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.
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.
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 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:
- Взрыхление/обратная промывка – длится примерно 10-15 минут и имеет целью взрыхлить уплотнившиеся слои катионита и удалить принесенные взвешенные вещества;
Пропуск регенерационного раствора – процесс восстановления замещенных ионов Na + на ионы Ca 2+ и Mg 2+ .
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 Ca 2+ и Mg 2 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 Mg 2+ . 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.
источник
Промышленность сегодня достигла такого высокого уровня развития, что производить качественные товары нужно продуманно, тщательно подбирая, что материалы, что оборудование. В данном случае речь идет о качестве воды. Это раньше люди не особенно разбирались мягкая вода или жесткая, какие примеси содержит тот или иной вид чугуна или стали. Сегодня же даже паровые турбины должны работать на мягкой воде, так они просто прослужат дольше, и выработка электроэнергии будет проходить с меньшими потерями. И хотя натрий катионитовые фильтры, это не последнее слово в сфере умягчения, а, тем не менее, они по-прежнему создают конкуренцию другим фильтрующим установкам.
Из всех отраслей самой водозависимой является отопительная. Пусть и топить в домах нужно не круглый год, но, тем не менее, подавать горячую воду в дома потребителей нужно круглогодичо. И вот с этого момента начинаются проблемы. Использовать в котельной неочищенную воду означает сократить работу котла, как миниму на треть, а то и больше. Хотя всем давно известно, что вода по умолчанию может быть мягкой, но таких районов на земле не так много. А потому, умягчение воды в быту и промышленности – это не просто прихоть, это реальная экономия, без которой в современных условиях очень сложно обойтись.
Что дает мягкая вода котельной?
Экономия от использования мягкой воды
Отопление и водоснабжение
Сокращение расхода элекэнергии
Увеличение срока службы котла
Сокращение расходов на обслуживание котла
Сокращение расходов на средства по очистке котла накипи
Но самым большим достижением от применения умягчения можно считать значительное снижение риска взрыва котла. Чем больше нарост накипных отложений на стенках котла, тем выше риск перегревания. Накипь ведь работает исключительно, как блокатор передачи тепла. И потому нагревая воду неочищенную, в котле образуется корка, которая постепенно блокирует передачу тепла в воду. При этом весь нагрев должен где-то оставаться. И он действительно остается. Внутри металла. Таких постоянных нагрузок не вынесет даже самый закаленный металл. Потому раньше, до того, как воду научились умягчать, случаи взрывов в котельных были далеко не редкими. Используя мягкую воду, главный инженер производства получает, прежде всего, безопасность.
Залогом надежной работы котла может быть либо чистая внутренняя его поверхность, либо использование мягкой воды. Постоянные чистки достаточно трудоемки и далеко недешевы. Впрочем, и поверхности бытовых и промышленных котлов от постоянных чисток ровность и гладкость не сохранят. Что собственно и сокращает срок службы. Т.к. в новые царапины накипь набивается быстрее, и устранить такие наросты сложнее.
Умягчать же воду в быту и промышленности можно по-всякому. Для умягчения воды можно использовать ионообменные умягчители воды. Принцип работы натрий катионитовых фильтров основывается на следующих постулатах:
- Лучше потратить средства на засыпку в умягчитель, чем на чистящее средство для устранения накипи;
- Лучше поставить ионообменный фльтр, чем обойтись без умягчения;
- Для питьевой воды лучше умягчения не найти.
Натрий катионитовые фильтры работают на том же ионообменном принципе. Что собой представляет такая установка? Это большой цилиндр, сверху и снизу которого установлены полусферы, в качестве днищ. Внутрь такого днища закладывают ионообменную смолу или катионит. В его качестве могут применять – сульфоуголь, универсальный катионит. При надобности наполнителем могут стать и другие ионообменные материалы.
Что собой представляет тот же сульфоуголь? Это антроцит, предварительно раздробленный. Перед использованием его протравливают серной кислотой. Универсальный катионит продукт исключительно химических реакций. Он, конечно дороже сульфоугля, но он и экономичнее. Обменная способность у него гораздо выше, да и устойчивость к высоким температурам намного выше. Для удешевления рекомендуют использовать смесь сульфоугля и универсального катионита.
Под засыпкой расположен дренаж, внутри которого спрятан коллектор. К коллектору привинчено большое количество труб, на концах которых есть штуцеры. Такое устройство натрий катионитовых фильтров позволяет равномерно распределить проходящую воду. И это же позволяет застраховаться от чрезмерного вымывания катионита из устройства. Место между катионитом и дренажем заливают бетоном, чтобы жидкость не задерживалась. Сверху цилиндра расположен распределитель. Это может быть крестовина или кольцевая труба. Такой распределитель гарантирует равномерное наполнение фильтра водой.
Для того, чтобы обслуживающий персонал понимал, что происходит внутри умягчающей установки на крышке фильтра смонтированы стеклянные, прозрачные люки. Дополняют установку провода. Один подает неочищенную воду, второй подает соляной раствор, третий выводит мягкую воду. Обязательно в такой установке есть места для отбора проб, что для необработанной воды, что для уже умягченной.
