Cтраница 3

Большая скорость обмена ионов позволяет при этом применять фильтрующие слои весьма малой высоты (5 - 25 мм) и достигать использования 50 - 90 % полной обменной емкости ионитов вместо 20 - 50 %, используемых в обычных насыпных фильтрах при обычном фракционном составе ионитов в фильтрующих слоях большой высоты (выше 900 мм) при условии получения фильтрата равноценного качества.  

Кривые титрования, полученные с помощью потенцио-метрического метода, позволяют дать основную химическую характеристику ионита: наличие активных групп и степень их диссоциации в зависимости от рН среды, полную обменную емкость ионита, определяемую суммой всех активных групп, входящих в состав ионита и вступающих в реакцию, обменную емкость по отдельным активным группам, обменную емкость ионитов при постоянном значении рН среды, а также позволяет определить, к какому типу относится исследуемый ионит - кислотному или основному. Кривые титрования получают при постоянной концентрации соли, так как обменная способность ионита зависит от рН среды и концентрации обменивающегося иона в растворе.  

Чередование ионного обмена с реакциями восстановления или осаждения с целью превращения адсорбированных на ионитах веществ в недиссоциированную и нерастворимую форму, позволяет сконцентрировать в итого такое количество адсорбируемого вещества, которое в 10 - 15 раз превышает полную обменную емкость ионита. Особенно это показательно при концентрировании на ионитах благородных металлов, ионы которых легко восстанавливаются до металла и в таком виде оседают на ионитах.  

Обменная емкость - это мера способности ионита поглощать ионы из раствора. Полная обменная емкость ионита (ПОЕ) определяется максимальным числом миллиграмм-эквивалентов ионов, которые могут быть поглощены 1 г воздушно-сухого ионита. Так, например, у катионита КУ-2 величина ПОЕ составляет около.  

В зависимости от условий определения различают полную (ПОЕ), статическую (СОЕ) и динамическую (рабочую) обменную емкость (ДОЕ, РОЕ) ионита. Полная обменная емкость ионита характеризуется общим числом активных групп ионита в единице объема смолы.  

Эффективность использования ионообменного динамического метода для очистки растворов обеспечивается в основном применением ионитов высокой емкости. Поскольку полная обменная емкость ионитов в динамических условиях, как известно, реализуется неполностью, при выборе оптимальных условий проведения процесса задача сводится к уменьшению разницы между полной обменной емкостью колонны и емкостью колонны до проскока ионов в фильтрат. С другой стороны, практически не менее важно выбрать ионит, потому что при данных кинетических условиях наклон фронта иона, появляющегося в фильтрате первым, определяется в том числе и природой этого иона. Для целей очистки растворов следует поэтому выбирать иониты, характеризующиеся не только высокой обменной емкостью, но и большим значением константы обмена наименее сорбируемого иона. Качественный состав для выбора ионита не имеет значения, поскольку одна из особенностей динамики обмена смеси заключается в том, что наклон фрон та менее сорбируемого иона не зависит от свойств других компонентов смеси. Эти положения определяют целесообразность применения для цели обессоливания растворов ионитов с большим числом поперечных связей и делают нежелательным использование слабокислотных ионитов в водородной форме.  

Емкость ионита выражают числом миллиэквивалентов (мэкв. При определении полной обменной емкости ионита устанавливают содержание в нем всех обмениваемых групп. Для этого используют небольшие колонки, например центрифужные колонки типа показанной на рис. 5.7, или воронки с бумажными фильтрами.  

В соответствии с доннановским принципом соблюдения электронейтральности внутри зерна максимальное количество обменно поглощаемых противоионов определяется количеством ионогенных групп, введенных в матрицу. Следовательно, полную обменную емкость ионита можно теоретически рассчитать , исходя из эквивалентного веса элементарного звена полимера, содержащего одну ионогенную группу. Например, для сульфированной смолы на основе стирола и дивинилбензола элементарное звено соответствует формуле С8Н85Оз, следовательно, теоретическая весовая емкость его будет 1000 / 184 2 5 43 мг-экв на 1 г сухой смолы в Н - форме.  

