение. Исходная вода  [c.132]

Для поверхностных вод рекомендуется применение схем осветление — натрий-катионирование коагуляция — осветление — натрий-катионирование осветление — аммоний-натрий-катионирование коагуляция — аммоний-натрий-катионн-рование осветление — натрий-катионирование с обработкой воды нитратами.  [c.116]

Когда рабочая обменная способность патрий-катионита в процессе фильтрования через него жесткой воды истощается, натрий-катионит подвергается регенерации вытеснением из него ранее поглощенных ионов кальция и магния концентрированным раствором поваренной соли (ЫаС1). В процессе регенерации происходят следуюпше реакции  [c.29]

Фильтры останавливаются на регенерацию при натрий-катионировании (аммоний-натрий-катиони-ровании), когда жесткость умягченной воды достигает 0,05 мг-экб1л после первой ступени и 0,01 мг-экв/л (или по заданной продолжительности работы) после второй ступени. При водород-катио-нировании фильтры первой ступени отключаются на регенерацию по разным показателям качества фильтрата — по проскоку жесткости или иона натрия, снижению кислотности фильтры второй ступени—по кислотности, до проскока иона натрия или по заданному количеству пропущенной воды, определяемому опытным путем.  [c.37]

При надлежащей эксплуатации водоподготовительных установок качество обработанной воды должно быть следующим жесткость —не более 0,01 мг-экв/л щелочность при работе установки по схеме натрий-катионирования будет равна карбонатной щелочности исходной воды, при работе установки по схеме аммоний-натрий-катиониро-вания она не будет превышать 1 мг-экв/л, сухой остаток при натрий-катионировании не должен превышать 50 мг/л, при аммоний-натрий-катиони-ровании не должен превышать 450 мг/л. Водоподготовительные установки рассчитаны на двухсмен-иую работу и поэтому имеют в своем составе один осветлительный фильтр и по одному натрий-катио-нитпому фильтру первой и второй ступеней. Регенерация натрий-катионитных фильтров и промывка осветлительного фильтра проводятся в тре ьей смене. Водоподготовитсльные установки выпускаются в виде блоков производительностью 5 и 10 т/ч.  [c.137]

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) часто является причиной разрушения подземных газопроводов [12—18]. В катодно защищенных трубопроводах КНР начинается на внешней поверхности трубы, чаще всего в местах нарушения покрытий. Вблизи от участка разрушения под нарушенным покрытием обнаруживают раствор карбоната/бикарбоната натрия, а иногда и кристаллы NaH Og. Предполагают, что эта среда наиболее благоприятна для КРН. В большинстве конструкций, где применяется катодная защита стали от общей коррозии, сталь поляризуют до потенциала —0,85 В по отношению к Си/Си504-электроду, что соответствует значению —0,53 В по н. в. э. Катодная защита подземных трубопроводов может приводить к накоплению на поверхности трубы щелочных продуктов, например гидроксида натрия, а также растворов карбоната/бикарбоната натрия [19, 20]. Ионы водорода, катионы Na+ и вода, содержащая растворенный кислород, мигрируют к катодным участкам трубы через поры  [c.186]



Ионообменные смолы и их свойства – Журнал АКВА-ТЕРМ

Опубликовано: 09 апреля 2012 г.

1337

Большой класс фильтрующих материалов образуют ионообменные материалы (иониты), которые применяются для умягчения, деминерализации, обескремнивания воды, выделения из водных растворов отдельных веществ и т. п.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Иониты – это твердые, практически нерастворимые из-за очень большой молекулярной массы полиэлектролиты, природные, искусственные или синтетические. Иониты состоят из каркаса (матрицы), несущего положительный или отрицательный заряд, и подвижных противоионов, которые компенсируют своими зарядами заряд каркаса и стехиометрически (то есть соответственно своим количествам и зарядам) обмениваются на противоионы электролита (в данном случае – водный раствор).
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты. Центры обмена катионитов заряжены отрицательно – они задерживают катионы. Центры анионитов заряжены положительно и присоединяют анионы.
По химической природе каркаса иониты разделяются на неорганические, органические и минерально-органические.
Синтетические иониты на органической основе – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат ионогенные группы, способные к диссоциации и обмену подвижных ионов на ионы других соединений, содержащихся в водном растворе.
Макромолекула такого ионита состоит из гибких полимерных углеводородных цепей, скрепленных («сшитых») поперечными связями – углеводородными «мостиками». Макромолекула представляет собою трехмерную углеводородную сетку, в отдельных узлах которой зафиксированы заряженные функциональные группы с нейтрализующими их ионами с зарядами противоположного знака – эти ионы называются противоионами.
Свойства ионитов определяются характером функциональных групп, в качестве которых часто выступают (в катионитах) такие группы: -SO32-; -COO; -PO32-; AsO32-.
Здесь не рассматриваются иониты, в матрицу которых включены функциональные группы, обладающие комплексообразующими (комплекситы) или окислительно- восстановительными (редокситы) свойствами.
Ионообменные смолы синтезируют в виде мелких зерен (гранул) разных размеров и форм на основе реакций поликонденсации или полимеризации. Поликонденсация – процесс получения полимеров из мономеров, сопровождающийся выделением продуктов реакции – низкомолекулярных веществ, то есть состав полученного высокомолекулярного продукта отличается от состава исходных продуктов. Если в процессе поликонденсации принимают участие два или более различных исходных веществ, то процесс называется сополиконденсацией. Синтез поликонденсационных смол не поддается регулированию. Кроме того, их недостаток – низкая химическая и термическая стойкость.
Полимеризация – процесс синтеза полимеров, при котором макромолекула образуется путем последовательного присоединения мономеров к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи, при этом низкомолекулярные продукты не выделяются. Если участвующих в процессе мономеров два и более, то такой процесс называют сополимеризацией. Для водоподготовки матрицу ионита чаще всего получают сополимеризацией полистирола или полиакрилата с дивинилбензолом (ДВБ), где ДВБ играет роль «сшивающего» агента (4–16 % массы ионита). В полученный сополимер вводят функциональные группы, катион которых подвижен и способен вступать в обменные реакции. Для получения катионитов применяются полиакриловые иониты с карбоксильными группами СООН(слабокислотные катиониты) и полистирольные иониты с сульфогруппами SO3H (сильнокислотные катиониты).
Сферическая форма гранул предпочтительна, так как в этом случае обеспечивается наименьшее сопротивление слоя ионита потоку обрабатываемой в фильтре жидкости, уменьшаются потери ионита и облегчается возможность осуществления противоточных процессов в фильтре. Гранулы, полученные полимеризацией, – почти идеальные шарики, а у поликонденсационных смол – неправильной формы. Размеры гранул могут быть от десятка микрометров до 1–2 мм.

Структура синтетических ионитов
По структуре полимерного каркаса иониты делятся на две группы: гелевые (непористые) и макропористые. Гелевые проявляют ионообменные свойства только в набухшем состоянии. Обычно при набухании такие иониты увеличивают свой объем в 1,5–3 раза. При малой набухаемости, зависящей от количества содержащихся мостиков («сшивок»), иониты не проявляют ионообменные свойства по отношению к ионам больших размеров.
При особых условиях синтеза гелевых ионитов получают изопористые иониты (равномерное распределение «мостиков» по всей массе ионита) или иониты с повышенной проницаемостью (сильно набухающие иониты).
При набухании гелевого ионита его гранула как бы раскрывает скрытые в сухом ионите поры. Но применительно к гелевому иониту о порах можно говорить лишь условно, так как его трехмерная молекулярная сетка с нитями толщиной в одну молекулу не имеет пор со сплошными стенками, как у каналов.
Сетка обычного гелевого ионита неоднородна, причем она значительно более неоднородна у поликонденсационных ионитов. Неоднородность сетки – недостаток, выявляющийся при сорбции (поглощении) ионитами больших, особенно высокомолекулярных органических, ионов и соединений. Они «запутываются» в более мелких ячейках («порах») сетки и загораживают проходы в более крупные ячейки, препятствуя сорбции других, даже более мелких, ионов и молекул. Десорбция крупных ионов из ионита затруднена. Это как раз тот случай, когда говорят об «отравлении» ионита, особенно анионита, органическими примесями воды («органикой»).
У гелевых ионитов удельная площадь поверхности пор – не более 5 м2 в 1 г ионита, а размер ячеек (условно – пор) – 0,5–2,0 нм.
В последние годы больше производят макропористые иониты. Они мало набухают, но вследствие изначально развитой поверхности пор очень активны в сорбционных и обменных реакциях.
Удельная площадь поверхности пор макропористых ионитов – 20–130 м2 в 1 г ионита. Диаметр пор в среднем – 20–100 нм. Макропористые иониты отличаются также повышенной жесткостью и прочностью.
Ионообмен в макропористых ионитах проходит быстрее, чем в гелевых: путь в порах, который должен пройти ион до встречи с активной группой матрицы, равен примерно: в макропористых ионах – до 100 мкм, в гелевых – до 500 мкм.
У гелевых ионитов поры – естественного происхождения. У макропористых – образованы введенными при синтезе ионитов спиртами, гептаном, жирными кислотами, которые затем удаляются.

Сравнение разных видов и типов ионитов
Полиакриловые иониты сочетают некоторые преимущества полистирольных ионитов типов I и II: хорошая обменная емкость, хорошее задержание соединений кремния, хорошая отмывка от органических веществ, достаточная механическая прочность, приемлемая эффективность регенерации, но несколько меньшая допустимая температура потоков воды и раствора регенеранта.
Сравнение разных видов и типов ионитов показывает:
– макропористые иониты более прочны, чем гелевые;
– гелевые аниониты хуже гелевых катионитов;
– полистирольные иониты слабее акриловых;
– увеличение количества «сшивающих» агентов (ДВБ у гелевых > 8 %, у макропористых > 15 %) ионитов, имеющих трещины, вызывает раскалывание гранул на мелкие осколки.
Рабочий диапазон рН воды, допустимый для катионитов:
– слабокислотные катиониты > 5;
– сильнокислотные катиониты 0 (1)–14.

Свойства ионитов. Гранулометрический состав
Процесс ионного обмена приближенно можно представить в виде таких составляющих:
– диффузия ионов раствора к поверхности гранулы ионита;
– диффузия ионов внутри гранулы;
– протекание реакции ионного обмена;
– диффузия вытесняемого из гранулы противоиона изнутри к поверхности гранулы;
– диффузия противоиона от поверхности гранулы ионита в объем раствора.
Скорость реакции ионного обмена очень велика, реакция протекает довольно быстрее. Скорость всего ионообменного процесса контролируется, прежде всего, диффузией ионов через пленку раствора, окружающего зерно ионита, и диффузией ионов внутри зерна, а это время измеряется минутами.
В реальности при уменьшении размера зерна-гранулы ионита (в пределе – до порошкообразного состояния – размер частиц 0,04–0,07 мм) возрастает до неприемлемых значений гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя. Например: в фильтрах намывного типа высоту слоя вынуждены предусматривать в пределах 3–10 мм. То есть, до значений высоты, при которых можно извлечь лишь следы загрязнений.
При большой площади поперечного сечения фильтруемого потока не удается обеспечить равномерное распределение потока по всей площади, и часть ионита используется недостаточно: часть потоков воды и регенерационного раствора протекает около стенок фильтра и/или через «воронки» – разреженные зоны слоя катионита.
Улучшению гидродинамики катионитного фильтра способствует увеличение сопротивления дренажного устройства на выходе воды из фильтра.
Пример: слой кварцевого песка (гравия) под слоем катионита толщиной 150–200 мм в прямоточных фильтрах или слой инертного материала (полиэтиленовые гранулы) над слоем катионита в противоточных фильтрах.
Для поддержания количества регенераций фильтра в разумных пределах (обычно – не более трех в сутки) и создания необходимого гидравлического сопротивления слоя ионита высота слоя в фильтре принимается не менее 0,8 м.
Уменьшение площади фильтрования вынуждает – для сохранения необходимого объема ионита – увеличивать высоту фильтрующего слоя, то есть опять увеличивать гидравлическое сопротивление фильтра.
В современных промышленных натрий-катионитных фильтрах высота слоя катионита в пределах: 1,0–2,8 м; диаметр фильтров: 0,42–3,40 м.
Таким образом, определился технологически и экономически оптимальный гранулометрический состав ионитов:
– 0,3–1,3 мм – гранулы полимеризационных ионитов со средним размером 0,5–0,6 мм;
– 0,4–2,0 мм – гранулы поликонденсационных ионитов со средним размером 0,7–0,8 мм.
Существенное значение имеет как можно большая однородность гранул, особенно в технологии ионирования с противоположными по направлению потоками обрабатываемой воды и регенерирующего раствора.
Теперь часть ионитов производится моносферными, то есть основное (не менее 96,5 %) количество гранул (фракция: 0,50–0,63 мм) имеет отклонения от диаметра не более ±0,05 мм.
Гранулометрический состав ионитов, подобно другим зернистым фильтрующим материалам, характеризуется следующими параметрами.
Эффективный диаметр зерен dэфф = d10, мм, равен калибру сита, через которое проходит 10 % зерен ионита при его исследовании.
Эквивалентный диаметр зерен (dэкв), мм, определяют по формуле
              dэкв = 100 / (∑Pi/di) ,               (1)
где Pi – количество зерен определенной фракции, оставшихся на сите калибром di, % общего количества;
di – калибр сита, то есть размер отверстия в сите, мм.
Средний размер зерен (dср), мм, – это размер зерен более крупных, чем 50 % всех зерен ионита.
Коэффициент неоднородности
              К = d80 / d10 ,                       (2)
где d80, d10 – диаметр зерен, мм, соответствующий калибру сита, через которое просеивается, соответственно, 80 и 10 % ионита.
Упомянутые показатели, используемые для характеристики гранулометрического состава ионитов, связаны формулой
              dср ≈ 0,9•К•d10                      (3)
Здесь под зерном понимается и гранула гранульного ионита, и зерно дробленого ионита.
При гранулометрическом анализе зернистых ионитов производят рассев 200 г ионита на наборе предварительно калиброванных сит с отверстиями, размеры которых могут отличаться у разных производителей ионитов. Чаще всего применяется набор: 0,25; 0,5; 0,6; 0,75; 1,0; 1,25; 1,50; 1,75; 2,0 мм.
Гранулометрический состав моносферных ионитов определяется не традиционным рассевом, описанным выше, а по специальной технологии, позволяющей сразу получить гранулы необходимого размера (не менее 96,5–99,5 % от общего количества).