Вот так вкратце выглядит устройство натрий катионитового фильтра для умягчения воды в быту или же промышленности. Стандартный фильтр — ничего сложного! Достаточно громоздкий, но любой катионитовый фильтр таким и будет. Конечно, на регенерацию такого фильтра так же будут уходить и деньги, и время. Но зато вода будет точно такой, какая требуется.
В катионитовой установке обойтись без системы автоматической регенерации невозможно. Потому любой натрий катионитовый фильтр ФИПА снабжается мерным солевым баком. Соль для регенерации катионита может храниться в таком баке, либо в мокром виде, либо в сухом. То есть это могут быть таблетки, а может быть готовый соляной раствор. Для последнего вида растворителя, мерный бак производят в виде цилиндра с загрузочным отверстием через крышку. Дренаж располагается в днище. Доступ к нему перекрывают несколькими гравийными слоями. Это нужно для того, чтобы при сливе накопившегося осадка, соль очистилась от примесей ненужных. Соль засыпают в такой бак на определенный уровень, потом добавляют воду. Полученный раствор по мере необходимости добавляют в системы умягчения.
Работает подобный фильтр на ионообменном принципе. Всего работу можно образно разделить на четыре больших этапа. Это собственно умягчающий этап, перетряска катионной засыпки, регенерация и этап отмывания.
Что собой представляет каждый из этих этапов работы умягчающего фильтра? Любой катионит, который используют в ионных процессах, перенасыщен натрием по умолчанию. Воду подают в установку, она медленно просачивается через катионную засыпку. При этом происходит обмен. Соли известковости остаются в слое катионита, поменявшись местами с натрием, который уходит в мягкую воду. Данный процесс идет ровно до тех пор, пока катионит содержит натрий. Как только натрий заканчивается обменные процессы прекращаются, и наступает время регенерации (см. рис 1).
Главное назначение данной схемы — вернуть фильтру умягчающую силу. Как этого достигнуть? Вернуть прибору первоначальную умягчающую способность можно в три этапа. Это помогает хорошо разрыхлить засыпку. Перетрушенный катионит лучше впитает в себя натрий. Да и грязь вымыть поможет такой пропуск воды в обратном направлении. Богатый солью раствор помогает легко заменить натрий на соли кальция и магния. Загрязненная вода сливается в дренаж, а катионит вновь готов умягчать воду, ведь первоначальное количество натрия вновь восстановлено.
И закрепляется все это этапом отмывки. Под ним понимают промывку системы водой, для того, чтобы вымыть из катионита остатки лишней соли и грязи. Чтобы система полностью была готова к работе. На этом последнем этапе делают забор проб воды. Когда анализ таких проб показывает, что вода достигла оптимальных показателей, прибор можно запускать в работу.
В котельных натрий катионитовые фильтры ФИПА для улучшения качества умягчения и для повышения надежности используют не один этап очищения, а два. Первый делает воду мягкой до уровня двести микрограмм, а уже второй этап рассчитывают так, чтобы довести воду до того уровня умягчения, который необходим.
Может в систему добавляться еще одну схему, который называется деаэрация или дегазация. Его используют в паровых котельных или в тех отраслях, где нужна сверх очищенная вода или качественный пар без примесей.
На том же обменном принципе работы действует простейший умягчитель, который сегодня можно легко найти во многих квартирах. Это фильтр-кувшин. Тоже своего рода мини катионитовый фильтр ФИПА. И все минусы, свойственные для такого фильтра, переносятся и на большие промышленные установки. Если решите купить такой фильтр, то знайте, цена очень «кусается». Единственный фактор, который их спасает и помогает до сих пор оставаться на плаву – очень высокое качество умягчения, которое к тому же можно регулировать, просто добавляя или удаляя определенное количество катионита.
Большой недостаток такой схемы умягчения воды – постоянная необходимость восстанавливать способность катионных смол к умягчению и постоянная необходимость, спустя определенный период времени полностью регенерировать засыпку. То есть данный вид умягчения громоздок, затратен, но с высоким качеством выхода. И при малом количестве воды, которое теряется при очистке. Тот же обратный осмос таким фактом похвастаться не может, там почти сорок процентов проходящей через систему воды уходит в никуда. Т.к. слишком много воды сливается в канализацию. Да и процесс умягчения протекает очень медленно. И нужен постоянно подключенный насос, чтобы нагнетать в установке обратное давление.
Таким образом, фильтр натрий катионитовый , работающий на катионите, может эксплуатироваться в котельной. Но при современном развитии очистительной отрасли, данные устройства не выдерживают конкуренции. И все больше уступают место в той же теплоэнергетике электромагнитным установкам. Но при условии, что вода требуется не питьевая. В обратном случае, катиониты опережают любые другие способы получить питьевую воду.
источник
Технология умягчения воды на основе ионного обмена, а именно, на основе Натрий-катионирования основывается на химических реакциях обмена ионами – т.е. одни ионы (в нашем случае – ионы, формирующие жесткость воды – Кальций, Магний) извлекаются из воды, а взамен их в воду «добавляются» ионы замещения. В случае с использованием Na-катионирования такими «замещающими» ионами становятся ионы Натрия, не вызывающие эффекта «накипеобразования».