Если фильтрование продолжается до момента полного выравнивания концентраций поглощаемого иона в исходной воде и фильтрате, то при этом используется практически вся емкость поглощения ионита по данному иону. Такой режим соответствует использованию полной обменной емкости ионита ОЕП.  

Если продолжить пропускание раствора через слой ионита, то наступит момент, когда концентрации растворов-исходного и вытекающего из фильтра - сравняются. Это дает возможность вычислить полную обменную емкость ионита.  

Если продолжить пропускание раствора через слой ионита, то наступит момент, когда концентрации растворов - исходного и вытекающего из фильтра - сравняются. Это дает возможность вычислить полную обменную емкость ионита.  

Перспективным направлением является применение смешанного слоя катионитов и анионитов на намывных фильтрах - так называемый паудекс-процесс. У таких фильтров получается значительно большее использование полной обменной емкости ионитов.  

На вторую ступень натрий-катионирования поступает вода с содержанием 7,5 мг-экв/дм3 катионов натрия. Тогда соотношение концентраций С2 Na /Жо = 7,52 /0,1 = 562. В этом случае обменная емкость катио-

нита принимается по технологическим данным из табл. 2.12 и составляет Ер = 250 г-экв/м3 .

Таблица 2.14

5. Число регенераций каждого фильтра в сутки «n» рассчитывается по формуле:

n = А / f Нсл Ер а = 139,2 / (3,14 1,5 250 1) ≈ 0,1 регенерация в сутки или 1 раз в течение 10 суток.

6. Расход 100%-й поваренной соли на одну регенерацию фильтра определяется уравнением:

Qс = (Ер f Нсл qс ) /1000 = (250 3,14 1,5 350)/1000 = 412 кг, где

qс – удельный расход соли на регенерацию г/г-экв, равный 350 г/г-экв. 7. Суточный расход технической соли на регенерацию фильтров

рассчитывается по уравнению:

Qт.с = (Qс n а 100) / 93 = (412 0.1 1 100) /93 = 44,3 кг/сут, где в этом выражении «93» – содержание NaCI в технической соли, %.

8. Расход воды на одну регенерацию натрий-катионитового фильтра слагается из следующих составляющих:

а) расхода воды на взрыхляющую промывку фильтра, м3 , определяемого из соотношения:

Qвзр = i f 60 t /1000 = 4 3,14 60 30/1000 = 23 м3 , где

i, t – интенсивность и длительность взрыхляющей промывки соответственно, принимаемые по табл. 2.12.

б) расхода воды на приготовление регенерационного раствора соли, м3 :

Qр.р = (Qс 100) / (1000 bρ) = 412 100/1000 10 1,071 = 3,85 м3 ,

где b – концентрация регенерационного раствора, %. Концентрация регенерационного раствора для первой ступени натрий-катионирования составляет 5…8 %, для второй ступени ионирования 8…12 %. Прини-

маем концентрацию регенерационного раствора равным b = 10 %,

ρ – плотность 10%-го регенерационного раствора, т/м3 , принимается по таблице плотностей водных растворов, Приложение 3, и составля-

ет ρ = 1,071 т/м3 для b = 10 %.

в) расхода воды на отмывку катионита от продуктов регенерации, м3

Qотм = q f Нсл = 6 3,14 1,5 = 29 м3 , где

q – удельный расход воды на отмывку катионита, равный 6 м3 /м3 , определяемый по табл. 2.12.

Тогда расход воды на одну регенерацию составит: Qс.н = Qвзр + Qр.р + Qотм = 23 + 3,85 + 29 ≈ 56 м3 .

9. Среднечасовой расход воды на собственные нужды натрийкатионитовых фильтров второй ступени определяется в соответствии с выражением:

Qс.н.NaII (час) = (Qс.н. а n)/ 24 = (56 1 0,1) / 24 = 0,23 м3 /ч.

Примем с запасом Qс.н. (час) = 0,5 м3 /ч.