Насыпная масса и насыпной объём
Насыпная масса гранул катионитов равна 0,65–0,88 т/м3 (г/см3).
Насыпной объем – величина, обратная насыпной массе, м3/т (см3/г). Различают значения насыпной массы в сухом (воздушно-сухом) и влажном состояниях.
Полное высушивание ионита разрушает его химическую природу, поэтому характеристики ионита определяют для ионита в воздушно-сухом состоянии, то есть при высушивании на воздухе, когда в зернах остается 5–10 % (массовых) воды.
Насыпная масса во влажном состоянии – это масса воздушно-сухого ионита в единице объема влажного (набухшего) ионита.
Знание значения насыпной массы ионита в воздушно-сухом состоянии необходимо для определения размеров склада хранения ионитов.
Значение насыпной массы набухшего ионита определяет размеры и количество ионитных фильтров.
Влажность (в процентах массы ионита) имеет значение при расчетах за приобретаемый ионит, так как цена ионита устанавливается с учетом определенной нормируемой влажности. Катиониты (разные марки) поставляются с влажностью 42–60 %.

Плотность
Плотность ионита – показатель, определяющий гидродинамическое поведение ионита в противоточных фильтрах и в двухслойных фильтрах. Плотность катионитов находится в следующих пределах (в скобках – чаще всего), г/см3:
– 1,18–1,38 (1,28) – сильнокислотные катиониты;
– 1,13–1,20 (1,18) – слабокислотные катиониты.

Механическая прочность
Механическая прочность зерен ионитов характеризуется двумя понятиями: прочность на раздавливание и прочность на истирание.
Прочность на раздавливание в рабочих условиях фильтрования проявляется при наложении давления на зерна потоком воды. Этот показатель имеет лишь умозрительное значение, так как в реальных условиях фильтрования давление воды не превышает 0,6 МПа (пробное давление 0,9 МПа). Для сравнения: зерно не раздавливается даже при 1,0 МПа (если наступить на зерно – не будет никаких для него последствий).
Более показательна прочность ионитных зерен на истирание. Избежать соударения зерен между собой, их «потирания» о стенки фильтров во время рабочего и регенерационного фильтрования невозможно. Мерой прочности ионита на истирание служат данные об изменении фракционного состава ионитной загрузки после эксплуатации в конкретных условиях, в частности, сведения о количестве материала, прошедшего через сито с калибром (размером отверстий) 0,25 мм. Для гранулированных ионитов (гранулятов) считается хорошим показателем: истираемость – 2–3 % (лучшие сорта ионитов – 0,5 %).

Осмотическая прочность
Действие осмотических сил проявляется при изменении степени набухания ионитов, зависящей от размеров обмениваемых ионов. При увеличении степени набухания зерен их размер увеличивается, при уменьшении набухаемости – уменьшается.
Попеременное растягивание и сжатие структуры зерна сопровождается разрывами цепей матрицы в местах наибольших напряжений. Микроскопические разрывы постепенно превращаются в трещины и далее приводят к растрескиванию зерен, образованию осколков. Проверяют иониты на осмотическую прочность, подвергая зерна (гранулы) 150 циклам обработки растворами кислоты и щелочи с промежуточной отмывкой дистиллированной водой.
Иониты гелевой структуры по осмотической прочности хуже макропористых ионитов, у которых этот показатель возрастает с увеличением количества «сшивок» (уменьшается набухаемость).
Полностью предотвратить воздействие осмотических сил на зерно ионита нельзя. Но нужно избегать условий, при которых зерно особенно испытывает действие осмотических сил. Так, не следует допускать высыхания тех ионитов, которые поставляются изготовителями во влажном (набухшем) состоянии.
Воздушно-сухие иониты во избежание быстрого набухания (осмотический удар) нужно сначала замачивать не в воде, а в концентрированном (20–25 %) растворе натрий хлорида, при этом концентрация соли будет соизмерима с концентрацией функциональных групп ионита.

Химическая стойкость
Химическая стойкость ионитов оценивается по их растворимости в воде и водных растворах реагентов. В кислотных и щелочных регенерационных растворах органические иониты обладают удовлетворительной стойкостью. В связи с этим можно напомнить, что применение в водоподготовке для умягчения и деминерализации воды природных неорганических материалов, обладающих ионообменной способностью, пусть небольшой, имеет больше исторический интерес. Именно потому, что они (цеолиты, глауконит) легко разлагаются в регенерационных растворах.
Окислители – кислород, хлор, озон, перекись водорода – разрушительно действуют на иониты, причем железо и другие тяжелые металлы служат в этих окислительных процессах катализаторами. В результате окисления ослабляются связи между группами в матрице, и возникают разрывы сетки полимера ионита.
По мере уменьшения степени «сшивки» ионит становится мягче и может превратиться в гель. Оптимальная степень «сшивки» – 8 % ДВБ.

Термическая стойкость
В водных растворах термическому разрушению подвергаются полярные связи функционально активных групп. У сульфокатионитов происходит отщепление сульфогрупп:
                             Н2О; t
           R – SO3H  →  RH + h3SO4                    (4)
                              Н2О; t
           R – SO3Na  →  RH + NaHSO4                  (5)
R – условное обозначение каркаса ионита, не участвующего в ионном обмене.
Из этих уравнений следует, что если катионит в водородной форме, то под действием повышенной температуры воды в окружающую зерно среду поступает серная кислота или сульфат, например, натрия.
Если катионит карбоксильный, то происходит отщепление карбоксильных групп:
                             Н2О; t
        R – COOH  →  RH + H2CO3 (CO2 + H2O)           (6)
            Н2О; t
          R – COONa  →  RH + NaHCO3                   (7)
Для ионитов отщепление функционально активных групп, выполняющих роль фиксированных в матрице ионов, означает постепенную потерю ионообменных свойств. Поэтому в технических условиях на поставку ионитов всегда указывается верхний предел допустимой температуры.
В фильтрах с намывным порошкообразным ионитом, каждая порция которого используется однократно (не регенерируется, и срок его эксплуатации непродолжительный  – тонкий слой ионита), можно допускать повышенные температуры.
Солевые формы ионитов более стойки, чем их водородные и гидроксильные формы (разность температур начала разложения доходит до 50 оС).
Для большинства сульфокатионитов допустимые температуры (в насыпных фильтрах) – 80–90 оС, у некоторых – до 120 0С (гелевые), до 140 оС – макропористые; в намывных фильтрах: сульфокатиониты – 120–130 оС.
В реальных условиях воду обрабатывают при температуре 25 оС, если перед натрий-катионированием нет других стадий обработки воды, и при температуре 40 оС, если в качестве «предочистки» применяют осветлители с известкованием.
Экономия теплоты для подогрева исходной воды перед натрий-катионированием приводит к увеличению расхода регенеранта, увеличению необходимого объема катионита, ухудшению качества умягченной воды (если не увеличивать объем катионита), увеличению расхода электроэнергии для питания насосов.
Такие следствия понижения температуры исходной воды (температура артезианской воды 5–10 оС) связаны с тем, что скорость ионного обмена уменьшается – уменьшается рабочая обменная емкость катионита на 5–20 %; увеличивается сопротивление слоя катионита проходу воды из-за увеличения вязкости воды на 20–25 %.
Заканчивая рассмотрение свойств ионитов, хочется обратить внимание на особенности их хранения. Катионит заводской кондиции следует хранить во влажном состоянии или под слоем воды при t не ниже + 2 оС и не ближе 1 м от отопительных приборов. При высыхании катионита его выдерживают в течение 4–5 ч в 20 % растворе хлорида натрия. Замороженный катионит иногда разрушается (в зависимости от качества), но может восстановиться, если его хранить в таре изготовителя в помещении с температурой воздуха 10–20 оС в течение 2–4 суток.

 


вернуться назад

Читайте также:

Умягчение воды (ионный обмен) – Публикации

Что делает воду «жесткой»?

Так называемая «жесткая» вода – это результат прохождения грунтовых вод и растворения горных пород и минералов, которые затем выделяют ионы кальция и магния. Эти растворенные ионы придают жесткой воде ее характеристики.

Как измеряется твердость?

Жесткость воды выражается в единицах жесткости на галлон (gpg) воды или в частях на миллион (ppm) или миллиграммах на литр (мг / л).Один gpg равен 17 ppm (мг / л). Таблица 1 показывает, как классифицируется твердость. По данным NSF International, организации общественного здравоохранения и безопасности, потребители считают, что у них возникают проблемы, когда твердость превышает уровень от 6 до 7 зерен на галлон.

Проблемы, вызванные жесткой водой

Жесткая вода мешает выполнять все виды работ по очистке. Проблемы с очисткой возникают, когда чистящие средства не полностью удаляют грязь и сажу. Со временем одежда, выстиранная в жесткой воде, может выглядеть тусклой, грубой и царапающейся.Белая одежда, постоянно стираемая в жесткой воде, постепенно становится грязной.

На посуде и стеклянной посуде, вымытой в посудомоечных машинах с жесткой водой, при высыхании могут образовываться пятна. Жесткая вода оставляет пленки на стеклянных дверях душевых, стенах и ваннах. Волосы, вымытые в жесткой воде, могут казаться липкими и тусклыми. После душа в жесткой воде кожа станет шершавой и царапающейся. Это ощущение особенно заметно зимой, когда относительная влажность воздуха невысока.

Накипь возникает, когда мыло соединяется с растворенными кальцием и магнием.Мыльную пену трудно удалить с раковин, душевых, ванн и другой техники.

Использование жесткой воды может повлиять на работу бытовой техники. При нагревании карбонат кальция и карбонат магния выпадают из суспензии (выпадают в осадок) из воды и образуют минеральный осадок на дне водонагревателя. Большое скопление отложений замедляет процесс нагрева и требует больше энергии для нагрева воды. Водонагреватели с большим скоплением минеральных отложений будут иметь меньший срок службы.Накипные отложения также накапливаются для закупоривания сантехники и накапливаются в других приборах, таких как кофейники и посудомоечные машины, что влияет на их работу.

Процесс ионного обмена

Ионы кальция (Ca2 +) и магния (Mg2 +), вызывающие жесткость воды, можно довольно легко удалить с помощью процедуры ионного обмена. Стандартные водоумягчители представляют собой катионообменные устройства. Катионы относятся к положительно заряженным ионам, растворенным в воде. Катионный обмен предполагает замену ионов жесткости на ион нежесткости.

В умягчителях воды в качестве обменного иона обычно используется натрий (Na +). Ионы натрия поступают из растворенной соли хлорида натрия, также называемой рассолом. В процессе ионного обмена ионы натрия используются для покрытия обменной среды в умягчителе. Средой обмена могут быть природные «цеолиты» или шарики синтетической смолы, напоминающие влажный песок.

Когда жесткая вода проходит через умягчитель, кальций и магний меняются местами с ионами натрия (Рис. 1) . Ионы натрия плохо удерживаются и легко заменяются ионами кальция и магния.Во время этого процесса в воду выделяются «свободные» ионы натрия.

Процесс умягчения

После умягчения большого количества жесткой воды обменная среда покрывается ионами кальция и магния. Когда это происходит, обменная среда должна быть повторно заряжена или восстановлена ​​ (Рисунок 1) .

Чтобы заправить умягчитель ионами натрия, умягчитель промывают обратным солевым раствором. Во время обратной промывки рассол заменяет ионы кальция и магния в обменной среде на ионы натрия из солевого раствора.

Процесс зарядки

Время между циклами подзарядки зависит от жесткости воды, количества используемой воды, размера устройства и способности обменной среды по удалению жесткости.

Протестируйте воду

Перед покупкой любого водоочистного оборудования следует знать, какие примеси есть в водопроводе. Сертифицированная лаборатория может определить типы и количество примесей в вашей воде. Список сертифицированных лабораторий доступен в публикации NDSU «Качество питьевой воды: тестирование и интерпретация ваших результатов» (WQ1341).Результаты теста воды помогут определить, нужно ли смягчение. Тестирование воды может показать, требуется ли другая обработка воды.

Если вы получаете воду из частного водопровода, тестирование воды – это ваша ответственность. Тестирование воды следует проводить регулярно. Если вы подозреваете проблему, чаще проверяйте.

Коммунальные системы водоснабжения контролируются и обрабатываются для защиты пользователей от опасных для здоровья примесей в воде. Попросите вашего поставщика предоставить копию последних результатов испытаний воды.

Жесткая вода считается неприятной проблемой с водой. Удаление жесткости не является необходимостью для защиты вашего здоровья, но смягчение воды популярно, потому что большинство людей предпочитают смягченную воду для купания, очистки и стирки.

Риск для здоровья, связанный с умягченной водой

В процессе умягчения натрий выделяется из обменной среды в выходящую воду. На каждую крупицу жесткости, удаленную из воды, добавляют 8 мг / л (ppm) натрия. Люди, соблюдающие диету с ограничением потребления натрия, должны учитывать повышенный уровень натрия в умягченной воде.Проконсультируйтесь с вашим семейным врачом.

Поступления натрия из умягченной воды можно избежать, оставив один кухонный кран без смягчения для питья и приготовления пищи. Замена хлорида натрия хлоридом калия может быть целесообразной, если по причинам, связанным со здоровьем или окружающей средой, необходимо ограничение натрия.