В виде набора химических реакций этот процесс можно выразить следующим образом:
(R в контексте рассматриваемых химических реакций представляет собой комплекс катионита, упрощенно называемый анионитной частью катионита) можно представить в виде следующих уравнений:
— 2NaR+ Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3– где гидрокарбонат кальция в процессе обмена преобразуется в гидрокарбонат Натрия с фиксацией ионов кальция в матрице ионообменного материала;
— 2NaR+ Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3– где гидрокарбонат магния в процессе обмена преобразуется в гидрокарбонат Натрия с фиксацией ионов магния в матрице ионообменного материала;
— 2NaR+ CaCl2 ↔ CaR2 + 2NaCl– где аналогичным образом происходит замещение хлорида кальция на хлорид натрия;
— 2NaR+ MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4– где сульфат магния преобразуется в сульфат натрия;
— 2NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3– где силикат кальция преобразуется в силикат натрия.
Уравнения обменных реакций с солями MgCl2, CaSO4 и MgSiO3 аналогичны приведенным уравнениям. Ионы, которые участвуют в реакциях обмена: Na + , с одной стороны, и Ca 2+ ; Mg 2+ , с другой стороны, называются противоионами.
Реакции ионного обмена обратимы.
Это один из важнейших принципов, на которых строится работа фильтров – умягчителей, в которых используется ионообменный материал. Суть обратимости процесса лежит во многократной возможности протекания реакций замещения.
По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных в матрице катионита, возрастает, то есть емкость катионита «истощается». Поэтому при возрастании в воде концентрации ионов натрия по сравнению с остающимся количеством ионов кальция и магния, процесс поглощения ионов Ca 2+ и Mg 2+ из воды замедляется, и равновесие реакций начинает сдвигаться в левую сторону. Это может привести к «проскоку» «сырой», не умягченной воды в фильтрат.
Чтобы этого избежать, следует провести регенерацию ионообменной смолы – пропустить через слой катионита реагент, который восстановит обменную емкость катионита – раствор хлорида натрия. На практике, раствор хлорида натрия, представляет собой насыщенный раствор пищевой (поваренной) или технической очищенной соли, с плотностью раствора, примерно равной 1,13.
Выбор хлорида натрия в качестве реагента для регенерации катионита процесса Na-катионирования не был случайным. Прежде всего, он привлекает своей доступностью и относительной дешевизной. Кроме того, основные продукты регенерации катионита (соединения, возникающие в процессе пропускания насыщенного раствора хлорида натрия через ионообменный материал) – это соли CaCl2, MgCl2, которые являются веществами, хорошо растворимыми в воде. Это их выгодно отличает, например, от СаСО3 (если бы регенерация проводилась карбонатом натрия (Na2CO3)) или CaSO4 (если бы регенерация проводилась сульфатом натрия (Na2SO4)).
Процесс регенерации катионита может быть представлен следующим образом:
— MgR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Mg 2+ — аналогичный процесс замещения, происходящий с ионами магния.
Таким образом, технология ионного обмена для умягчения воды представляет собой двунаправленный процесс, где сначала осуществляется замещение ионов кальция и магния, содержащихся в сырой (исходной) воде на ионы натрия, содержащиеся в матрице катионита. Далее, во время регенерации, осуществляется обратный процесс замещения -«перезарядка катионита», а продукты регенерации в виде соединений хлоридов кальция и магния – вымываются вместе с регенерирующим раствором в дренаж. После регенерации фильтры-умягчители полностью восстанавливают свои свойства.
Учитывая эффективность и технологичность используемых НПП «Национальный центр водных технологий» ионообменных материалов, срок их службы составляет, в среднем, от 4 до 7 лет, после чего необходимо осуществить замену катионита.
Факторы, влияющие на эффективность работы технологии.
При построении систем умягчения воды важно понимать, что на эффективность работы таких систем оказывают влияние несколько факторов, таких как:
— водородный показатель воды (рН);
— общие органолептические характеристики воды, такие как цветность и мутность;
— наличие в воде соединений железа и органики.
Влияние общей минерализации на эффективность работы системы умягчения.
При построении комплексов умягчения воды важно учитывая общую минерализацию исходной воды, а также ее общий ионный состав.
При увеличении минерализации обрабатываемой воды (а увеличение идет, в основном, за счет увеличения содержания в воде натрия), получение глубокоумягченной воды традиционным Na-катионированием (в том числе даже двухступенчатым) становится все более проблематичным.
При проведении процессов умягчения и регенерации следует учитывать действие так называемых противоионов. Противоион – это тот ион, который вытесняется из ионита, то есть в умягчаемой воде ион Na + , а в регенерационном растворе — ионы Са 2+ , Mg 2+
Проблема эффективности протекающих ионообменных процессов вызвана тем, что с ростом концентраций натрия в исходной воде и фильтрате, вступает в силу Закон действующих масс – повышение концентрации в воде иона, содержащегося в катионите (продукта реакции), согласно этому закону, тормозит реакции умягчения воды или регенерации катионита.