Это количество воды будет подвергаться первичному натрийкатионированию для собственных нужд натрий-катионитовых фильтров второй ступени.

2.8.3. Расчет натрий-катионитовых фильтров первой ступени

1. Через эти фильтры будет пропускаться следующее количество

QNaI = 58 + 0,5 = 58,5 м3 /ч.

2. На первичные натрий-катионитовые фильтры вода поступает после предвключенных водород-катионитовых фильтров, регенерированных недостатком кислоты (с «голодной» регенерацией). Общая жест-

кость водород-катионированной воды составляет:

Жо = Жнк + Щост = 1 + 0,7 = 1,7 мг-экв/дм3 ,

где Жнк – исходная некарбонатная жесткость воды, поступающей на Н-катионитовые фильтры; мг-экв/ дм3 ; Щост – остаточная после декарбонизации щелочность, мг-экв/дм3 .

3. Скорость фильтрования через основные натрий-катионитовые фильтры допускается в пределах 15…30 м/ч. Следовательно, необходимая площадь фильтрования должна составлять:

58,5/15…58,5/30 = 3,9…1,95 м2 .

Из существующих стандартных фильтров (табл. 2.10) выбираем фильтры, у которых:

диаметр – D = 2000 мм;

площадь фильтрования каждого – f = 3,14 м2 ; высота слоя сульфоугля Нсл = 1,8 м.

4. Принимаем их к установке в количестве 3 шт. с таким расчетом, чтобы в наихудшем случае один из них был в полезной работе, один – на регенерации и один, не загруженный сульфоуглем, служил для гидроперегрузки угля и замены катионитного фильтра, выключаемого на ремонт или ревизию. Нормально, таким образом, будут работать два фильтра, а = 2.

5. Устанавливаются скорости фильтрования в нормальном и форсированном режимах.

При этом нормальная скорость фильтрования составляет:

wн = QNaI / (f а) = 58,5/ (3,14 2) = 9,3 м/ч.

На периоды регенерации в работе будет оставаться один фильтр с максимальной скоростью фильтрования:

wмax = QNaI / = 58,5/ 3,14 = 18,6 м/ч.

6. По выражению (2.9) рассчитывается рабочая обменная емкость Ер катионита, в качестве которого выбран сульфоуголь с крупностью зерен 0,5…1,1 мм:

Ер = α β Еп – 0,5 q Жо ,

где q – удельный расход воды на отмывку сульфоугля, равный для первой ступени натрий-катионирования q = 4 м3 / м3 и определяемый по табл. 2.12.

По табл. 2.12 находится удельный расход соли на регенерацию сульфоугля qс . Для первой ступени натрий-катионирования при жесткости обрабатываемой воды до 5 мг-экв/дм3 он составляет qс = 120 мгэкв/дм3 .

По удельному расходу соли, пользуясь табл. 2.13, определяется коэффициент эффективности регенерации α = 0,67.

Коэффициент β находится по табл. 2.14 и при величине отношения СNa 2 /Жо = 7,52 /1,7 = 33 не определяется. Поэтому целесообразно принять рабочую обменную емкость сульфоугля при натрий-

катионировании в соответствии с данными табл. 2.15, согласно которым Ер = 200 г-экв/м3 .

Таблица 2.15

Рабочая обменная способность сульфоугля при натрий-катионировании

7. Число регенераций каждого фильтра в сутки «n» равно:

n = (24 Жо QNa1 )/ (f Нсл Ер а) = 24 1,7 58,5/ 3,14 1,8 180 2 = 1,17.

Принимаем число регенераций n = 1 раз в сутки.

8. Расход 100%-й поваренной соли на одну регенерацию фильтра определяется уравнением:

Qс = (Ер f Нсл qс ) / 1000 = 200 3,14 1,8 120/ 1000 ≈ 136 кг. 9. Суточный расход технической соли составит:

Qт.с = (Qс n а 100) / 93 = (136 1 2 100) / 93 = 292,5 кг/сут. 10. Расход воды на взрыхляющую промывку фильтра равен:

Qвзр = (i f 60 t) /1000 = (4 3,14 60 30) /1000 = 23 м3 ,

где i, t – интенсивность и время взрыхления соответственно, эти величины определяются по табл. 2.12.