Хлорид калия дороже и сильнее прилипает к смоле, снижая эффективность обмена по сравнению с хлоридом натрия. Во время операции обратной промывки используется примерно на 10 процентов больше соли хлорида калия.

Доступные типы оборудования для смягчения воды

Основное различие между моделями умягчителей воды заключается в том, как они планируют циклы обратной промывки. Это важно, потому что слишком ранняя перезарядка бусинок солью приводит к потере соли и воды. Слишком поздняя зарядка снижает производительность.

Умягчители воды подразделяются на четыре категории:

Полуавтомат: Оператор инициирует только цикл подзарядки.Оператор нажимает кнопку, когда умягчитель нуждается в подзарядке, и устройство контролирует и завершает процесс заправки.

Автоматический: Автоматические умягчители имеют таймер, который автоматически запускает цикл перезарядки и каждый этап процесса. Оператор устанавливает таймер и при необходимости добавляет соль. Это наиболее часто используемый тип смягчителя.

Регенерация по требованию (DIR) : Все операции инициируются и выполняются автоматически в ответ на потребность в использовании воды для умягченной воды.Системы DIR обычно имеют два резервуара для умягчения и резервуар для рассола. Пока одна емкость размягчается, другая подзаряжается.

Регенерация за пределами предприятия (обычно арендованные единицы): Использованный умягчительный бак заменяется повторно заправленным. Затем израсходованные резервуары для умягчения пополняются централизованно.

Эксплуатация и обслуживание

Техническое обслуживание умягчителей воды в основном сводится к пополнению запасов соли для рассола. У полуавтоматических моделей владельцу также придется запустить цикл подзарядки.Соль можно приобрести в виде гранул, гранул или блоков.

Солевой бак может нуждаться в периодической чистке. Частота очистки зависит от количества и чистоты соли, используемой в процессе умягчения. Узел солевого клапана и поплавка также следует проверять и чистить по мере необходимости.

Присутствие избытка железа или сероводорода может снизить эффективность устройства для смягчения воды. Может потребоваться установка оборудования для удаления железа (см. Публикацию NDSU «Железо и марганец» (AE1030).Результаты тестирования воды помогут сделать это определение.

Для удаления отложений железа может потребоваться более частая обратная промывка (изменение направления нормального потока воды через очистную установку).

Стоимость водоумягчителей и расходных материалов

Розничные цены на домашние умягчители воды могут варьироваться от примерно 400 до 2700 долларов, в зависимости от размера и типа умягчителя. Умягчители оцениваются по общему количеству зерен, которое устройство может удалить перед повторной загрузкой. Стоимость соли составляет примерно от 5 до 8 долларов за 40-фунтовый мешок хлорида натрия (NaCl), в зависимости от приобретенной формы, и до 25 долларов за 40-фунтовый мешок для хлорида калия (KCl).

Преимущества смягчителей воды

Смягчители

обеспечивают более чистую и мягкую на ощупь одежду; более долгий срок службы бытовой техники, в том числе стиральной, посудомоечной и водонагревательной машин; меньшее использование бытовых чистящих средств, таких как моющие средства, а также средств личной гигиены, таких как шампунь; и уменьшение водяных пятен.

Недостатки умягчителей воды

Умягченная вода не рекомендуется для полива комнатных растений, газонов и садов из-за содержания натрия.Вода, используемая для заправки смягчителя воды, может привести к перегрузке или снижению эффективности небольших септических или канализационных систем. Потребление натрия может представлять опасность для здоровья. Не рекомендуется использовать умягченную воду для паровых утюгов или испарительных охладителей. Лучшим выбором для такой техники является дистиллированная вода или вода из установки обратного осмоса.

Альтернативы ионно-обменным блокам

Проблемы с жесткой водой можно уменьшить, если использовать моющие средства, в состав которых входят смягчающие воду химические вещества. В жесткую воду можно добавлять некоторые химические вещества, чтобы уменьшить негативное влияние кальция и магния.Химическая обработка воды для умягчения в домашних условиях рекомендуется при низких уровнях жесткости.

Для смягчения воды в домашней стирке используются два типа химикатов: Sal Soda и Calgon.

Sal Soda соединяется с кальцием и магнием с образованием твердых частиц. Эти частицы оседают вместе с частицами грязи во время стирки. Использование осаждающих добавок, таких как Sal Soda, может не полностью очистить ваше белье, потому что твердые частицы могут прилипать к ткани.

Calgon смягчает воду, объединяя с кальцием и магнием соединения, которые остаются в растворе.Использование неосаждающих добавок, таких как Calgon, оказывает негативное воздействие на окружающую среду, поскольку они имеют высокое содержание фосфатов, что способствует росту водорослей
в местных водах.

Магнитное кондиционирование

Устройства для кондиционирования воды на постоянных магнитах были проданы на рынке на основании множества заявлений, касающихся их влияния на жесткость воды и связанное с этим образование накипи. Ассоциация качества воды, некоммерческая торговая ассоциация для отрасли водоочистки, до настоящего времени не смогла определить стандарты для этих продуктов и сообщить о несоответствующих характеристиках.Исследования показали, что никаких изменений в физических и химических свойствах или концентрации ионов кальция в воде, обработанной с помощью устройств, не происходит (The Water Quality Association Magnetics Task Force, 2001).

Что следует учитывать при покупке ионообменного смягчителя воды

• Проверьте воду, чтобы определить жесткость и другие загрязнения, которые, возможно, необходимо удалить.

• Определите, сколько умягченной воды необходимо вашему домохозяйству в день в год.

• Умягчитель какого типа и размера подойдет для вашей ситуации?

• Насколько легко очистить и / или отремонтировать кондиционер?

• Будет ли дилер предоставлять услуги?

• Какой уровень комфорта должен предлагать умягчитель (ручной или автоматический)?

• Потребуется ли предварительная обработка железа и марганца?

• Будет ли потребление натрия проблемой для здоровья?

• Перегрузят ли натриевые соли вашу септическую или канализационную систему?

• Изучите оборудование перед покупкой или арендой.Не торопитесь с покупкой.

• Закупочная цена не указывает напрямую на характеристики смягчителя. Устройство по умеренной цене может работать так же хорошо, как и дорогое устройство.

• Включены ли в стоимость при покупке или аренде затраты на установку?

• Не покупайте больше оборудования, чем вам нужно. Другие системы удаления могут быть лучше подходят для удаления определенных примесей.

• Выберите надежного дилера. Получите письменные гарантии и внимательно прочтите их.

• Остерегайтесь рекламы производителей, которая слишком хороша, чтобы быть правдой.

• Оборудование должно иметь одобрение UL и NSF или WQA.

[PDF] Процесс смягчения воды с катионообменом натрия (цеолит)

Скачать процесс смягчения воды с катионообменом натрия (цеолит) …

ПРОЦЕСС СМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ КАТИОНА НАТРИЯ (ЦЕОЛИТ) A.

История Название цеолит происходит от двух греческих слов «зеин» и «литос», что означает «кипящий камень». Впервые он был применен шведским геологом Гранштедтом в 1756 году для описания определенного класса природных минералов, которые при нагревании разбухали и выделяли гидратную воду.Эти цеолиты представляют собой гидратированные двойные силикаты, состоящие из оксида щелочного или щелочноземельного металла, оксида алюминия, диоксида кремния и воды. В 1818 году немецкий химик Фукс произвел первый синтетический цеолит, смешав растворы алюмината натрия и силиката натрия. В 1845 году Томпсон и англичанин пропустили раствор навоза через фильтр, сделанный из обычной садовой почвы, и обнаружили, что аммиак был удален из раствора. Английский химик Уэй в 1852 году пришел к выводу, что это свойство обмена почв связано с содержанием в них небольшого количества цеолитов.В 1858 году немецкий химик Эйххорн доказал, что обменные свойства цеолитов обратимы. В 1905 году немецкий химик Ганс обнаружил, что цеолиты можно использовать для смягчения жесткой воды. Он также изобрел процессы синтеза цеолитов и сконструировал оборудование – цеолитный умягчитель воды, в котором они использовались. Количество соли, необходимое для регенерации, составляло около 1 фунта на килограмм кальциевой и магниевой жесткости в сырой воде (64,8 мг = 1 гран). Затем вошел стабилизированный зеленый песок, состоящий из поташа, магнезии, двухвалентного и трехвалентного железа, глинозема, кремнезема и гидратной воды, и, хотя его емкость была меньше, чем у синтетических цеолитов (5 кг / фут3 для зеленого песка vs.8-10 кгс / фут3 для синтетического цеолита), это был очень прочный материал, быстрый в своих реакциях, мог использоваться для воды, содержащей железо и / или марганец, имел ту же способность по магниевой жесткости, что и по кальциевой жесткости, и был достаточно эффективен по потреблению соли (т.е. 0,5 фунта / кг кальциевой и магниевой жесткости). В 1934 и 1935 годах были разработаны совершенно новые типы катионитов. Их можно было использовать не только в натриевом цикле при регенерации с помощью соли, но также в водородном цикле при регенерации с помощью кислоты.Одна группа этих катионитов была углеродистой, которая была получена сульфированием угля. Они обеспечивали производительность 6-7 кг / фут3 и требовали 0,4 фунта соли на кг кальция и магниевой жесткости.

1

Более поздние работы привели к разработке ряда других катионитов, среди которых были типы сульфированного стирола. Они были получены сульфированием смолы, полученной в форме шариков путем сополимеризации стирола и дивинилбензола. Из-за своего внешнего вида они стали известны как гелевые смолы.Нормальная производительность и расход соли этих теплообменников составляет 20-27 кгс / фут3 и 0,3 – 0,5 фунта / кг соответственно.

B.

Химия, связанная с ионным обменом Ион – это электрически заряженный компонент вещества, растворенного в воде. Например, если хлорид натрия поместить в воду, он растворяется, а затем диссоциирует на два отдельных иона – положительный ион натрия и отрицательный ион хлорида. Хлорид натрия больше не существует в таком растворе, если не превышается произведение его растворимости, после чего он выпадает в осадок в виде хлорида натрия.Ионы делятся на две группы. Катионы, такие как кальций, магний, натрий, водород, железо и т. Д., Имеют чистый положительный заряд; анионы, такие как бикарбонат, карбонат, гидроксид, хлорид, сульфат и т.д., имеют чистый отрицательный заряд. Во всех системах водоснабжения общее количество катионов должно быть равно общему количеству анионов после того, как оба будут математически преобразованы в общее основание, такое как «ppm CaCO3». Ионообменник – это нерастворимое вещество, которое обладает свойством обменивать ион, прикрепленный к его структуре, на другой ион в воде.Типичная реакция ионного обмена выглядит следующим образом: Катионит натрия 2NaR

+

Хлорид кальция CaCl2

Катионит кальция CaR2

+

2NaCl

(1)

хлорид натрия

Неочищенная вода содержит ион, который должен быть удален ионным обменом. Когда этот нежелательный ион вступает в контакт с регенерированным теплообменником во время его работы, он вытесняет ион, который был прикреплен к смоле, и занимает его место на смоле.Когда жесткая вода проходит через слой катионита натрия, кальций и магний поглощаются и удерживаются катионитом, который одновременно дает

2

эквивалентное количество натрия в обмен на них. Эта реакция может быть представлена ​​следующим уравнением: Ca} Mg}

{(HCO3) 2 + 2NaR → {SO4 {Cl2

Ca} Mg}

R2 +

Na2 {(HCO3) 2 {SO4 {Cl2

(2)

Железо, аммоний, барий, калий и т. Д.аналогично обмениваются на натрий из ионообменника. В любом случае, поскольку для нежелательного иона выделяется эквивалентное количество натрия, количество растворенных твердых веществ в сырой воде такое же, как в выходящем потоке теплообменника натриевого цикла. Когда способность теплообменника натриевого цикла производить полностью умягченную воду исчерпывается, умягчитель выводится из эксплуатации и регенерируется раствором поваренной соли. Эта реакция может быть представлена ​​следующим образом: Ca} Mg}

R + 2NaCl →

Na2 R + Ca} Cl2 Mg}

(3)

Кальций и магний удаляются из смолы в виде их хлоридов. и смола одновременно восстанавливается до натриевой формы.Типичные характеристики умягчителя натриевого цикла приведены в таблице 1 ниже. Таблица 1:

Параметр

Типичная производительность умягчителя натриевого цикла

Концентрация в сырой воде

Кальций, ppm CaCO3 Магний, ppm CaCO3 Общая жесткость, ppm CaCO3 Натрий, ppm CaCO3 Щелочность, ppm Сульфат CaCO3, ppm Сульфат CaCO3, ppm ppm CaCO3 Кремнезем, ppm SiO2 Общее количество растворенных твердых веществ, ppm

66 18 84 24 62 30 16 9 166

3

Концентрация в стоке умягчителя 0-1.5 0-1,5 0-3 105-108 62 30 16 9 166

C.

Этапы работы умягчителя Нормальная работа теплообменника натриевого цикла состоит из цикла регенерации, который включает обратную промывку, рассол, медленную промывку и быструю промывку. полоскание, а также сервисный цикл. Обратная промывка, как следует из названия, включает прохождение воды вверх через слой смолы по следующим причинам: 1. Расширение слоя

высвобождает любые скопления в слое смолы и разрыхляет слой, чтобы обеспечить более эффективный контакт между рассолом и смолой во время шаг посола;

2.

Удаление мелких частиц и смолы предотвращает образование каналов, высокий перепад давления и плохую кинетику во время этапа обслуживания;

3.

повторная градация или классификация слоя смолы способствует равномерному распределению регенерирующего агента на стадии рассола.