Следовательно, чем выше минерализация исходной воды, которая, чаще всего, сопровождается увеличением концентрации ионов натрия, тем больше концентрация ионов натрия в умягченной воде (за счет переноса ионов натрия с матрицы катионита в фильтрат после закрепления на матрице ионита ионов кальция и магния) и, следовательно, выше противоионный эффект, что приводит к увеличению остаточной жесткости фильтрата.
Концентрация противоиона определяется не только начальным содержанием иона натрия в исходной воде, но и тем количеством натрия, которое будет вытеснено из катионита в процессе обмена на ионы жесткости – кальция и магния. Следствием этого становится проскок ионов кальция и магния в фильтрат, что ведет к недостаточной эффективности работы фильтров-умягчителей.
Таблица 1.Ориентировочные значения жесткости воды после натрий-катионирования в зависимости от минерализации исходной воды, при условии, что минерализация формируется за счет роста содержания ионов натрия.
источник
Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Различают временную жёсткость, образованную гидрокарбонатами и постоянную жёсткость, вызванную присутствием других солей.
Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде; диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.
Известно, что важнейшей характеристикой пресной воды является её жесткость. Под жесткостью понимают количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция или магния в 1 л воды. 1 мг÷экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Mg2+. По степени жесткости питьевую воду делят на очень мягкую (0–1,5 мг÷экв/л), мягкую (1,5–3 мг÷экв/л), средней жесткости (3–6 мг÷экв/л), жесткую (6–9 мг÷экв/л) и очень жесткую (более 9 мг÷экв/л). Наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6–3,0 мг÷экв/л, а, согласно СанПиН 2.1.4.1116–02, физиологически полноценная вода должна содержать солей жесткости на уровне 1,5–7 мг÷экв/л. Однако при жесткости воды выше 4,5 мг÷экв/л происходит интенсивное накопление осадка в системе водоснабжения и на сантехнике, нарушается работа бытовых приборов. Обычно умягчение проводят до остаточной жесткости 1,0–1,5 мг÷экв/л, что соответствует зарубежным нормативам по эксплуатации бытовой техники. Вода, имеющая жесткость ниже 0,5 мг÷экв/л является коррозионно-активной по отношению к трубам и котлам, способна вымывать отложения в трубах, накапливающиеся при долгом застаивании воды в системе водоснабжения. Это влечет за собой появление неприятных запаха и вкуса воды.
Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде; диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.
Выбор метода умягчения определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями, представленными в таблице снизу.
Умягчение воды натрий-катионирование — процесс извлечения из воды ионов жесткости — кальция и магния и замена их на ионы натрия.
Кальций и магний составляют жесткость воды, следовательно, после их извлечения вода умягчается.
Ионы натрия находятся непосредственно в смоле (засыпке). В процессе работы установки происходит обмен ионами, натрий поступает в воду, а кальций и магний — в смолу. По истечении некоторого времени смолу необходимо регенерировать, т.е. восстановить ее свойства. Для этого через нее пропускают раствор поваренной соли, и происходит обратный процесс — натрий насыщает смолу, а кальций и магний поступают в раствор, который после сливается.
При пропуске воды сверху вниз 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: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са+2 и Мg+2 и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Рабочую обменную емкость фильтра Ер г÷экв/ м3, можно выразить так: Ер = QЖи; Ер = ер Vк.
Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии Vк = аhк.
Формула для определения рабочей обменной емкости катионита, г÷экв/ м3: ер = QЖи /аhк; где Жи — жесткость исходной воды, г÷экв/ м3; Q — количество умягченной воды, м3; а — площадь катионитового фильтра, м2; hк — высота слоя катионита, м.Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре vк, количество умягченной воды можно найти по формуле: Q = vк aTk = ераhк /Жи; откуда длительность работы катионитового фильтра (межрегенерационный период) находим по формуле: Tk = ерhк /vк Жи.
По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска раствора поваренной соли.
Ионообменные смолы нашли широкое применение во всем мире в устройствах по водоочистке. Это мелкие шарики из полимерных материалов, насыщенных ионами, способные изымть из воды различные ионы, взамен отдавая свои; их для удобства назвали «ионообменными смолами», хотя правильное научное название их — «иониты». По структуре иониты подразделяются на гелевые способные к ионообмену только в набухшем состоянии, макропористые и промежуточной структуры. Если иониты обменивают анионы — это аниониты, если катионы — катиониты.
Аниониты классифицируются как сильноосновные (обмен анионов происходит при любых значениях рН), слабоосновные (обмен анионов из кислот — рН 1-6), смешанной активности. Катионоты бывают сильной кислотности, способные к ионообмену при любых значениях рН, и слабокислотные при рН больше 7.
Приведем характеристики некоторых катионоообменников. Среди сильнокислотных катионообменников отечественного производства, разрешенных к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения, можно выделить КУ-2–8чС. Получают его сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. КУ–2–8чС по структуре и свойствам близок к следующим зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия). По внешнему виду — сферические зерна от желтого до коричневого цвета, размером 0,4–1,25 мм, удельный объем не более 2,7 см3/г. Полная статическая обменная емкость не менее 1,8 г÷экв/л, мин, динамическая обменная емкость с полной регенерацией не менее 1,6 г÷экв/л.