11. Расход воды на приготовление регенерационного раствора рассчитывается согласно выражению:

Qр.р = (Qc 100) / (1000 b ρ) = 136 100 / 1000 8 1,056 = 1,6 м3 ,

где b и ρ – концентрация и плотность регенерационного раствора, b = 8 %, табл. 4.8; ρ (при b = 8 %) = 1,056 т/м3 (Приложение 3).

12. Расход воды на отмывку катионита определяется по формуле: Q отм = q f Нсл = 4 3,14 1,8 = 23 м3 .

13. Тогда расход воды на одну регенерацию натрий-катионитового

фильтра слагается из составляющих:

Qс.н. = Qвзр + Qр.р. + Qотм = 23 + 1,6 + 23 ≈ 48 м3 .

14. Среднечасовой расход воды на собственные нужды натрий-ка- тионитовых фильтров определяется на основании:

Qс.н.NaI (час) = (Qс.н. n a) / 24 = 48 1 2 /24 = 4 м3 /ч.

2.8.4. Расчет предварительных водород-катионитовых фильтров с «голодной» регенерацией

1. Среднечасовой расход воды, поступающей на предварительные Н-катионитовые фильтры, должен обеспечивать требуемую производительность водоподготовительной установки на питание паровых котлов Q и собственные нужды Н-катионитовых и натрий-катионитовых

фильтров I и II ступеней:

Qгол = Q + Qс.н.NaI + Qс.н.NaII = 58 + 4,0 + 0,5 = 62,5 м3 /ч.

Кроме того, предварительные водород-катионитовые фильтры должны обеспечивать расход воды на горячее водоснабжение в количестве 272 м3 /ч и подпитку тепловых сетей в размере 13 м3 /ч:

ИТОГО: Qгол = 62,5 + 272 + 13 ≈ 348 м3 /ч.

2. При заданной производительности оценивается требуемая для этого общая площадь фильтрования:

F = Qгол / w = 348/10 = 34,8 м2 ,

где w – скорость фильтрования, которая, исходя из опыта эксплуатации водород-катионитовых фильтров с «голодной» регенерацией, находится в диапазоне значений 10…20 м/ч .

Принимаем скорость фильтрования равной w = 10 м/ч.

3. При известной общей площади фильтрования, зная характеристику стандартного фильтра, можно рассчитать необходимое количество фильтров по соотношению:

а = F/f = 34,8 / 6,95 = 5 штук, где

f – площадь фильтрования стандартного водород-катионитоваго фильтра при «голодной» регенерации, устанавливаемая по табл. 2.16.

Полагая, что при средней длительности каждой регенерации 2…2,5 часа одновременно будут находиться в регенерации два предварительных Н-катионитовых фильтра и один Н-катионитовый фильтр должен быть в резерве (для гидроперегрузки и подключения в работу на время ремонта одного из фильтров), принимаем к установке 8 предварительных Н-катионитовых фильтров с параметрами:

диаметр фильтра – D = 3400 мм; высота слоя – Нсл = 2,5 м;

площадь фильтрования – f = 6,95 м2 .

Таблица 2.16

Водород-катионитовые фильтры (при «голодной» регенерации)

4. Карбонатная жесткость (щелочность) исходной воды при прохождении через предварительные Н-катионитные фильтры, отрегенерированные теоретически необходимым количеством серной кислоты, будет снижаться в среднем с 9,0 до 0,7 мг-экв/дм3 .

Количество солей жесткости, удаляемых на фильтрах, определяется по формуле :

Агол = 24 Qгол (Жк – Жк.ост ) = 24 348 (9,0 – 0,7) = 69321,6 г-экв/сут.

5. Рабочая обменная способность сульфоугля при водород-катиони- ровании с «голодной» регенерацией принимается по табл. 2.17 по параметрам «К» и «А».