Обратную промывку следует проводить в течение минимум 10 минут или до тех пор, пока промывочный поток не станет прозрачным. Скорость потока обратной промывки должна быть достаточной для расширения слоя минимум на 50%, но не настолько большой, чтобы вызвать потерю смолы.При заданном расходе расширение слоя зависит от температуры воды для обратной промывки – чем ниже температура, тем больше расширение из-за более высокой вязкости воды при более низкой температуре. Следовательно, скорость потока обратной промывки следует регулировать при изменении температуры воды. У поставщиков смолы можно получить кривые, которые связывают расширение слоя с расходом обратной промывки и температурой воды. Второй этап цикла регенерации – это операция посола. Рассол, приготовленный из каменной соли или выпаренной соли, содержащей как минимум 98% NaCl, закачивается в водное пространство над слоем смолы в концентрации 10 мас.% и позволяли течь через слой смолы. Концентрация рассола 10% может быть достигнута либо путем непосредственного приготовления 10% раствора, либо путем разбавления концентрации насыщения 26%. Обычно применяется последний метод. Скорость потока регенерированного рассола должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить достаточное время контакта между рассолом и смолой, но при этом достаточно высокой, чтобы предотвратить канализацию рассола. Обычно этот расход составляет порядка 1 галлонов США в минуту / фут3 смолы. Общее количество соли, необходимое для регенерации, зависит от объема смолы и желаемой емкости смолы, но находится в диапазоне от 5 до 25 фунтов./ фут3 смолы. У поставщиков смолы можно получить кривые, которые соотносят номинальную емкость смолы с фунтами соли, необходимыми на кубический фут смолы. После того, как концентрация и скорость потока регенерата, объем смолы и необходимое количество соли установлены, можно напрямую рассчитать продолжительность операции рассола

4

. Однако кривую рассола следует устанавливать и периодически проверять. При этом ареометр останавливает сток умягчителя на стадии рассола.Если кривая слишком узкая, следует уменьшить расход рассола или увеличить крепость рассола. Третий этап цикла регенерации – медленное ополаскивание. Этот расход воды должен составлять приблизительно 1 галлонов США в минуту / фут3 смолы. Если для регенерации используется система отвода, надлежащая медленная скорость потока промывки может быть получена путем прекращения отвода насыщенного рассола. Требуемое количество воды для медленной промывки составляет примерно ½ объема слоя смолы плюс объем пространства между смолой и распределительными боковыми стенками.Это обеспечивает «пробку» медленной промывочной воды, которая полностью выталкивает оставшийся рассол через слой. Продолжительность медленного ополаскивания может быть рассчитана непосредственно после того, как установлены скорость потока промывочной воды, объем смолы и размеры емкости. Четвертый и последний этап цикла регенерации – быстрое ополаскивание. Этот расход воды должен составлять приблизительно 1,5 галлона США в минуту / фут3 смолы для полного удаления отработанного рассола, содержащего обмененные катионы. Продолжительность ополаскивания определяется общей жесткостью сточных вод для ополаскивания.Когда жесткость снизилась до менее 1 ppm по CaCO3, промывку можно считать завершенной. Цикл обслуживания наиболее эффективно проводится при расходе приблизительно 6-8 галлонов США в минуту / фут2 слоя смолы. Непрерывная работа при максимальной скорости потока 15 USGPM / фут2 или выше может привести к образованию каналов, уплотнению слоя, утечке или преждевременному снижению твердости. Непрерывная работа при 3 USGPM / фут2 слоя смолы или ниже может привести к снижению производительности и утечкам, поскольку при этих скоростях потока вода не проходит через слой.В результате вода движется по пути наименьшего сопротивления, так что контакт между водой и смолой плохой и полный обмен не происходит. Расходы на обслуживание могут быть слишком низкими, если потребности в умягченной воде минимальны, или если блоки умягчения перепроектированы.

5

D.

Конструкция умягчителя При проектировании умягчителя параметры, которые должны быть определены, включают объем смолы, размер сосуда и конструктивные особенности сосуда.Объем смолы можно рассчитать по следующей формуле: V = Vw L 1000K, где V = Vw = L = K =

(4) объем смолы, кубический фут обработанной воды, ионная нагрузка USG, зерна CaCO3 / смола USG обменная емкость3, кгс / фут3

При обменной способности смолы 20 кгс / фут3, ионной нагрузке 100 ppm CaCO3 (т. е. 5,8 граммов на галлон) и требовании обработки 100000 USG между регенерациями объем смолы будет 29 ft3 . При расходе 100 USGPM при 10 USGPM / фут2 диаметр сосуда будет 3.5 футов, а глубина слоя смолы будет 3 фута. Чтобы обеспечить 100% надводный борт (т.е. высоту пространства над смолой по сравнению с высотой слоя смолы), высота емкости должна составлять 6 футов. Оболочка резервуара для умягчителя состоит из стального цилиндра с выпуклыми днищами, соответствующими диаметру резервуара, и толщиной металла, способной выдерживать рабочее давление. Система нижнего дренажа в нижней части корпуса умягчителя выполняет следующие функции: 1. 2. 3.

равномерный сбор умягченной воды во время технического обслуживания; равномерное распределение воды для обратной промывки во время стадии обратной промывки предотвращает образование каналов и потерю смолы; равномерный отбор рассола и промывочной воды предотвращает образование карманов.

Наиболее распространенная конфигурация нижнего дренажа состоит из коллектора – боковой системы с сетчатыми головками. Слои градуированного гравия (самый крупный внизу и самый мелкий наверху), покрытые слоем крупного песка, расположены над системой фильтров, чтобы поддерживать слой смолы и способствовать равномерному распределению воды на всех этапах работы. цикл регенерации, а также цикл обслуживания.

6

Немного ниже верхней части прямой стороны кожуха находится коллектор промывочной воды, который во время умягчения и ополаскивания служит для подачи и отвода поступающей воды, а во время обратной промывки – для сбора промывочной воды и ее подачи в отходящий трубопровод.Отклонение поступающей воды необходимо, иначе она может выдолбить часть слоя смолы и вызвать больший поток через эту часть, чем через остальную часть слоя смолы. На небольшом расстоянии над поверхностью слоя смолы находится система распределения рассола, которая служит для подачи и равномерного распределения разбавленного рассола по слою смолы, так что все части слоя будут входить в равномерный контакт с ним. D.

Поиск и устранение неисправностей Неисправности умягчителя Сточные воды умягчителя могут периодически указывать на утечку жесткости или снижение обменной способности.Обычно трудности можно отнести к одной из четырех причин, то есть механическим сбоям, деградации смолы, ненадлежащему операционному контролю и изменениям химического состава питательной воды. Механические отказы проявляются в виде закупорки или поломки распределительных патрубков, неправильного функционирования многопортовых клапанов или засорения сливных экранов и опорной среды. Чтобы определить, плохо ли работает смола из-за химической или физической деградации, образцы смолы должны быть проверены на обменную способность, физическую стабильность и загрязняющие вещества.Образцы керна следует собирать и анализировать ежегодно. Неправильный операционный контроль влияет на скорость потока услуг; скорость потока обратной промывки и температура воды; концентрация, дозировка и скорость регенерирующего агента; медленный поток ополаскивания и объем воды; быстрый расход и объем ополаскивания; и общий уровень жесткости умягченной воды и сточных вод быстрого ополаскивания. Чтобы убедиться, что эти элементы управления настроены правильно, каждый из них следует периодически проверять. Умягчители обычно предназначены для среднего состава кормов.Ключевыми факторами являются общая жесткость, металлические соединения, взвешенные твердые частицы и окислители. Необратимое изменение исходных характеристик может привести к низкому качеству воды, снижению емкости и разложению смолы. Операционные и механические модификации могут свести к минимуму эти проблемы.

7

E.

Разложение смолы Различные формы разложения смолы-мягчителя включают осмотический шок, механическое напряжение, термический шок и загрязнение железом, алюминием, карбонатом кальция или гидроксидом магния.Осмотический шок вызывается чрезмерным расширением гранул во время цикла обслуживания и сжатием во время регенерации. Механическая деформация приводит к поломке бусинок, что снижает производительность из-за образования каналов и более высокого падения давления. Термический шок вызывается либо экстремальными колебаниями температуры (т. Е. Когда за рабочим циклом в горячем состоянии следует холодная обратная промывка), либо при непрерывной работе при температуре выше максимально допустимой для используемой смолы. Загрязняющие железо вещества могут происходить из таких источников, как загрязненная вода, корродированные водораспределительные трубопроводы, поверхностные водопроводы, содержащие органически изолированное железо, или загрязненный регенерирующий агент.Чаще всего железо входит в нерастворимую форму трехвалентного железа, покрывая поверхность шариков, тем самым препятствуя эффективному контакту между водой и смолой. Промывка восстановителем, таким как гидросульфит натрия, восстановит железо до растворимой двухвалентной формы. В качестве альтернативы можно использовать раствор соляной кислоты для непосредственного растворения железа в форме трехвалентного железа. Загрязнение алюминия, карбоната кальция и гидроксида магния вызвано переносом коагулянтов или твердости из системы предварительной обработки. Эти осадки покрывают поверхность шариков смолы, снижая ее емкость.

8

Руководство по воде – ионный обмен и деминерализация воды

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов. Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами. Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы. Перегрев, вызванный накоплением накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам трубок, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям.Ионы жесткости, такие как кальций и магний, необходимо удалить из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для бойлера. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая диоксид углерода и кремнезем. Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники обменивают один ион на другой, временно удерживают его, а затем переводят в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в водопроводе заменяются более приемлемыми ионами.Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных смягчителях воды. Хотя алюмосиликатные материалы сегодня используются редко, термин «цеолитный пластификатор» обычно используется для описания любого процесса катионообмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен материалом природного происхождения под названием Greensand.Greensand имел более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его большая физическая стабильность делала его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество обменных ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора. Обычно он выражается в килограммах на кубический фут в виде карбоната кальция.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катионов сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды на основе сульфированного угля, известной как углеродистый цеолит, расширила применение ионного обмена до работы водородного цикла, что позволило снизить щелочность, а также жесткость. Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новую анионную смолу использовали вместе с катионной смолой с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить все растворенные соли из) воду. Однако ранние аниониты были нестабильны и не могли удалить такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная кислоты.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации сшитого стирола с дивинилбензолом. Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы все еще используются в большинстве приложений для ионного обмена.Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы многими способами, чтобы соответствовать требованиям конкретных применений и обеспечить более длительный срок службы смолы. Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макроретикулярной, или макропористой, структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на Рисунке 8-1, имеют проницаемую мембранную структуру. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства приложений. Однако в некоторых случаях физическая прочность и химическая стойкость, необходимые для структуры смолы, превышают возможности типичной гелевой структуры.Макроретикулярные смолы имеют дискретные поры в матрице полистирол-дивинилбензол с высокой степенью сшивки. Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и окислительным агентам. Макроретикулярные анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. Помимо полистирол-дивинилбензольных смол (рис. 8-3), существуют более новые смолы с акриловой структурой, которая увеличивает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы. Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только одна из ионных разновидностей подвижна. Другая ионная группа присоединена к структуре гранул. На рис. 8-4 схематически изображен шарик сильнокислой катионообменной смолы, ионные центры которого состоят из неподвижных анионных (SO 3 ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na + ).Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы. Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, прикрепленные к шарику смолы, определяют функциональную способность смолы. Смолы для промышленной водоочистки подразделяются на четыре основные категории:

  • Сильный кислотный катион (SAC)
  • Катион слабой кислоты (WAC)
  • Сильный основной анион (SBA)
  • Слабый основной анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты.Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие им основания. Эти смолы используются в большинстве приложений умягчения и полной деминерализации. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для дещелачивания, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

Смолы

SAC получают свои функциональные возможности из групп сульфоновой кислоты (HSO 3 ¯). При использовании в деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена обратима.Когда его емкость исчерпана, смолу можно регенерировать с избытком минеральной кислоты.

Сильные кислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий в качестве подвижного иона) для смягчения и в водородном цикле для декатионизации.

Катионообменные смолы со слабой кислотой получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть отработанную смолу WAC в регенерированную форму.Смолы WAC не могут удалить все катионы из большинства источников воды. Их главное достоинство – высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, требуемой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы утилизации.

Слабокислые катионные смолы используются в основном для умягчения и обезщелачивания жестких и щелочных вод, часто в сочетании с полировальными системами SAC с натриевым циклом.В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

Смолы

SBA получают свои функциональные возможности из функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа четвертичных аммониевых групп, называемые типом I и типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой.Смола типа I имеет большую стабильность, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого регенерирующего химического вещества.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае катионных смол, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода, для возврата смолы в гидроксидную форму.

Слабая основная функциональность смолы происходит из первичных (R-NH 2 ), вторичных (R-NHR ‘) или третичных (R-NR’ 2 ) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, о чем свидетельствует следующая реакция:

НАТРИЙ ЦЕОЛИТ РАЗМЯГЧЕНИЕ

Умягчение цеолита натрия – это наиболее широко применяемый метод ионного обмена. При умягчении цеолита вода, содержащая накипеобразующие ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме.В смоле ионы жесткости обмениваются с натрием, и натрий диффундирует в основной водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, может затем использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы размягчения цеолитов

Удаление жесткости воды с помощью процесса умягчения цеолита описывается следующей реакцией:

Вода из правильно эксплуатируемого цеолитового умягчителя почти не имеет определяемой жесткости.Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

Рисунок 8-5 представляет собой типичный профиль жесткости сточных вод цеолитового умягчителя в течение рабочего цикла. После последнего ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не исчерпается. При истощении резко возрастает жесткость сточных вод, и требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% -ным раствором хлорида натрия, и регенерацию проводят по следующему уравнению:

Во время регенерации используется большой избыток регенерирующего агента (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле).Элюированная жесткость удаляется из умягчителя в отработанном рассоле и путем промывки.