В настоящее время нашли широкое применение сильнокислотные катиониты фирмы Пьюролайт: C100, С100Е, С120Е (аналоги отечественных смол КУ-2–8, КУ–2–8чС). Применяется ионообменная смола фирмы Пьюролайт С100Е Аg (обменная емкость 1,9 г÷экв/л, насыпная масса 800–840 г/л), представляющая собой серебросодержащий катионит для водоумягчения, обладающий бактерицидным действием. Существует отечественный аналог КУ-23С — макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/л, насыпная масса 830–930 г/л).
Применяется для умягчения питьевой воды как в промышленности, так и в быту катионит Пьюрофайн С100ЕF — он имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми смолами для водоумягчения. Обладает намного большей рабочей емкостью при обычных скоростях потока, повышенной рабочей емкостью при высоких скоростях потока, при меняющемся и прерывающемся потоке. Минимальная общая обменная емкость 2,0 г÷экв/л. Особенность катионита С100ЕF состоит в том, что он требует меньшего объема и количества регенеранта (NaCl).
Применяется сильнокислотный катионит IONAС/С 249 для умягчения воды бытового и муниципального применения. Обменная емкость 1,9 г÷экв/л.
Умягчение воды натрий-катионитовым методом на указанных смолах (жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05. 0,1, при двухступенчатом — до 0,01 мг÷экв/л) описывается следующими реакциями обмена:
(cм. печатную версию)
После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10. 25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3. 4 л/(см2); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 8. 10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2ч, из них на взрыхление — 10. 15, на фильтрование регенерирующего раствора — 25. 40, на отмывку — 30. 60 мин.
источник
CЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ»
Тема: «ОЧИСТКА ВОДЫ НА ИОНИТНЫХ ФИЛЬТРАХ»
Выполнил: Студент заочного отделения
1.1 Фильтры ФИПа, ионитные параллельноточные первой ступени
1.2 Фильтры ионитные параллельно-точные второй ступени
1.3 Фильтр ФИПр, ионитный противоточный
1.4 Фильтры ионитные смешанного действия
2. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ИОНИТНЫХ ФИЛЬТРА
2.1 Натрий-катионитный метод умягчения воды
2.2 Водород-натрий-катионитный метод умягчения воды
2.3 Опреснение и обессоливание воды
Вода — это великая ценность, которую человек получил в дар от природы. Ее надо оберегать и уметь рационально использовать. Потребление некачественной воды может нанести непоправимый вред здоровью человека. Что касается неочищенной воды технического назначения, примеси, содержащиеся в ней, разрушают бытовые приборы, сантехнику. Накипь и осадок в конечном итоге приводят к выходу из строя трубопроводов и повышению расхода топлива. Чтобы сделать воду пригодной для применения в быту и промышленности, ее необходимо предварительно подготавливать с помощью оборудования для очистки воды.
Способов, которыми можно очистить воду, существует несколько. В каждом конкретном случае необходимо знать от чего придется чистить воду. Это можно выяснить с помощью анализа воды.
ИОНИТЫ (ионообменники) — твердые нерастворимые вещества, способные обменивать свои ионы с ионами внешней среды (ионный обмен).
ИОННЫЙ ОБМЕН — обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита либо между различными электролитами, находящимися в растворе. Ионный обмен применяют для обессоливания воды, в гидрометаллургии, в хроматографии.
ИОНИТЫ подразделяются на аниониты и катиониты, обменивающие соответственно отрицательно или положительно заряженные ионы, и амфолиты, способные обменивать одновременно те и другие ионы. Наиболее распространены синтетические органические иониты — ионообменные смолы. ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ- синтетические органические иониты. Смолы, обменивающие с ионами внешней среды отрицательно заряженные ионы, называются анионообменными, положительно заряженные ионы — катионообменными, а одновременно ионы того и другого знака — полиамфолитами. Получают полимеризацией или поликонденсацией органических соединений, а также путем химических превращений готовых полимеров. Широко распространены ионообменные смолы на основе сополимеров стирола с дивинилбензолом, феноло-формальдегидных смол, полиаминов.
Из неорганических ионитов важны природные и синтетические алюмосиликаты, гидроксиды и соли поливалентных металлов. Применяются главным образом для умягчения и деминерализации воды, а также извлечения из растворов следов металлов, очистки сахарных сиропов, лекарств и многих др.
АЛЮМОСИЛИКАТЫ — группа породообразующих минералов класса силикатов; алюмокремниевых соединений с катионами щелочных металлов (полевые шпаты, слюды, минералы глин и др.).