Для этого рассчитываются:

– характеристики катионного состава исходной воды «К»:

К = Na+ / Жо = 7,5 / 10 = 0,75 и

– характеристики анионного состава исходной воды «А»:

А = HCO 3 ¯/ (CI¯ + SO4 2 ¯)= 9,0/ (5,5 + 3) = 1,06.

Для исходной воды данного состава при 0 ≤ К ≤ 1; 10 ≥ А ≥ 1 ра-

бочая обменная способность сульфоугля принимается равной Ер гол = 300 г-экв/м3 .

6. При этом число регенераций каждого фильтра в сутки составит:

n = Агол / (f Нсл Ер гол а) = 69321,6 / (9,1 2,5 300 5) = 2,66.

Принимаем число регенераций n = 3 р/сут.

7. Расход 100%-й серной кислоты на одну регенерацию определяются по уравнению:

Qк (гол) = (qк f Нсл Ер гол ) / 1000 = (45 6,95 2,5 300) / 1000 = 235 кг,

здесь qк = 45 г/г-экв – удельный расход серной кислоты при «голодном» режиме регенерации, который принимается по табл. 2.17.

Иониты — твердые, нерастворимые полиэлектролиты, природные или искусственные (синтетические) материалы, широко используемые для процессов очистки воды: от катионов кальция и магния (умягчения), от анионов органических кислот, деминерализации и некоторых других специальных применений.

По химической природе иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими.

Наиболее характерными природными неорганическими ионитами являются цеолиты . К ионитам также можно отнести глины, слюду, оксиды графита, соли поликислот титана, ванадия и многие другие соединения.

Ионообменные смолы

Синтетические, искусственно полученные иониты называются ионообменными смолами .

Ионообменные смолы - это высокомолекулярные поперечно сшитые соединения, образующие полимерную матрицу, содержащую функциональные группы кислотного или основного типа, которые диссоциируют или способны ионизироваться в воде.

• функциональными группами кислотного типа являются: -СООН; -SО 3 Н; -РО 4 Н 2 и др.
• функциональными группами основного типа являются: ≡N; =NH; -NH 2 ; -NR 3+ и др.

По внешнему виду ионообменные смолы - это сферические материал диаметром от 0,3 до 2,0 мм (основной размер в пределах 0,5..0,8 мм), от почти бесцветного до желто-коричневого цвета, как правило, слегка слипшиеся (поскольку влажные).

По структуре ионообменные смолы могут обладать гелевой, макропористой и промежуточной структурой, что определяется степенью сшивки полимерных молекул. Гелевая ионообменная смола обладает способностью к ионному обмену только во влажном (набухшем) состоянии, потому что у нее отсутствует истинная пористость. Макропористая ионообменная смола характеризуется наличием пор, имеющих развитую поверхность, поэтому она способна к ионному обмену как в набухшем, так и в не набухшем состоянии.

Схема зерна ионообменной смолы, анионита и катионита соответственно, в общем виде выглядит так:

1. полимерная матрица
2. ионные функциональные группы полимерной матрицы
3. противоионы

Упомянутые выше функциональные группы способны вступать в реакции ионного обмена с ионами растворенных веществ (примесями - применительно к воде). Если матрицу ионообменной смолы обозначить как R, то реакция такого обмена выглядит:

а) R - - H + + Na + + Cl - → R - - Na + + H + + Cl -

б) R + - OH - + Na + + Cl - → R + - Cl - + Na + + OH -

По такой реакции легко обмениваются катионы солей жесткости, ионы железа, марганца.

Из вышеприведенных реакций видно, что ионообменные смолы могут обменивать катионы (а) - в таком случае они называются катионитами, или обменивать анионы (б) - в этом случае они называются анионитами. Кроме указанных ионообменных реакций на ионообменных смолах возможны реакции комплексообразования и окислительно-восстановительные, а также физическая сорбция.