После регенерации в смоле остается небольшая остаточная твердость. Если смолу оставить в емкости с застоявшейся водой, некоторая жесткость проникнет в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, вытекающая из цеолитного умягчителя, может содержать жесткость, даже если она была недавно регенерирована. Через несколько минут протекания жесткость смывается из смягчителя, и очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от скорости потока умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В таблице 8-1 показано влияние уровня регенерирующего агента на умягчающую способность гелеобразной сильной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается с увеличением дозировки регенерирующего агента, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Следовательно, эксплуатационные расходы умягчителя возрастают с увеличением уровня регенерации.Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение регенерирующей соли на 150% обеспечивает только 67% -ное увеличение рабочей емкости.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность к смягчению сильнокислой катионной смолы.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу .
Соль (фунт / фут 3 ) Объем (гр / фут 3 )
6 18 000
8 20 000
10 24 000
15 30 000

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из обменного резервуара умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы.Обычно резервуар для умягчителя представляет собой вертикальный стальной резервуар высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на Рисунке 8-6. Основные характеристики емкости для умягчения включают впускную распределительную систему, свободное пространство над бортом, систему распределения регенерирующего агента, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора нижнего дренажа.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это предотвращает попадание воды в проточные каналы в слое смолы, что снизит производительность системы и качество сточных вод.Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора / ступицы с распределяющими боковыми / радиальными перегородками или простых перегородок, которые направляют поток воды равномерно по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на слой или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт позволяет смоле расширяться во время этапа регенерации с обратной промывкой без потери смолы.Он должен составлять минимум 50% объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерирующего агента обычно представляет собой систему с боковым коллектором, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхом слоя смолы предотвращает разбавление регенерирующего агента водой в свободном пространстве. Это также сокращает количество воды и время, необходимое для вытеснения и быстрого ополаскивания. Распределитель регенерирующего агента должен быть прикреплен к конструкции резервуара, чтобы предотвратить поломку и последующее просачивание регенерирующего агента.

Вода смягчается слоем сильнокислой катионообменной смолы в натриевой форме. Требуемое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Минимальная глубина станины 24 дюйма рекомендуется для всех систем.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды для обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению смолой или ее потере.

Несмотря на то, что используются несколько конструкций нижнего дренажа, существует два основных типа – заполнитель и удерживающий смолу. Система подпитки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, гранулированного гравия или антрацита), которая поддерживает смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подпитки. Пока поддерживающие слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из емкости.Удерживающий смолу коллектор, такой как экранированный боковой фильтр или сетчатый фильтр из профильной проволоки, дороже, чем система подпитки, но защищает от потерь смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляют поток воды и регенерирующего агента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапанов включает в себя шесть основных клапанов: вход и выход для обслуживания, вход и выход для обратной промывки, вход для регенерации и слив для регенерации / промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды.В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многопортовый клапан. Когда клапан вращается в ряде фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток так же, как и в гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить эксплуатационные ошибки, вызванные открытием неправильного клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения порта.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли / измерения рассола и оборудования для контроля разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.Оборудование для растворения / измерения предназначено для обеспечения правильного количества концентрированного рассола (приблизительно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенной соли в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления наполнением и опорожнением бака подачи, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эдукционной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной концентрации регенератора (8-10% NaCl).Рассол также можно перекачивать из резервуара для концентрированной соли и смешивать с разбавляющей водой для обеспечения желаемой силы регенерации.

Работа умягчителя

Натриево-цеолитный умягчитель работает через два основных цикла: цикл обслуживания, в котором производится мягкая вода для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при ее исчерпании.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную систему распределения и протекает через слой.Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в основную воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и отводится. Поток технической воды в умягчитель должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить резкие скачки и частые операции включения-выключения.

Из-за требований к смоле и конструкции емкости, операция умягчения наиболее эффективна при поддержании рабочего расхода от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при 15-20 галлонах в минуту / фут².Непрерывная работа сверх рекомендованных производителем пределов может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному снижению твердости и утечке твердости. Работа со скоростью потока ниже рекомендованной производителем также может отрицательно повлиять на характеристики умягчителя. При низких скоростях потока вода не распределяется в достаточной степени, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда умягчитель закончился, смолу необходимо регенерировать. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы.Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодический отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители до исчерпания, исходя из заранее определенного периода времени или количества обработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Часто они работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие агрегаты находятся в эксплуатации.Это обеспечивает непрерывный поток мягкой воды. Перед вводом в эксплуатацию резервного смягчителя необходимо промыть устройство, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время выдержки.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленное ополаскивание) и быстрое ополаскивание.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды заставляет взвешенный материал накапливаться на слое смолы.Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через фильтрующее оборудование выше по потоку. На этапе обратной промывки удаляется накопившийся материал и классифицируется слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из нижнего дренажного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы, а также классифицировать смолу. В соответствии с классификацией смолы более мелкие шарики располагаются наверху устройства, а более крупные шарики оседают на дно.Это улучшает распределение регенерирующего химического вещества и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сток из выпускного отверстия обратной промывки не станет прозрачным. Потока обратной промывки должно быть достаточно, чтобы увеличить объем слоя смолы на 50% или более, в зависимости от имеющегося надводного щита. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению постели и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока при обратной промывке обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячая среда) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует соблюдать рекомендации каждого производителя.Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения постели холодной водой требуется меньший поток, чем теплой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока корректировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки – это фильтрованная неочищенная вода. Вода, выходящая из выпускного отверстия для обратной промывки, не изменяется по химическому составу, но может содержать взвешенные твердые частицы. В целях экономии воды стоки обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтрующий поток для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий рассол. Поток рассола входит в установку через распределитель регенератора и течет вниз через слой смолы с медленной скоростью (обычно от 0,5 до 1 галлона в минуту на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через нижний дренаж и отправляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между рассолом и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола, крепость раствора во время подачи рассола должна составлять 10%.

Displacement (Медленная промывка). После подачи регенерирующего рассола через систему распределения регенерирующего агента продолжается медленный поток воды. Этот поток воды вытесняет регенерирующий агент через слой с желаемой скоростью потока. Этап замещения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенерирующего агента с дном слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно такой же, как и при разбавлении концентрированного рассола.Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной, чтобы позволить примерно одному объему слоя смолы пройти через установку. Это обеспечивает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрое ополаскивание. После завершения промывки вытеснением вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет оставшийся рассол, а также любую остаточную жесткость слоя смолы. Скорость потока при быстрой промывке обычно составляет 1.5 и 2 галлона в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью использования умягчителя.

Изначально промывочные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость смягчителя смывается перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель можно вернуть в эксплуатацию, как только жесткость достигнет заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока хлориды или проводимость сточных вод не приблизятся к уровням на входе. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время технического обслуживания.Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое ополаскивание, известное как техническое ополаскивание, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время ожидания.

ГОРЯЧЕЕ СМЯГЧЕНИЕ ЦЕОЛИТА

Цеолитные умягчители могут использоваться для удаления остаточной жесткости в сточных водах от горячего технологического извести или известково-содового умягчителя. Горячий технологический поток проходит через фильтры, а затем через слой сильнокислой катионитовой смолы в натриевой форме (рис. 8-7).Оборудование и работа умягчителя с горячим цеолитом идентичны умягчителю температуры окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и приборы должны быть пригодны для высоких температур (220-250 ° F). Стандартную прочную катионную смолу можно использовать при температурах до 270 ° F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после горячего умягчителя важно спроектировать систему так, чтобы исключить скачки потока в установке для горячей извести.Обычные конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для горячей извести и расширенных медленных промывок цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Области применения и преимущества

Образование накипи и отложений в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога при мойке создали большой спрос на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны удовлетворить этот спрос с экономической точки зрения, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов.Умягчение цеолита натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

    Обработанная вода
  • имеет очень низкую склонность к образованию накипи, поскольку умягчение цеолита снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
  • прост в эксплуатации и надежен; автоматические и полуавтоматические регуляторы регенерации доступны по разумной цене
  • соль недорогая и простая в обращении
  • осадок отходов не образуется; как правило, утилизация отходов не является проблемой
  • в определенных пределах колебания расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
  • , поскольку эффективная работа может быть достигнута в установках практически любого размера, пластификаторы на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают количество растворенной жесткости в воде, общее содержание твердых веществ, щелочность и кремнезем в воде остаются неизменными.Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой горячего смягчителя извести-соды. Заводы, которые заменили свои горячие умягчители только на цеолитные умягчители, столкнулись с проблемами, связанными с диоксидом кремния и уровнями щелочности в своих котлах.

Поскольку смола является таким эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия неэффективно работают с мутной водой. Продолжительная работа с входящей мутностью, превышающей 1,0 JTU, вызывает засорение слоя, короткие периоды обслуживания и низкое качество сточных вод.Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные воды перед использованием необходимо очистить и отфильтровать.

Смола может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе нормальной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными умягчителями, правильная работа оборудования и тщательный контроль pH осветлителя необходимы для хороших характеристик умягчителя.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных водопроводов, является сильным окислителем и должен быть удален перед размягчением цеолита фильтрацией активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательных вод котлов высокого давления и для многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. Помимо удаления жесткости, эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, кремнезем, щелочность и минеральные анионы (Cl, SO 4 ²¯, NO 3 ¯).

Деминерализация воды – это удаление практически всех неорганических солей ионным обменом. В этом процессе сильнокислая катионная смола в водородной форме превращает растворенные соли в их соответствующие кислоты, а сильнокислая анионная смола в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, аналогичную по качеству дистилляционной, при более низкой стоимости большинства пресных вод.

Принципы деминерализации

Система деминерализатора состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают элемент сильного катиона кислоты и элемент сильного аниона основания.Катионная смола обменивает водород на катионы сырой воды, как показывают следующие реакции:

Показателем общей концентрации сильных кислот в сточных водах катионов является свободная минеральная кислотность (FMA). При типичном запуске службы содержимое FMA большую часть времени стабильно, как показано на рис. 8-8. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA из теплообменника была бы равна теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник.Количество утечки натрия зависит от уровня регенерации, скорости потока и соотношения натрия к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается с увеличением отношения натрия к общему количеству катионов.

Когда катионообменная установка близка к исчерпанию, FMA в сточных водах резко падает, указывая на то, что теплообменник следует вывести из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать кислотным раствором, который возвращает центры обмена в водородную форму.Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Чтобы предотвратить это явление, серную кислоту обычно наносят с высокой скоростью потока (1 галлон / мин на квадратный фут смолы) и начальной концентрацией 2% или меньше. Концентрация кислоты постепенно увеличивается до 6-8% до полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота.Это требует использования специальных строительных материалов в системе регенерации. Как и в случае установки с цеолитом натрия, требуется избыток регенерирующего агента (серной или соляной кислоты) до трех раз по сравнению с теоретической дозой.

Для завершения процесса деминерализации вода из блока катионов пропускается через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на высокоионизированные минеральные ионы, так и на более слабоионизированные угольные и кремниевые кислоты, как показано ниже:

Указанные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды.В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионных единиц – это натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионных единицах. Следовательно, pH стока двухслойной системы катион-анионного деминерализатора является слабощелочным. Каустик, образующийся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозировки регенерирующего агента.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет кремнезем, а также другие растворенные твердые вещества. Сточный диоксид кремния и проводимость являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. В конце быстрой промывки и диоксид кремния, и проводимость низкие, как показано на Рисунке 8-9.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко повышается. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает.Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормальной эксплуатации большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид больше не доступен, и натрий из катионита превращается в силикат натрия, который имеет гораздо меньшую проводимость, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионной смолы проникают более проводящие минеральные ионы, вызывая последующее увеличение проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора необходимо немедленно вывести установку из эксплуатации. Если деминерализатору разрешено оставаться в рабочем состоянии после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрации кремнезема в анионной смоле во время рабочего цикла.

Аниониты с сильным основанием регенерируются 4% -ным раствором гидроксида натрия. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации.Для улучшения удаления диоксида кремния из слоя смолы регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120 ° F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление диоксида кремния также улучшается за счет стадии предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплого каустика.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионо-анионной деминерализации, аналогично тому, которое используется при умягчении цеолита. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионно-стойких материалов (или покрыты ими).Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации деминерализаторов являются более сложными, чтобы учесть такие улучшения, как ступенчатая регенерация кислоты и теплой щелочи.

Деминерализаторы действуют аналогично цеолитовым пластификаторам. Нормы расхода для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с некоторыми видами воды.Анионная смола намного легче катионной. Следовательно, скорости потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионных смол, и на расширение анионной смолы влияет температура воды больше, чем на расширение катионита. Вода, используемая на каждой стадии регенерации анионной смолы, не должна иметь жесткости, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочной анионной смолы.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы кремнезема обычно используются для контроля качества воды в сточных водах, содержащих анионы, и определения необходимости регенерации.В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над коллекторами нижнего дренажа для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет проникновение диоксида кремния в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого использования. Деминерализованная вода широко используется в питательной воде котлов высокого давления и во многих технологических водах. Качество производимой воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть ее стоимости.Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонок, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие ионообменные системы, деминерализаторам для эффективного функционирования требуется фильтрованная вода. Загрязняющие смолы и разлагающие вещества, такие как железо и хлор, следует избегать или удалять до деминерализации. Анионные смолы очень чувствительны к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды.Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или инертные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котловая вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, похожие на те, которые поступают в котел в растворимой форме. По сути, они могут образовывать отложения на поверхности трубок и улетучиваться в пар.

СДЕЛКА

Часто рабочие условия котла или процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых частиц.Умягчение цеолита не снижает щелочность, а деминерализация обходится слишком дорого. В этих ситуациях используется процесс дещелачивания. Дещелачивание натриевого цеолита / водородного цеолита (разделенный поток), дещелачивание хлорид-анионами и дещелачивание слабокислых катионов являются наиболее часто используемыми процессами.