Ионитные параллельно-точные фильтры предназначены для умягчения и обессоливания природных вод. Изготавливаются ионообменные фильтры с нижним распределительным устройством на бетонном основании или копирующего типа из нержавеющей стали. Фильтры диаметром 0,7; 1,0; 1,4; 1,5 м могут быть изготовлены с устройством нижним сборно-распределительным «ложное днище», укомплектованным нержавеющими щелевыми колпачками типа ФЭЛ. Верхнее распределительное устройство ВРУ изготовлено из двух перфорированных стаканов вставленных друг в друга. Ионитные противоточные фильтры для технологии с гидравлическим зажатием слоев изготавливаются с устройствами сборно-распределительными из нержавеющей стали. Корпус может иметь фланцевый разъем для удобства и безопасности нанесения противокоррозионного покрытия. В этих фильтрах зажатие слоя ионита производится через среднее и верхнее сборно-распределительное устройства за счет направления части отработанного регенерационного раствора или подачи исходной воды по контуру рециркуляции.
Ионитные фильтры классифицируются в зависимости от принципа действия, а также от целей, преследуемых при прохождении воды через них.
1.1 Фильтры ФИПа, ионитные параллельно-точные первой ступени
Фильтры ионитные параллельно-точные первой ступени используются на водоподготовительных установках электростанций, промышленных и отопительных котельных и предназначены для обработки воды с целью удаления из нее катионов накипеобразователей ( Ca2+ и Mg2+ ) в процессе натрий-водород- или аммоний-натрий-катионирования, а также сульфатных, хлоридных и нитратных анионов в процессе обессоливания природных вод. Фильтры ионитные параллельно-точные первой ступени для водород-катионирования предназначены для замены катионов Са-, Мg2+ и Nа+ исходной воды на катионы Р+ в схемах умягчения и химического обессоливания воды, используются на водоподготовительных установках промышленных и отопительных котельных. Загрузка ионитных фильтров ФИПа – сульфоуголь, катионит Ку-2,
Ионитные параллельно-точные фильтры первой ступени состоят из корпуса, нижнего и верхнего распределительных устройств, трубопроводов, запорной арматуры и пробоотборных устройств. Корпуса фильтров цилиндрические, сварные из листовой стали, с приваренными эллиптическими штампованными днищами. К нижнему днищу приварены три опоры для установки фильтров. В центре верхнего и нижнего днищ фильтров приварены фланцы, к которым снаружи по фронту фильтра присоединяют трубопроводы, а внутри – устройства-распределители. Верхнее распределительное устройство типа «стакан в стакане» состоит из перфорированных труб, одна из которых вставлена в другую, нижний конец их заглушен. Верхний конец внутренней трубы соединен с подающей трубой, наружная труба снизу соединена с внутренней трубой, а верхним концом упирается в эллиптическое днище. В фильтрах диаметром до 1,5 м нижнее сборно-распределительное устройство изготавливается двух видов : «ложное днище» или «копирующего типа». В фильтрах диаметром 2,0 м до 3,0 м нижнее сборно-распределительное устройство-«копирующего_типа». Фильтры ФИПаI 1,5-0,6; ФИПаI 2,0-0,6; ФИПаI 2,6-0,6 имеют нижнее распределительное устройство копирующего типа-«паук». 1.1.3. Материалы.
Копрус фильтра изготовлен из углеродистой стали и приспособлен для нанесения противокоррозионного покрытия. Трубопроводы внешней обвязки -из углеродистой стали для Na — катионитовых фильтров и из нержавеющей стали для H-OH — ионирования. Верхнее и нижнее сборно-распределительное устройство и щелевые колпачки типа ФЭЛ- из нержавеющей стали.
1.2 Фильтры ионитные параллельно-точные второй ступени
Фильтры ионитные параллельно-точные второй ступени предназначены для работы в различных схемах установок глубокого и полного химического обессоливания для второй и третьей ступени натрий-катионирования, водород-катионирования и анионирования и используются на водоподготовительных установках электростанций, промышленных и отопительных котельных. При использовании данных фильтров в схемах глубокого обессоливания из воды удаляются практически все катионы и анионы, за исключением кремниевой кислоты, а при использовании в схемах полного химического обессоливания удаляется и кремниевая кислота.
1.3 Фильтр ФИПр, ионитный противоточный
Фильтры ионитные противоточные ФИПр предназначены для использования в составе установок обессоливания или умягчения воды на водоподготовительных системах электростанций, промышленных и отопительных котельных. Загрузка ионитных фильтров ФИПр – сульфоуголь, катионит Ку-2,
Стоит обратить внимание на описание противоточного фильтра, так как противоточная технология ионирования — реальный путь к экономии средств, реагентов и воды на собственные нужды.
Очистка воды в теплоэнергетике — весьма ответственна и высокозатратна. На водоподготовительных ионообменных установках тепловых станций, отопительных и промышленных котельных актуальным является вопрос снижения удельных расходов реагентов на регенерацию, ионитов, сокращения расходов воды на собственные нужды и уменьшение солевых стоков. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы на сегодня является переход на противоточную технологию ионирования. Положительные особенности противоточной схемы ионирования:
· Сокращение расходов реагентов в 1,5-2 раза; Сокращение расходов воды на собственные нужды — в 2 раза; Сокращение количества фильтрующего материала — в 1,5 раза; Уменьшение объема солевых стоков — в 1,5 раза. Уменьшение числа работающих фильтров
Кроме того, увеличивается единичная производительность фильтров: например, фильтр диаметром 3000 мм может работать с производительностью 250-280 м 3 /час и давать необходимое количество воды в одну ступень.