Сорбционные свойства ионообменных смол определяются не только характером функциональных групп, но и кислотностью (водородным показателем рН) очищаемой воды.

Классификация ионообменных смол

В зависимости от функциональных групп, введенных в полимерную цепь ионообменной смолы, различают:

• -SO 3 H - сильнокислотный катионит,
• -COOH - слабокислотный катионит.

Сильнокислотный катионит обменивает катионы любой степени диссоциации в растворах при всех возможных значениях рН. Слабокислотный катионит обменивает катионы из растворов кислот при значениях рН >5.

• -NH 2 , =NH, ≡N - слабоосновный анионит,
• -NR 3 + Hal - - сильноосновный анионит.

Сильноосновный анионит обменивает анионы любой степени диссоциации в растворах при всех возможных значениях рН. Слабоосновный анионит обменивает анионы из растворов щелочей при значениях рН <8..9.

Характеристики ионитов и ионообменных смол

Важнейшими характеристиками ионитов являются:

• полная (общая) обменная емкость — это максимальное число милиграмм-эквивалентов (мг-экв) ионов вещества, поглощаемых единицей массы или объема ионита в условиях равновесия с раствором электролита,
• динамическая (рабочая) обменная емкость - это максимальное число мг-экв ионов, поглощаемых единицей массы или объема в условиях фильтрации раствора через слой ионита до «проскока» ионов в фильтрат.

Значения полной обменной ёмкости большинства ионообменных смол лежат в пределах 2..5 мг-экв/г (1..2,5 г-экв/дм 3). Процедура определения обменной ёмкости стандартизована.

Динамическая (рабочая) обменная ёмкость всегда меньше статической в связи с тем, что она зависит от следующих факторов:

• природы ионообменной смолы,
• его гранулометрической состава,
• качества исходной воды, причем зависимость определяется не только общим количеством улавливаемых ионов, но и их соотношением друг с другом, наличием в исходной воде железа, марганца, органических примесей,
• значения рН исходной воды, ее температуры и температуры регенерационного раствора,
• равномерности прохождения очищаемой воды через слой ионита,
• природы регенеранта, его чистоты, концентрации, удельного расхода,
• требуемых показателей качества получаемой воды после фильтрования через ионообменную смолу,
• высоты слоя ионита, скорости рабочего, регенерационного и взрыхляющего фильтрования,
• удельного расхода отмывочной воды,
• площади фильтрования (площади горизонтального сечения фильтра),
• добавления к регенерационному раствору комплексообразователей и других факторов.

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 катионированием основано на явлении ионного обмена, сущность которого состоит в способности ионообменных материалов или ионитов поглощать из воды положительные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов катионита. Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью, выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1м3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т.е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтрате. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. Полной обменной емкостью называют то количество катионов кальция и магния, которое может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды. Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов Са+2 и Мg+2 , которое задерживает 1м3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов солей жесткости. Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

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.

В технологии умягчения воды широко применяют ионообменные смолы, которые представляют собой специально синтезированные полимерные нерастворимые в воде вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера –SO3Na (сильнокислотные катиониты). Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые смолы на дивинилбензоловой основе характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера. Изопористые имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью и др. Физические свойства катионитов зависят от их фракционного состава, механической прочности и насыпной плотности (набухаемости). Фракционный (или зерновой) состав характеризует эксплуатационные свойства катионитов. Он определяется ситовым анализом. При этом учитываются средний размер зерен, степень однородности и количество пылевидных частиц, непригодных к использованию.

Мелкозернистый катионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую обменную емкость, чем крупно-зернистый. 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 = 2.

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.

Процесс регенерации описывается реакцией:
(см. печатную версию)

На практике ограничиваются однократным пропуском соли при жесткости умягченной воды до 0,20 мг÷экв/л или двукратным - при жесткости ниже 0,05 мг÷экв/л.

C.O.K. N 10 | 2002г.
Рубрика: САНТЕХНИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ
Лаврушина Ю.А., к.х.н., заведующая Независимой Аккредитованной испытательной лабораторией по анализу