Цеолит натрия / водородный цеолит (разделенный поток) Дещелачивание

В дещелачителе с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия.Остальная часть протекает через узел сильнокислотного катиона в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяется с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды с установки водородного цеолита содержат угольную кислоту, полученную из щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислотность в выходящем потоке водородного цеолита превращает карбонат натрия и бикарбонатную щелочность в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота нестабильна в воде.Он образует углекислый газ и воду. Смешанные сточные воды направляются в декарбонизатор или дегазатор, где диоксид углерода удаляется из воды встречным потоком воздуха. На рис. 8-10 показана типичная система дещелачивания разделенного потока.

Требуемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать путем контроля процентного содержания цеолита натрия и водородного цеолита в воде. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с водородным цеолитом снижает щелочность.

Помимо снижения щелочности, дещелочитель с разделенным потоком снижает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для вод с высокой щелочностью, поскольку проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрации в котле.

Дещелачивание цеолита натрия / хлорид-аниона

Сильноосновная анионная смола в хлоридной форме может использоваться для снижения щелочности воды. Вода проходит через цеолитный умягчитель, а затем через анионный блок, который заменяет карбонатные, бикарбонатные, сульфатные и нитрат-ионы хлорид-ионами, как показано в следующих реакциях:

Хлорид-анион-дещелачитель снижает щелочность примерно на 90%, но не снижает общее содержание твердых веществ.Когда смола приближается к истощению, щелочность очищенной воды быстро увеличивается, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитный умягчитель регенерируют, как описано ранее. Кроме того, анионная смола также регенерируется рассолом хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий рассол добавляют небольшое количество каустической соды, чтобы улучшить удаление щелочности.

Обесщелачивание катионов слабой кислоты

В другом методе удаления щелочности используются слабокислые катионные смолы.Слабокислотные смолы по действию аналогичны сильнокислотным катионным смолам, но обмениваются только катионами, которые связаны со щелочностью, как показывают следующие реакции:

, где Z представляет собой смолу. Образовавшаяся угольная кислота (H 2 CO 3 ) удаляется декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный приток для слабокислой катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба показателя выражаются в ppm как CaCO 3 ).В воде с более высокой щелочностью, чем жесткостью, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, имеющих жесткость больше, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать с помощью умягчителя на основе цеолита натрия, чтобы удалить жесткость. Во время начальной части цикла обслуживания слабых кислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы связаны с обменом минеральных анионов, образуя небольшие количества минеральных кислот в сточных водах. По мере продолжения цикла обслуживания в сточных водах появляется щелочность.Когда щелочность сточных вод превышает 10% щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5% -ным раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна быть ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабый кислотный обмен катионита очень эффективен. Следовательно, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных в течение рабочего цикла.

Если материалы конструкции для последующего оборудования или всего процесса не могут выдерживать минеральную кислотность, присутствующую в начальных частях рабочего цикла, солевой раствор пропускается через регенерированную слабокислотную смолу перед заключительной промывкой.Этот раствор удаляет минеральную кислотность без значительного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для дещелачивания слабых кислотных катионов, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном из вариантов стандартной конструкции используется слой слабокислой смолы поверх сильнокислой катионитовой смолы. Поскольку он легче, на нем остается слабокислая смола. Слоистую систему смол регенерируют серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия.Солевой раствор превращает сильнокислотную смолу в натриевую форму. Эта смола затем действует как мягчитель для полировки.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием диоксида углерода и воды, а диоксид углерода удаляется в декарбонаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, поскольку избыточная подача кислоты или нарушение системы контроля pH может привести к образованию кислой питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов.Требуются надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача каустика после декарбонизации.

Преимущества и ограничения систем обезщелачивания

Системы ионообменной дещелачивания производят воду с низкой жесткостью и низкой щелочностью по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и катионами слабых кислот также снижают общее количество растворенных твердых веществ.Помимо этих преимуществ, необходимо учитывать следующие недостатки:

  • дещелочники не удаляют всю щелочность и не влияют на содержание кремнезема в воде
  • Дещелкализаторы
  • требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
  • вода, полученная в системе дещелачивания, использующей декарбонизатор с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально коррозионная

ПРОТИВОТОЧНАЯ И ДЕИОНИЗАЦИЯ СМЕШАННОЙ КРОВИ

Из-за увеличения рабочего давления котла и производства продуктов, требующих чистой воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут производить катионо-анионные деминерализаторы.Поэтому возникла необходимость изменить стандартный процесс деминерализации для повышения чистоты очищенной воды. Наиболее значительные улучшения в чистоте деминерализованной воды были достигнуты с помощью противоточных катионообменников и теплообменников со смешанным слоем.

Противоточные катионообменники

В обычной системе деминерализатора поток регенерирующего агента идет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как параллельная работа и является основой для большинства конструкций ионообменных систем.Во время регенерации прямоточного устройства загрязняющие вещества перемещаются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя подверглась воздействию свежего регенерирующего агента, он подвергается высокой регенерации. Когда вода протекает через смолу во время эксплуатации, катионы сначала обмениваются в верхней части слоя, а затем движутся вниз через смолу, когда слой истощается.Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионизированную воду, прежде чем она покинет сосуд. Эта утечка натрия попадает в анионный блок, где при анионном обмене образуется щелочь, повышая pH и проводимость деминерализованной воды.

В противоточном регенерированном катионите регенерирующий агент течет в направлении, противоположном рабочему потоку. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой.В результате смола с наиболее высокой степенью регенерации находится там, где техническая вода выходит из резервуара. Сильно регенерированная смола удаляет низкий уровень загрязнителей, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем может обеспечить прямоточная конструкция. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее сильно регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенерирующего агента. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

Теплообменники смешанного действия

В теплообменнике со смешанным слоем катионная и анионная смолы смешаны в одном сосуде.Когда вода протекает через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные фракции катионов и анионов, как показано на Рисунке 8-12. Смолу отделяют обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола оседает поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь вводится через распределители над слоем смолы. Потоки регенерирующего агента встречаются на границе между катионом и анионной смолой и выходят через коллектор, расположенный на границе раздела смолы.После введения регенерирующего агента и промывки вытеснением для смешивания смол используются воздух и вода. Затем смолы промываются, и установка готова к работе.

Системы противотока и смешанного слоя производят более чистую воду, чем традиционные катионо-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Это особенно актуально для агрегата со смешанной кроватью.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный процесс катион-анион был изменен во многих системах, чтобы уменьшить использование дорогостоящих регенераторов и образование отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабоосновных смол, щелочных отходов с сильным щелочным анионом (для регенерации слабых основных анионитов) и регенерацию части отработанного щелочного раствора для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на Рисунке 8-13.

Декарбонаторы и дегазаторы

Декарбонаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они уменьшают количество щелочи, требуемой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капельки с помощью разбрызгивателей, поддонов или упаковки в декарбонаторе. Затем вода протекает через воздушный поток, идущий в противоположном направлении. Угольная кислота, присутствующая в сточных водах катионов, диссоциирует на диоксид углерода и воду.Двуокись углерода удаляется из воды воздухом, уменьшая нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонну, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает содержание углекислого газа до менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды.Однако вакуумные дегазаторы дороже в приобретении и эксплуатации, чем декарбонаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабые основные смолы

Смолы со слабой функциональностью имеют гораздо более высокую эффективность регенерации, чем их аналоги с сильной функциональностью. Слабокислые катионные смолы, как описано в разделе о дещелачивании, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабые основные смолы обмениваются с анионами минеральных кислот (SO 4 ², Cl, NO 3 ¯) в растворе сильной кислоты.Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрическая, для удаления 1 кг ионов (как CaCO 3 ) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO 3 ). Для сильных смол требуется в три-четыре раза больше регенерирующего средства для того же удаления загрязнений.

Смолы со слабым основанием настолько эффективны, что на практике обычно регенерируют обменник со слабым основанием с помощью части «отработанного» каустика от регенерации смолы с сильным основным анионом.Первая фракция каустика из сильного основного элемента отправляется в отходы, чтобы предотвратить загрязнение слабой основной смолы диоксидом кремния. Оставшийся каустик используется для регенерации слабой основной смолы. Дополнительной особенностью смол со слабой базой является их способность удерживать природные органические материалы, которые загрязняют смолы с сильной основой, и выделять их в процессе регенерации. Из-за этой способности смолы со слабым основанием обычно используются для защиты смол с сильным основанием от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенеранта

Из-за высокой стоимости каустической соды и возрастающих проблем с удалением отходов многие системы деминерализации теперь оснащены функцией регенерации каустической соды.Система регенерации использует часть отработанной щелочи от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. За повторно используемым каустиком следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик утилизируется для использования в следующей регенерации. Обычно серную кислоту не регенерируют, поскольку она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

ПОЛИРОВКА КОНДЕНСАТА

Использование ионного обмена не ограничивается технологической и подпиткой котловой воды.Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызвать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему через утечки конденсатора и уплотнения насоса или унос котловой воды в пар. Очистители конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство полировальных машин для конденсата бумажных фабрик работают при температурах, приближающихся к 200 ° F, что исключает использование анионной смолы.Катионная смола, которая устойчива до температур выше 270 ° F, используется для полировки конденсата в глубоких слоях в этих областях. Смолу регенерируют рассолом хлорида натрия, как в умягчителе цеолита. В ситуациях, когда утечка натрия из полировальной машины отрицательно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или на чистоту воды, оперирующей паром, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Производительность полировальной машины для глубокого слоя (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высока по сравнению с обычным пластификатором.Допускаются высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо и медь в виде твердых частиц удаляются фильтрацией, а растворенные загрязнители уменьшаются путем обмена на натрий или амин в смоле.

Глубокослойный полировщик конденсата на основе катионита регенерируется с использованием 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы таким же образом, как и при традиционной регенерации цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для удаления железа.Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается чуть ниже поверхности слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления вызываются высокими рабочими расходами и содержанием твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам.При полировке конденсата в глубоком слое следует использовать гелеобразную или макросетчатую смолу премиум-класса.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140 ° F, что является максимальной непрерывной рабочей температурой для анионной смолы. Кроме того, поток через установку обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту / фут².

Ионообменные смолы

также используются как часть системы фильтрации предварительного покрытия, как показано на Рисунке 8-14, для полировки конденсата.Смолу измельчают и смешивают с суспензией, которую используют для покрытия отдельных перегородок в сосуде фильтра. Порошковая смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения посредством ионного обмена. Когда фильтрующий материал забивается, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрываются свежей суспензией порошкообразной смолы.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ИОННОГО ОБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, проблемы действительно возникают в системах ионного обмена.Проблемы обычно приводят к низкому качеству сточных вод, сокращению продолжительности обслуживания или повышенному расходу регенерирующего агента. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, продолжительности пробега или расхода регенератора.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких пробегов (Рисунок 8-15) и некачественных стоков (Рисунок 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы деминерализации.Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды оказывают значительное влияние как на продолжительность цикла, так и на качество стоков, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод со временем сильно меняется. Повышение жесткости воды для умягчителя на основе цеолита натрия на 10% приводит к сокращению продолжительности рабочего цикла на 10%. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализации.Для выявления таких изменений необходимо регулярно проводить химический анализ поступающей в ионообменники воды.

Другие причины операционных проблем ионного обмена включают:

  • Неправильная регенерация, вызванная неправильным потоком, временем или концентрацией регенератора. При регенерации ионообменных смол следует соблюдать рекомендации производителя.
  • Каналы, возникающие в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки.Это вызывает преждевременное истощение, даже если большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
  • Загрязнение или разложение смолы из-за некачественного регенерирующего агента.
  • Невозможность удаления диоксида кремния из смолы, что может быть результатом низкой температуры каустической соды регенерирующего агента. Это может привести к повышенной утечке диоксида кремния и сокращению сроков обслуживания.
  • Избыточные примеси в смоле из-за предыдущей работы после истощающих нагрузок. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем предназначено для удаления при обычной регенерации, после продолжительного рабочего цикла требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

Типичные механические проблемы, связанные с системами ионного обмена, включают:

  • Негерметичные клапаны, вызывающие некачественные сточные воды и длительные полоскания.
  • Распределитель сломан или забит, что приводит к образованию каналов.
  • Потери смолы из-за чрезмерной обратной промывки или неисправности фильтра нижнего дренажа или опорной среды.
  • Катионная смола в анионном блоке, вызывающая увеличенное время ополаскивания и утечку натрия в деминерализованную воду.
  • Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. КИПиА в зоне деминерализатора следует регулярно проверять.

ОТРАСИВАНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ СМОЛЫ

Смола может загрязняться загрязнениями, которые препятствуют процессу обмена. На Рисунке 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение.Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем со временем разрушают смолу. Это наиболее частая причина загрязнения и деградации ионообменных систем, которая обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может существовать в воде в виде неорганической соли двух или трехвалентного железа или в виде изолированного органического комплекса. Двухвалентное железо обменивается на смолу, но трехвалентное железо нерастворимо и не растворяется.Трехвалентное железо покрывает катионную смолу, предотвращая обмен. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионный элемент и загрязняет анионную смолу. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в некоторых колодезных водах, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия, возникающего в результате использования алюмината квасцов или натрия при осветлении или смягчении осаждением.Алюминиевый флок, проходящий через фильтры, покрывает смолу умягчителем на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой кислотой или щелочью. Обычно алюминий не является загрязнителем в системе деминерализатора, потому что он удаляется из смолы во время нормальной регенерации.

Осадки твердости . Осадки твердости проходят через фильтр из смягчителя осаждения или образуются после фильтрации путем последующего осаждения. Они осаждают грязные смолы, используемые для размягчения натриевого цеолита.Их удаляют кислотой.