1.4 Фильтры ионитные смешанного действия
Фильтры ионитные смешанного действия с внутренней и наружной (выносной) регенерацией ионитов предназначены для глубокого обессоливания и обескремниевания турбинного конденсата и добавочной воды. Фильтрование конденсата и добавочной воды осуществляется через слой перемешанных зерен Н-катионита и ОН-анионита. Фильтры смешанного действия используются на электростанциях в составе водоподготовительных установок для обработки добавочной воды и в составе конденсатоочисток.
источник
Чтобы сделать воду более мягкой, чтобы стенки не зарастали неприятным проблемным налетом, нужно начинать с обработки воды. Убрать из нее лишнее, можно разными способами. На сегодня групп таких методов всего две:
- Химическая – которая в своей работе использует химические реакции и различные вредные средства;
- Физическая – когда известковость воды связывается путем облучения и нейтрализации работы вредных ионов.
Каждый из предложенных методов может похвастаться, как достижениями, так и плохими сторонами. Идеального метода умягчения любого водного ресурса до сих пор не изобрели, и потребителю приходится выбирать, голосуя рублем за тот или иной прибор.
Старейшим прибором-умягчающим воду остается ионообменный фильтр. Устройство у него простое и работает он на доступном принципе. В состав такого устройства входят следующие элементы:
Бак для восстановительной соли
Возможно дополнительный корпус очиститель
Рассматривая саму работу прибора, нужно понимать отличия между прибором для домашнего использования и прибором для промышленных нужд. Секрет состоит в том, что при промышленном использовании устройство может быть многоступенчатым и занимать много места. В квартире же такой прибор можно встретить в виде кувшина. Иногда это может быть магистральный подвид. Поскольку в быту его используют для производств, прежде всего, воды для внутреннего потребления в пищу и питье, то замена картриджа здесь будет постоянным процессом. На производстве питьевое качество не обязательно и тогда картриджи подвергаются восстановлению. Na натрий катионитовый фильтр в таких цепочках может быть многокорпусным. Пока один картридж приводят в рабочее состояние, другие за него работают.
Такого типа прибор относится к группе химических очистителей. У любого потребителя возникнет вопрос – как же так получается, что производство питьевой воды связано с химикатами? Но процесс реакции здесь заложен в восстановлении, и при производстве питьевой воды картридж меняют, а не восстанавливают, потому соляные растворы в питьевую воду не попадают.
Что же касается принципа работы натрий катионитового фильтра ФИПА, то это специально разработанная гелиевая смола, вся напрочь состоящая из натриевых шариков. Именно таким наполнителем набивают картридж, и он занимается удержанием вредных минералов. Способствует этому бурная реакция между натрием и солями, образующими корку. Кальций и магний липнет к катиониту, как магнит. Так что ионный обмен – это сердце na катионитового фильтра принцип работы его. Когда встречаются грязная минеральная вода и смоляные шарики, переполненные натрием происходит быстрая замена. И для данной реакции ничего дополнительного подключать не нужно. Исключительно быстрая, естественная реакция.
Натрий без проблем уступает свое место в картридже вредным солям, а они прилипают к основе очень основательно. Но, тем не менее, картридж можно вновь вернуть в работу, и без особых усилий. При этом воду греть не нужно, не нужно какие-то растворители добавлять, чтобы ионообменный процесс происходил. В этом простота и удобство данного устройства и состоит. Он работает сам по себе.
При таких проблемах, какие вызывает известковая водица, о полезности умягчителей думать не приходится. Можно привести массу примеров, когда назначение работы устройств помогает решить головоломные задачи. Одним из главных недостатков и грубейших последствий применения грязной воды является образование плотного покрытия на нагревательных и нагреваемых поверхностях. Накипь плохо передает тепло, блокирует его на корню. И любой нагревательный элемент начинает барахлить, если этот блокатор не устранить, с его поверхности. Работа натрий катионитового фильтра состоит в том, чтобы не допустить образования таких отложений. Тогда нагревательные линии не будут испытывать перегрузки.
Ведь при плотном, практически гипсовом покрытии, даже обычное дно кастрюли начинает перегреваться. В саму кастрюлю в воду находящуюся в ней тепло почти не идет, при этом дно раскалено до предела. Постоянно работать в таком режиме даже закаленный чугун не сможет. Он постепенно начнет плавиться, а если материал будет другой, то возможны разрывы. Если потребитель хоть раз видел разорванные железные трубы, то чаще всего причина таких разрыв перегрев, в следствии применения «плохой» воды.
Na катионитовый фильтр – это простая в техническом плане конструкция. Рассмотреть ее можно на примере стандартного питьевого кувшинного очистителя. Корпус пластмасса, прозрачная причем, чтобы потребители видели количество набираемой воды. Внутри еще один резервуар, к которому прикручивают съемный картридж. Внутри него гелиевая натриевая смола и располагается. Пропускная способность у такого прибора не самая высокая, но для потребления семьи из трех человек, вполне достаточная. Завершает картину крышка. В резервуар заливают воду, она просачивается в корпус через фильтрующий картридж. Ничего лишнего, максимальная простота и доступность.
Если прибор представляет собой целую водоподготовительную систему, то там есть блок управления, восстановительные баки. И устройство само следит, как картридж засоряется. Подается сигнал, вода идет по обводному каналу. Картридж система вынимает сама и переносит в бак с восстановителем, где уже есть растворенный солевой раствор. Нагрузка на другие фильтры в это время увеличивается. Но на этом система и работает.
Купить, достать любой тип фильтра не составит труда. У потребителей масса возможностей. Но у прибора есть конкуренты. И вот тут некоторые потенциальные покупатели заходят в тупик, ведь продавцы начинают рьяно предлагать свою продукцию. Как тут не ошибиться? В этом случае потребителю лучше заранее ознакомиться с предложенными на рынке технологиями, чтобы точно понимать, что и как работает.
Самыми популярными аналогами дорогого для магистрального обслуживания ионизатора являются два типа очень схожих между собой фильтра, работающих на основе силы воздействия магнитного поля. Таких фильтрующих установок на рынке два подвида. Причем один практически не используется, а другой очень даже и строго по прямому назначению. У магнитного фильтра слишком много ограничений, чрезвычайная чувствительность не дала занять свое место на рынке.
Ученые долго пытались понять, как и где просчет, почему такие возможности, которые дает силовая обработка, не используются полностью? Только синтез электричества и магнитного воздействия дал исчерпывающий ответ. Только усиление сигнала за счет электричества помогло сделать поле более долговечным и сильным. Под таким влиянием соли вредностей начинали менять свою форму и размеры. Трансформировавшись, стремление к осадку у солей осталось. Но новая форма позволила им только качественно устранять с поверхностей самый осадок. И плюсом данного эффекта стал тот факт, что происходит все на ионном уровне, и значит, поверхности останутся чистыми и не поврежденными. Достать в неудобные места и проходы бывает очень сложно, а с такой обработкой проблема отпадет сама собой. Так что н катионитовые фильтры не единственные в своем роде уникальные умягчители, есть еще приборы, которые еще и внутренние поверхности поддержат в чистоте, без усилий со стороны человека.
У просто магнитного чистильщика большим минусом был тот факт в работе, что положительный эффект от облучения полностью гасился простыми рабочими моментами. Вода текла по трубам слишком быстро или просто была в застое. Температура нагрева воды была слишком высокой. Из-за этого эффект пропадал.
Самым уязвимым местом фильтров натрий катионитовых фипа является их невозможность работать непрерывно, без каких-либо затрат и обслуживания. Они требуют восстановления и частого. И чем более загрязненная вода, тем чаще придется менять картриджи или восстанавливать. Замены делают при производстве питьевой воды, восстанавливают во всех остальных случаях.
Происходит регенерация натрий катионитовых фильтров солью восстановителем прямо тут же в установке, без отрыва от основного процесса водоподачи и очистки воды. Для этого делают установку многоступенчатой и снабжают каждый фильтр баком-восстановителем. Есть пульт управления, куда посылает система сигнал, как только картридж забивается. Настроить период замены можно самостоятельно. Выставляется либо период времени или же количество очищенных литров. По истечении срока, автоматически подача воды прекращается. Эксплуатация и регенерация прибора солью полностью останавливается, именно этой части, что должна быть восстановлена. Загрязненный картридж перемещают в бак с раствором-восстановителем. Так, же как натрий оставляет свое место солям, точно также соли вымываются из картриджа под напором большого количества натриевого раствора. Так что восстанавливают силу очистную таких катионитовых фильтров для воды с помощью сильного соляного раствора. Только соль в цене больше специализированная, с высоким содержанием натриевых веществ. Купить ее можно везде, стоит она мало, но большой расход делает процесс восстановления картриджей недешевым. Особенно, если с водой работают круглосуточно и картриджи засоряются очень быстро.
Работает натриево катионитовый фильтр ФИПА на умягчение лучше всех, но необходимость его постоянно приводить к первоначальному виду делает очень неудобным. Да и в практически забитом картридже, качество очистки разительно отличается от чистки свежим картриджем. Сам прибор по цене не очень дорогой, чем и соблазняет потребителей, но в дальнейшем многие разочаровываются, т.к. постоянные замены складываются во внушительную сумму затрат. Для получения питьевой воды такой прибор подходит, а вот при обработке больших объемов и с высоким показателем известковости, его лучше не эксплуатировать. Очень быстро можно устать от этих постоянных хлопот. Очень сильно такие труды напоминают чистки поверхностей. Разве только поверхности не портятся, а трудозатраты не меньше.
источник
В практике водоподготовки метод ионного обмена, в частности, натрий-катионирование, успешно используется для умягчения воды, т.е. удаления из нее катионов кальция Ca2+ и магния Mg2+. Он получил широкое распространение благодаря высокой эффективности и скорости фильтрации, доступности реагента для регенерации.
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).
источник