Сульфатные осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в установке с сильным катионом кислоты, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если серная кислота используется в качестве регенерирующего агента, и она вводится при слишком высокой концентрации или слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняя смолу. После образования сульфата кальция его повторно растворить очень трудно; поэтому смолу, загрязненную сульфатом кальция, обычно выбрасывают.Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным замачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария даже менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислоты.

Нефтяное обрастание . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к участкам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу.Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое обрастание. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без технологического потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезному засорению слоя смолы и даже к механическим повреждениям из-за чрезмерного падения давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных установках является проблемой, следует использовать постоянный поток оборотной воды, чтобы минимизировать проблему.В тяжелых условиях может потребоваться применение подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Обрастание кремнезема . Загрязнение кремнеземом может происходить в смолах с сильным основным анионом, если температура регенерирующего агента слишком низкая, или в смолах со слабым основанием, если щелочь, вытекающая из блока SBA, используемого для регенерации элемента со слабым основанием, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH полимеризация диоксида кремния может происходить в смоле со слабым основанием. Это также может быть проблемой в отработанной анионной смоле с сильным основанием.Загрязнение кремнеземом удаляется путем длительного замачивания в теплой (120 ° F) едкой соде.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окисляющие агенты, такие как хлор, разрушают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают сшивки дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения воздействия катионная смола начинает терять свою сферическую форму и жесткость, вызывая ее уплотнение во время эксплуатации.Это уплотнение увеличивает перепад давления в слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора в сырой воде анионная смола не подвергается прямому воздействию, потому что хлор потребляется катионной смолой. Однако расположенные ниже по потоку смолы с сильным основанием на анионе загрязняются определенными продуктами разложения окисленной катионной смолы.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом фильтрацией с активированным углем или сульфитом натрия.Приблизительно 1,8 ppm сульфита натрия требуется для потребления 1 ppm хлора.

Вода, насыщенная кислородом, такая как вода, обнаруженная после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение участков сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Он также ускоряет разложение из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическое разложение происходит, если анионная смола перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100 ° F, и анионных смол с сильным основанием типа II, которые имеют температурный предел 105 ° F в форме гидроксида.

Органическое обрастание

Органическое загрязнение – наиболее распространенная и дорогая форма загрязнения и разложения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживается только небольшое количество органических веществ. Однако поверхностные воды могут содержать сотни миллионных долей природного и антропогенного органического вещества. Природная органика происходит из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплекс тяжелых металлов, таких как железо. Эти загрязнители включают дубильные вещества, дубильную кислоту, гуминовую кислоту и фульвокислоту.

Первоначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Это засорение приводит к длительному окончательному ополаскиванию и снижает способность к расщеплению соли. Поскольку загрязнитель продолжает оставаться на смоле, он начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы к расщеплению солей. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения демонстрирует высокую общую емкость, но пониженную способность к расщеплению солей.На этом этапе очистка от смолы все еще может вернуть некоторую, но не всю потерянную рабочую мощность. Потеря способности расщеплять соли снижает способность смолы удалять кремнезем и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионной смолы свидетельствует цвет сточных вод из анионного блока во время регенерации, который варьируется от чайного до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую проводимость и более низкий pH.

Профилактика . Для уменьшения загрязнения органическими веществами используются, по отдельности или в комбинации, следующие методы:

  • Предварительное хлорирование и осветление.Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью средства для удаления органических веществ.
  • Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность удалять органический материал и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
  • Макропористая смола со слабым основанием перед смолой с сильным основанием. Слабое основание или макропористая смола абсорбирует органический материал и элюируется во время регенерации.
  • Специальные смолы.Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам, программа регулярных проверок и очистки ионообменной системы помогает продлить срок службы анионной смолы. В большинстве процедур очистки используется одно из следующего:

  • Горячий (120 ° F) рассол и каустик. Для улучшения очистки могут быть добавлены мягкие окислители или солюбилизирующие вещества.
  • Кислота соляная.Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
  • Растворы гипохлорита натрия 0,25-0,5%. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно разлагает смолу. Очистка от гипохлорита считается крайней мерой.

Важно очистить смолу с органическими загрязнениями до того, как произойдет чрезмерное необратимое разрушение участков сильного основания. Очистка после того, как произошла необратимая деградация, удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает работу устройства.За состоянием смолы следует внимательно следить, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛ

Для отслеживания состояния ионообменной смолы и определения наилучшего времени для ее очистки необходимо периодически отбирать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровни загрязнения и способность выполнять требуемый ионный обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Следовательно, пробы следует собирать на разных уровнях в слое, либо следует использовать зерновой захват или полую трубу для получения «керновой» пробы.Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенератора и отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, трещин или сломанных шариков. Также необходимо проверить его физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Уровень органических и неорганических загрязняющих веществ в смоле следует определять и сравнивать с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы.Наконец, следует измерить расщепление солей и общую емкость на образцах анионной смолы, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катионов сильной кислоты. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Икс

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула катионной смолы сульфоновой сильной кислоты (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Икс

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Икс

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Икс

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Икс

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Икс

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Икс

Рисунок 8-10. Умягчитель разделенного потока натриевого цеолита / водородного цеолита.

Икс

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Икс

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Икс

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Икс

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Икс

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Икс

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества стоков в двухслойной системе деминерализации.

Икс

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Икс

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Икс

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Икс

Что такое ионообменная смола и как она работает?

Хотя многие из нас слышали об ионообменных смолах (IX), немногие из нас понимают, как на самом деле работает эта технология.Независимо от того, взвешиваете ли вы потенциальные стратегии лечения, ищете способы максимально использовать имеющиеся у вас смолы IX или просто интересуетесь химическим составом IX, вы можете спросить «Что такое ионообменная смола и как она работает?»

Независимо от ваших целей, эта статья поможет вам принять более правильные решения в отношении правильных стратегий очистки воды для вашего предприятия, помогая лучше понять технологию смолы IX и то, как она удовлетворяет различные потребности в очистке и сепарации воды.

Что такое ионообменные смолы?

Ионный обмен – это обратимая химическая реакция, при которой растворенные ионы удаляются из раствора и заменяются другими ионами с таким же или подобным электрическим зарядом. Не являясь химическим реагентом сама по себе, смола IX представляет собой физическую среду, которая облегчает реакции ионного обмена . Сама смола состоит из органических полимеров, которые образуют сеть углеводородов. По всей полимерной матрице расположены центры ионного обмена, где к полимерной сетке прикреплены так называемые «функциональные группы» либо положительно заряженных ионов (катионов), либо отрицательно заряженных ионов (анионов).Эти функциональные группы легко притягивают ионы с противоположным зарядом.

Каковы физические свойства смол IX?

Геометрическая форма, размер и структура смол IX могут варьироваться от одного типа к другому. В большинстве систем обмена IX используется слой смолы, состоящий из крошечных пористых микрошариков, хотя в некоторых системах, например, используемых для электродиализа, используется пластиковая сетка из смолы. Шарики из смолы IX обычно маленькие и сферические, с радиусом всего от 0,25 до 1.Размер 25 миллиметров. В зависимости от области применения и конструкции системы гранулы смолы могут иметь однородный размер частиц или распределение по гауссу по размеру. В большинстве случаев используются шарики из гелевой смолы, которые имеют полупрозрачный вид, обладают высокой емкостью и химической эффективностью. Макропористые смолы, узнаваемые по непрозрачному белому или желтому цвету, обычно используются в сложных условиях, поскольку они обладают сравнительно большей стабильностью и химической стойкостью.

Из чего состоят смолы IX?

Матрица смолы IX образуется путем сшивания углеводородных цепей друг с другом в процессе, называемом полимеризацией.Сшивка придает полимерному полимеру более прочную, более эластичную структуру и большую емкость (по объему). В то время как химический состав большинства смол IX представляет собой полистирол, некоторые типы производятся из акрила (акрилонитрила или метилакрилата). Затем полимерный полимер подвергается одной или нескольким химическим обработкам для связывания функциональных групп с участками ионного обмена, расположенными по всей матрице. Эти функциональные группы – то, что придает смоле IX ее способность к разделению, и они будут значительно различаться от одного типа смолы к другому.К наиболее распространенным составам относятся:

  • Сильные катионообменные смолы (SAC). Смолы SAC состоят из полистирольной матрицы с сульфонатной (SO 3 ) функциональной группой, которая заряжена либо ионами натрия (Na 2+ ) для смягчения, либо ионами водорода (H + ) для деминерализации
  • Слабокислотные катионообменные смолы (WAC). Смолы WAC состоят из акрилового полимера, который был гидролизован серной кислотой или каустической содой с образованием функциональных групп карбоновых кислот.Из-за их высокого сродства к ионам водорода (H + ) смолы WAC обычно используются для селективного удаления катионов, связанных с щелочностью.
  • Сильноосновные анионообменные смолы (SBA). Смолы SBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию и аминированию для фиксации анионов на сайтах обмена. Смолы SBA типа 1 получают путем применения триметиламина, который дает хлорид-ионы (Cl ), а смолы SBA типа 2 получают путем применения диметилэтаноламина, который дает гидроксид-ионы (OH ).
  • Смолы со слабым основанием анионного обмена (WBA). Смолы WBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию с последующим аминированием диметиламином. Смолы WBA уникальны тем, что они не содержат обменных ионов и поэтому используются в качестве поглотителей кислоты для удаления анионов, связанных с сильными минеральными кислотами.
  • Хелатирующие смолы. Хелатирующие смолы являются наиболее распространенным типом специальных смол и используются для селективного удаления некоторых металлов и других веществ.В большинстве случаев матрица смолы состоит из полистирола, хотя для функциональных групп используются различные вещества, в том числе тиол, триэтиламмоний, аминофосфоний и многие другие.

Как работает ионообменная смола?

Чтобы полностью понять, как работают смолы IX, важно сначала понять принципы реакции ионного обмена. Проще говоря, ионный обмен – это обратимый обмен заряженных частиц (или ионов) на частицы с таким же зарядом. Это происходит, когда ионы, присутствующие в матрице нерастворимой смолы IX, эффективно меняются местами с ионами аналогичного заряда, которые присутствуют в окружающем растворе.

Смола IX действует таким образом благодаря своим функциональным группам, которые по существу представляют собой фиксированные ионы, которые постоянно связаны в полимерной матрице смолы. Эти заряженные ионы будут легко связываться с ионами противоположного заряда, которые доставляются путем нанесения раствора противоиона. Эти противоионы будут продолжать связываться с функциональными группами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Во время цикла IX обрабатываемый раствор добавляется к слою смолы IX, и ему дают возможность течь через шарики.По мере прохождения раствора через смолу IX функциональные группы смолы притягивают любые противоионы, присутствующие в растворе. Если функциональные группы имеют большее сродство к новым противоионам, чем те, которые уже присутствуют, то ионы в растворе вытеснят существующие ионы и займут их место, связываясь с функциональными группами посредством общего электростатического притяжения. В общем, чем больше размер и / или валентность иона, тем большее сродство он будет иметь с ионами противоположного заряда.

Давайте применим эти концепции к типичной системе умягчения воды IX. В этом примере механизм размягчения состоит из катионообменной смолы, в которой сульфонат-анионные функциональные группы (SO 3 ) закреплены на матрице смолы IX. Затем на смолу наносят раствор противоиона, содержащий катионы натрия (Na + ). Na + удерживаются на фиксированных анионах SO 3 за счет электростатического притяжения, что приводит к чистому нейтральному заряду в смоле.Во время активного цикла IX к катионообменной смоле добавляется поток, содержащий ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ). Поскольку функциональные группы SO 3 имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к ионам Na + , ​​ионы жесткости вытесняют ионы Na + , ​​которые затем вытекают из блока IX как часть обработанный поток. С другой стороны, ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ) удерживаются смолой IX.

Что такое регенерация смолы?

Со временем ионы примесей связываются со всеми доступными центрами обмена в смоле IX. Когда смола исчерпана, ее необходимо восстановить для дальнейшего использования с помощью так называемого цикла регенерации. Во время цикла регенерации реакция IX по существу обращается вспять за счет применения концентрированного регенерирующего раствора. В зависимости от типа смолы и области применения регенерирующим агентом может быть раствор соли, кислоты или каустика.По мере продолжения цикла регенерации смола IX выделяет ионы загрязняющих веществ, заменяя их ионами, присутствующими в растворе регенерации. Ионы загрязняющих веществ будут выходить из системы IX как часть выходящего потока регенерирующего агента, и их необходимо будет надлежащим образом отвести. В большинстве случаев смолу промывают для удаления остатков регенерирующего агента перед следующим активным циклом IX.

Чем может помочь SAMCO

SAMCO обладает более чем 40-летним опытом в определении подходящих технологий смол IX, которые помогают снизить затраты и объемы отходов при одновременном повышении качества продукции.Для получения дополнительной информации или связи, свяжитесь с нами здесь, чтобы назначить консультацию с инженером или запросить ценовое предложение. Мы поможем вам разработать правильное решение и реалистичную стоимость для вашей системы очистки IX.

Чтобы узнать больше об инновационных решениях SAMCO на основе смол IX, посетите нашу страницу о технологиях ионообменных смол здесь.

Если вы хотите узнать больше об ионообменных смолах, эти статьи могут вас заинтересовать:

Очистка питьевой воды – Установки катионного обмена – Питьевая вода и здоровье человека

ЭФФЕКТИВНО ПРОТИВ: положительно заряженных ионов, таких как железо, магний, кальций или марганец.

НЕ ЭФФЕКТИВНО ПРОТИВ: Отрицательно заряженные ионы, такие как нитраты, бикарбонат, сульфат, селен и некоторые соединения мышьяка.

Ионный обмен


Ионный обмен заменяет нежелательные минералы в воде на менее нежелательные. Обмен происходит в резервуаре, заполненном специальным ионообменным материалом – либо коммерческой смолой, которая представляет собой нефтехимическое соединение в форме шариков, либо синтетическим цеолитом, который представляет собой кристаллический состав алюминатов и силикатов.

Подходящий обменный материал для использования зависит от качества неочищенной воды и желаемого качества воды. Некоторые обменные материалы разрушаются в присутствии хлора или других окислителей. Цеолиты лучше снижают концентрацию железа и марганца, чем промышленные смолы.

Обычно обменный материал готовят, подвергая гранулы воздействию солевого раствора. Когда неочищенная вода проходит через устройство, нежелательные ионы обмениваются на ионы на обменном материале.

Два типа ионообменных устройств – это устройства для смягчения воды и устройства для анионного обмена. Умягчители воды удаляют катионы (положительно заряженные ионы, такие как кальций и магний) и заменяют их натрием. Анионообменные устройства удаляют анионы (отрицательно заряженные ионы, такие как мышьяк и нитрат) и заменяют их хлоридом.

Ионообменные установки со смешанной средой удаляют как катионы, так и анионы. Типичная смесь будет состоять на 60 процентов из катионообменного материала и на 40 процентов из анионообменного материала.Обычно агрегаты необходимо регенерировать на центральном перерабатывающем заводе. Двухслойные деионизаторы, в которых используются отдельные сосуды для катионов и анионов, могут быть промыты обратной промывкой для удаления захваченных частиц.

Умягчение воды (катионный обмен)


Умягчители воды – наиболее широко используемые домашние устройства для очистки воды. Они удаляют минералы, образующие накипь на водонагревателях и мыльную пленку на раковинах. Умягчение воды иногда называют кондиционированием воды.

Использование устройств для смягчения воды


Устройства для смягчения воды уже давно используются в отрасли водоподготовки.Таким образом, технология хорошо развита и в большинстве случаев хорошо работает для снижения уровня твердости. Умягчители – это линейные устройства для удаления твердых минералов. Умягчители также удаляют барий, радий и небольшие количества растворенного железа и марганца.

Как работает катионит


Умягчители воды состоят из коррозионно-стойкого резервуара, заполненного шариками смолы, насыщенной натрием. Смола предпочитает кальций и магний (основные компоненты жесткости) натрию.Когда вода проходит через гранулы, высвобождается натрий, а на гранулах смолы адсорбируются кальций и магний. Распределитель распределяет неочищенную воду по смоле. Это гарантирует, что вся неочищенная вода контактирует с обменным материалом вместо того, чтобы проходить через колонку напрямую без контакта.

Емкость водоумягчителей


Умягчители воды могут обрабатывать всю воду в доме или только воду, идущую к водонагревателю. Перед установкой умягчителя рассмотрите предлагаемые варианты использования очищенной воды.В некоторых случаях следует смягчать только горячую воду, чтобы уменьшить образование накипи в водонагревателе и трубах горячей воды. В других случаях воду, используемую только для мытья, купания и стирки, следует смягчить, чтобы предотвратить образование пленок моющего средства. Воду, используемую для питья, приготовления пищи и использования на открытом воздухе, не следует смягчать. Туалетную воду следует смягчать только в том случае, если смягчитель используется для удаления низкого содержания железа, которое может вызвать появление пятен. Подобрать оптимальную схему установки для конкретного дома может водопроводчик или специалист по очистке воды.

Подходящий размер умягчителя зависит от уровня жесткости, ежедневного расхода воды и расхода.

Техническое обслуживание систем умягчения воды


Когда в умягчителе заменен весь доступный натрий, его необходимо регенерировать. В этом процессе рассол пропускается через слой, чтобы высвободить адсорбированные ионы кальция и магния из смолы и восстановить натрий в смоле. Освободившиеся ионы уносятся сточными водами. Распределитель предотвращает вымывание смолы из смягчителя.

Процесс регенерации может быть ручным, полуавтоматическим или полностью автоматическим. Ручные системы требуют, чтобы домовладелец инициировал циклы регенерации и ополаскивания, а также возобновил работу. В полуавтоматических системах домовладельцы должны инициировать цикл регенерации, но умягчитель контролирует все остальное. Полностью автоматические умягчители оснащены таймером, который автоматически запускает цикл регенерации и каждый последующий шаг; регенерация обычно проводится в период низкого расхода.

Четвертый тип регенерации, регенерация по запросу (DIR), автоматически регенерирует умягчитель. Система инициирует регенерацию на основе использованных галлонов воды, изменения электропроводности слоя смолы или изменения жесткости очищенной воды.

Хлорид калия можно использовать вместо хлорида натрия, чтобы избежать повышенного уровня натрия в умягченной воде. Однако хлорид калия дороже, и его труднее найти, чем хлорид натрия.Кроме того, калий сильнее прилипает к смоле, поэтому он может снизить эффективность обмена. Промышленность по очистке воды рассматривает хлорид калия как возможную замену хлориду натрия, когда последний не разрешен по причинам, связанным со здоровьем или окружающей средой. Считается, что хлорид калия не во всех ситуациях может заменить хлорид натрия.

Регенерация не восстанавливает полностью обменную способность смолы, поэтому эффективность пластификатора будет постепенно снижаться.Израсходованную смолу следует заменить. Другая альтернатива – попросить специалистов по водоочистке дать рекомендации по улучшению обменной способности с помощью сильного раствора кислоты или основания.

Осадок может забивать обменную смолу, форсунки и отверстия в пластификаторах и снижать эффективность регенерации. Чтобы предотвратить накопление осадка, предварительно обработайте воду для удаления мутности, отложений или частиц железа, марганца или серы.

Загрязнение железом – серьезная проблема для умягчителей воды. Умягчители воды удаляют растворенное железо, но как только это железо подвергается воздействию воздуха или хлора, оно окисляется и образует твердое вещество, которое удерживается умягчителем.Если мягчитель загрязняется железом, имеющиеся в продаже продукты, содержащие гидросульфит натрия или полифосфаты, эффективно очищают смолу. Важно отметить, что использование фосфатов запрещено в штатах, граничащих с Великими озерами, и может быть запрещено в других регионах. Проконсультируйтесь с местным отделом здравоохранения для получения информации о возможных местных правилах.

Поскольку сильно загрязненный обменный материал трудно очистить, профилактика – лучшая процедура обслуживания. Чтобы уменьшить или помочь предотвратить загрязнение железом, фильтры предварительной очистки могут удалять частицы железа перед размягчением.Другой вариант – использовать солевые соединения, содержащие химические вещества для очистки железа. Эти соединения коммерчески доступны и очищают обменный слой при каждой регенерации.

Слизь, например, железобактерии, иногда образуется в пластификаторах. Чтобы предотвратить накопление, дезинфицируйте воду перед тем, как она попадет в умягчитель. Если вы используете хлор для дезинфекции, помните, что хлор окисляет железо до твердого состояния, что может привести к его загрязнению. Если это произойдет, используйте фильтрацию в дополнение к хлорированию, прежде чем вода попадет в умягчитель.Хлорамин также дезинфицирует обменный материал и оказывает меньшее воздействие на смолу, чем хлорный отбеливатель. Проконсультируйтесь со специалистом по очистке воды.

Сероводород, ядовитый газ, является проблемой для умягчителя, только если сероводород смешивается с железом, марганцем или медью. В результате реакции образуется черный осадок сульфида металла. В этом случае удалите сероводород до контакта воды с обменным материалом. Обычные очистители-кондиционеры не очистят слой, загрязненный сероводородом; вместо этого следует использовать соляную кислоту.Однако обсудите этот вариант со специалистом по очистке воды, прежде чем принимать меры по очистке от сероводорода.

Особенности умягчения воды


Регенерация создает дополнительную гидравлическую нагрузку на септическую систему. Для регенерации умягчителя требуется около 50 галлонов воды. В некоторых штатах запрещается сбрасывать рассол в канализацию на территории. Соблюдайте осторожность при утилизации регенерирующей воды из умягчителя, используемого для удаления радия, поскольку вода радиоактивна.Обратитесь к местным органам здравоохранения за информацией о местных правилах.

Смягчать воду – вопрос личных предпочтений. Хотя умягчение действительно уменьшает отложения в водонагревателях и других компонентах водораспределительной системы, оно также добавляет в воду натрий. Количество добавляемого натрия невелико по сравнению с солью в типичном ежедневном рационе. Тем не менее, люди, соблюдающие диету с низким содержанием натрия, должны проконсультироваться с врачом перед употреблением смягченной воды. При необходимости добавленный натрий можно удалить из кухонного крана для питья и приготовления пищи с помощью системы обратного осмоса.

Вопросы, которые следует задать перед покупкой


Перед покупкой устройства для очистки воды протестируйте воду в государственной сертифицированной лаборатории, чтобы определить наличие загрязняющих веществ. Это поможет вам определить, является ли катионообмен эффективным методом лечения в вашей ситуации. Дополнительные сведения см. В разделе «Вопросы, которые следует задать перед покупкой системы очистки воды».

По материалам:
Wagenet, L., K. Mancl, and M. Sailus. (1995). Очистка воды в домашних условиях .Северо-восточная региональная сельскохозяйственная инженерная служба, пристройка кооператива. НРАЭС-48. Итака, штат Нью-Йорк.

Катионообменные смягчители воды | WaterSense

Катионообменные смягчители воды удаляют ионы кальция и магния, содержащиеся в жесткой воде, заменяя их ионами натрия (или калия). Как только все ионы полностью заменены, устройство для смягчения воды проходит процесс регенерации, чтобы очистить систему от избыточных ионов и пополнить ее новыми ионами натрия.

Почему спецификация?

В процессе регенерации может использоваться 25 или более галлонов воды в день или до 10 000 галлонов в год.Однако недавние усовершенствования в технологии умягчения воды снизили потребление воды и продемонстрировали большой потенциал экономии воды. WaterSense считает, что есть возможность извлечь выгоду из этой возможности экономии воды, повысить осведомленность потребителей и еще больше повысить эффективность умягчителей воды.

Уведомление о намерениях

В ноябре 2010 года WaterSense опубликовала уведомление о намерении (NOI) разработать проект технических условий для водосберегающих, высокопроизводительных катионообменных смягчителей воды.В NOI указаны критерии эффективности и производительности, над определением которых работает WaterSense, а также технические проблемы, которые еще предстоит решить, связанные с этой категорией продуктов.

19 января 2011 г. EPA провело открытое собрание, чтобы обсудить вопросы, касающиеся NOI, и собрать информацию от заинтересованных сторон для разработки спецификации. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь со следующими документами:

Статус

WaterSense не продолжает разработку проекта спецификации для смягчителей воды, потому что необходимо дополнительно изучить озабоченность, высказанную некоторыми заинтересованными сторонами в отношении влияния сброса смягчителя воды на очистку сточных вод.WaterSense призывает все заинтересованные стороны вносить свой вклад по любому из вопросов, представленных в NOI, и проинформирует заинтересованные стороны, если программа решит продолжить разработку спецификации в будущем. Если у вас есть комментарии или предложения по процессу разработки спецификации катионообменного смягчителя воды, свяжитесь с нами по адресу [email protected]

Что такое ионный обмен | Пуролит

Ионный обмен – это метод обеззараживания и очистки воды, помогающий удалить из воды нежелательные соединения.

В юном возрасте мы узнаем, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но с водой все гораздо сложнее. В каждой капле воды содержатся минералы и другие вещества, которые усиливают химические и физические свойства каждой капли, включая (но не ограничиваясь) вкус и запах. Некоторыми примерами являются кальций, магний, железо, марганец, натрий, водород, хлорид, сульфат, нитрат, гидроксид и диоксид кремния. Хотя они растворены и не видны невооруженным глазом, эти соединения существуют в воде в виде ионов.

Ионы этих молекул обладают электрическим зарядом. Ионы с положительным зарядом называются катионами, а ионы с отрицательным зарядом – анионами. Например, натрий и водород имеют положительные заряды (Na + ) (H + ), тогда как хлорид и гидроксид имеют отрицательные заряды (Cl ) (OH ). Электрический заряд определяет, как ионы удаляются из воды.

Катионы (положительно заряженные соединения) удаляются с помощью катионообменных смол, а анионы (отрицательно заряженные соединения) удаляются с помощью анионообменных смол.

Эти ионообменные смолы состоят из нерастворимых полимерных шариков, имеющих «функциональную группу», которая притягивает ионы противоположного заряда. У каждой кровати есть много функциональных участков, которые расположены по всему периметру, от поверхности до глубины внутри.

Например, Purolite ® C100 представляет собой шарик ионообменной смолы с отрицательно заряженными сульфоновыми функциональными группами. Эти отрицательно заряженные группы будут притягивать катионы, чтобы оставить нейтральный заряд, и обычно поставляются либо в форме водорода (H + ), либо в форме натрия (Na + ).

Шарик ионообменной смолы будет предпочитать одни катионы другим в зависимости от размера иона, а также того, имеет ли он один положительный заряд (одновалентный) или двойной положительный заряд (двухвалентный). Более селективные частицы вытеснят существующие ионы, которые находятся на смоле, и отправят их в сточные воды.

Почему мы хотим это сделать? Иногда важно удалить из воды нежелательные элементы, такие как жесткость (также называемая умягчением), или удалить регулируемые загрязнители (из питьевой или технической воды).Также бывают случаи, когда все ионы (как положительные, так и отрицательные) необходимо удалить из воды с помощью процесса, называемого деминерализацией.

Анализ химического состава воды помогает определить, какие ионы присутствуют в воде, что затем определяет, какие ионы необходимо удалить из воды и какой метод ионообменной очистки воды будет использоваться.

Метод ионного обмена является обратимым посредством процесса, известного как регенерация.

В приведенном выше примере C100, если для удаления кальция вводится высокая концентрация ионов натрия, гранулы смолы снова переходят в натриевую форму.Этот процесс замены и регенерации – вот как работает обычный умягчитель воды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *