ТЕХНОЛОГІЯ ІОННОГО ОБМІНУ

Na-катіонування.Цей процес застосовується для зм'якшування води і має самостійне значення при підготовці води малої лужності для котлів низького тиску і підживлення води тепломереж. При Na-катіонуванні воду пропускають через шар катіоніту, що знаходиться в початковому стані в Na-формі. При цьому процесі відбувається видалення з води іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в обмін на еквівалентну кількість іонів Na⁺ згідно наступним реакціям:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ ⇄R₂/Ca²⁺+ 2Na⁺;	(3.26)
2R/Na⁺ + Mg²⁺ ⇄R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,	(3.27)

де R позначає комплекс матриці і функціональної групи без обмінного іона (його прийнято вважати одновалентним).

З наведених реакцій видно, що аніонний склад води при Na-катіонуванні залишається постійним, тому і сумарна концентрація катіонів, що беруть участь в цьому процесі, також залишається постійною. Проте масова концентрація катіонів в розчині декілька зростає, оскільки еквівалентна маса іона натрію вища за еквівалентні маси іонів кальцію і магнію. Так, при обміні іонів Са²⁺ на іони Na⁺ солевміст води зростає у 46/40 разів, оскільки замість одного сорбованого іона Са²⁺ в розчин поступають два іони Na⁺. Той же перерахунок при сорбції іонів магнію дасть збільшення солевмісту у 46/24 разів.

Рис. 3.5. Вихідна крива Na-катіонітного фільтру

Таким чином, солевміст Na-катіонованої води декілька вище за солевміст початкової. Оскільки при Na-катіонуванні не відбувається зміни аніонного складу домішок води, лужність її не змінюється. Залишкова жорсткість фільтрату визначається умовам регенерації катіоніту і в кращому разі складає не більше 5 мкг-екв/кг. Процес зм'якшування при Na-катіонуванні закінчується при допустимому значенні жорсткості фільтрату або при настанні проскакування жорсткості. Характер зміни якості фільтрату показаний на рис. 3.5, з якого видно, що площа, обмежена вихідною кривою, початковою жорсткістю і кількістю води Q_раб за робочий цикл, виражає робочу обмінну ємність всього об'єму катіоніту V_кат,що знаходиться у фільтрі. Робочу обмінну ємність Е_р, г-екв/м³, катіоніту можна визначити (при Ж_ост = 0) так:

(3.28)

2R/Сa²⁺ + nNa⁺ ⇄2R/Na⁺ + Ca²⁺ + (n – 2)Na⁺;	(3.29)
2R/Mg²⁺ + nNa⁺ ⇄2R/Na⁺ + Mg²⁺ + (n – 2)Na⁺,	(3.30)

де n – надлишок NaCl проти його стехіометричної кількості.

Оскільки для регенерації використовують технічні реагенти, що містять сторонні домішки (у нашому випадку Са²⁺і Mg²⁺), то добре відрегенерувати фільтр не удається. Крім того, якість регенерації істотно залежить від прояву так званого протиіонного ефекту. При обмеженій витраті солі на регенерацію краще будуть відрегенеровані ділянки шару катіоніту, що зустрічаються зі свіжим розчином. У міру проходження розчину вглиб шару умови регенерації погіршуватимуться внаслідок підвищення концентрації іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в регенераційному розчині і його збіднення за іонами Na^+. Це явище носить назву протиіонного ефекту. Такий ефект виникає і в процесі зм'якшування початкової води. Регенерацію іоніту можна проводити декількома способами, які відрізняються один від одного поєднанням напряму потоку регенераційного розчину і води.

Якщо регенераційний розчин минає шар іоніту в тому ж напрямі, що і потік води, то це прямотічна регенерація. Така регенерація створює невигідні умови для процесу зм'якшування, оскільки при цьому особливо добре регенерується перша по ходу води верхня ділянка шару і погано нижній шар іоніту (рис. 3.6, а), тому на виході з шару катіоніту зм'якшувана вода, в якій різко знижена концентрація іонів жорсткості, проходить через ділянки погано відрегенерованого катіоніту і, отже, не може глибоко зм'якшуватися. Більш того, ця обставина може привести на початку циклу навіть до переходу деякої частини іонів жорсткості з катіоніту у воду.|направленню|

Рис 3.6. Характер зміни залишкових концентрації іонів Са²⁺ і Mg²⁺ в шарі катіоніту і залишковій жорсткості фільтрату при прямотічній (а) і протитічній (б) регенерації

При протитічній регенерації регенераційний розчин подається в напрямі|направленні|, протилежному напряму потоку води (рис. 3.6,б). При цьому свіжий регенераційний розчин добре регенерує нижній шар іоніту, що дозволяє, з одного боку, зберігати постійне значення залишкової концентрації іонів у фільтраті, а з|із| іншого, отримувати|одержувати| фільтрат вищої якості. Крім того, застосування протитічної регенерації дозволяє економити реагенти. Проте|однак| цей вид регенерації пов'язаний з ускладненням конструкції фільтрів.

Н-катіонування.Призначенням Н-катіонування є видалення всіх катіонів з води із заміною їх на іони водню. Воно застосовується в схемах спільно з іншими процесами іонування. Обмін катіонів при Н-катіонуванні протікає згідно реакціям

2R/Н⁺ + Ca²⁺ ⇄R₂/Ca²⁺+ 2Н⁺;	(3.31)
2R/Н⁺ + Mg²⁺ ⇄R₂/Mg²⁺ + 2Н⁺;	(3.32)
R/Н⁺ + Na⁺ ⇄R/Na⁺ + Н⁺,	(3.33)

Всі катіони, що поступають разом з водою на фільтруючий шар, сорбуються на початку процесу у верхніх ділянках цього шару. Проте у міру спрацьовування частини шару катіони, що володіють більшою селективністю, витісняють сорбовані на цій ділянці катіони, що володіють меншою сорбціонною здатністю, і останні сорбуються на подальших по ходу води ділянках фільтруючого шару. Таким чином, утворюються зони поглинання катіонів. Ближче до нижньої межі шару розташовується зона поглинання іонів Na⁺, над нею – змішана зона поглинання Mg²⁺ і Na⁺, а ще вище – зона поглинання Са²⁺, Mg²⁺ і Na⁺. Сумарна ширина цих зон визначає висоту робочої зони катіоніту. Над нею розташовується зона виснаженого катіоніту, а під нею – свіжого катіоніту. При роботі Н-катіонітного фільтру спостерігаються два періоди (рис. 3.7). У першому періоді відбувається повне

Рис. 3.7. Зміна якості фільтрату при Н-катіонуванні:

1– проскакування Na; 2 – проскакуванняжорсткості

поглинання всіх катіонів до моменту досягнення зоною поглинання іонів Na⁺ нижньої межі шару катіоніту (до проскакування Na⁺). До цього моменту на кожен еквівалент поглинених з розчину іонів Са²⁺, Mg²⁺ і Na⁺ в розчин поступає один еквівалент іонів Н⁺. Іони водню, що виділяються у воду, реагують з бікарбонат-іоном:

Н⁺ + НСО₃^– ⇄ Н₂СО₃⇄СО₂ + Н₂О.

(3.34)

Таким чином, при Н-катіонуванні одночасно з основним процесом відбувається руйнування бікарбонатної лужності води. Фільтрат набуває кислотності, рівної залишковій концентрації іонів Н⁺.

Другий період характеризується часом після проскакування іонів Na⁺ у воду. У цей період Н-катіонування поступово припиняється і починається витіснення іонами жорсткості раніше поглинених іонів Na⁺ у воду, тобто процес Н-катіонування переходить в Na-катіонування. У міру зростання концентрації іонів Na⁺ у фільтраті зростає лужність води і у момент досягнення концентрації іонів Na⁺ у фільтраті, рівної початковій, лужність відновлюється повністю. Концентрація іонів Na⁺ у фільтраті потім стає більше початкової, оскільки його іони, що витісняються, приєднуються до іонів Na⁺ в початковій воді, і потім поступово наближається до початкової концентрації іонів Na⁺ у міру наближення проскакування іонів жорсткості (Mg²⁺). Таким чином, при Н-катіонуванні спостерігаються два проскакування іонів, що супроводжуються різкою зміною лужності і кислотності води.

Робота фільтру до проскакування іонів Na⁺ або іонів жорсткості залежить від технологічної схеми його використання. Відповідно змінюється і робоча обмінна ємність катіоніту при роботі до проскакування того або іншого іона.

R₂/Ca²⁺+ nН⁺ ⇄2R/Н⁺ + Ca²⁺ + (n – 2)H⁺;	(3.35)
R₂/Mg²⁺ + nН⁺ ⇄2R/Н⁺ + Mg²⁺ + (n – 2)H⁺;	(3.36)
R/Na⁺ + nН⁺ ⇄R/Н⁺ + Na⁺ + (n – 1)H⁺,	(3.37)

Серйозним обмеженням при регенерації сірчаною кислотою є можливе загипсовывание катіоніту в результаті утворення CaSO₄. Ця обставина примушує обмежувати міцність регенераційного розчину або здійснювати двохступінчасту регенерацію. В цьому випадку регенерація проводиться спочатку 0,75 %-им розчином кислоти, а потім, коли основна маса іонів вже витиснена, 5 – 6 %-им розчином кислоти. Проте така схема регенерації створює відомі незручності при експлуатації. Іншим заходом для запобігання випаданню гіпсу є обмеження часу контакту регенераційного розчину з катіонітом.

Протиіонний ефект помітно виявляється при Н-катіонуванні вод із значним вмістом іонів SO₄ і Сl. Більш того, при Н-катіонуванні таких вод на слабокислотних катіонітах унаслідок різкого пониження значення рН

Рис. 3.8. Технологічна схема протитічної регенерації Н-катіонітних фільтрів:

I – пропускання розчину кислоти; II – відмивання; III – розпушування верхнього шару; IV – робочий цикл

знижується обмінна ємність цих катіонітів за рахунок придушення дисоціації таких груп, як –СООН і –ОН.

Конструктивні труднощі в здійсненні чисто протитічної регенерації привела до створення|створіння| схеми ступінчасто-протитічної| регенерації фільтрів, яка є|з'являється| проміжним варіантом між прямотічною| і протитічною регенераціями. Згідно|згідно з| цієї схемі розчин реагенту пропускається послідовно через два окремі відсіки, завантажених різною кількістю іоніту, як це робиться|чинить| при прямотічній| регенерації. При цьому, природно, іоніт у верхньому відсіку регенерується краще, ніж в нижньому|. Пропуск же води здійснюється спочатку через нижній відсік, а потім через верхній. Ця система регенерації дозволяє отримати|одержувати| якісніше очищення при скороченні на 30 – 40% кількостей реагенту на регенерацію. Більш ефективна| регенерація при застосуванні двухпоточно-протитічних| фільтрів з|із| середньою дренажною системою. При цьому частина|частина| регенераційного розчину подається знизу протитечією, а одночасно інша частина|частина| розчину подається зверху прямотоком|. Відведення регенераційного розчину проводиться|виробляє| через середню дренажну систему (рис. 3.9). Розпушування всього шару в такому

Рис. 3.9. Принципова схема двухпоточно-протитічного фільтру:

1—підведення оброблюваної води; 2 – відведення фільтрату; 3 – підведення регенераційного розчину; 4 – відведення регенераційного розчину; 5 – підведення води для розпушування; 6 – відведення води для розпушування

(3.38)

де τ – час фільтрування, год.;

υ_ф – швидкість фільтрування, м/год.;

d_з – діаметр зерен катіоніту, мм;

х – висота шару катіоніту, м;

φ = С_х/С_о; h = C_о/q_о;

С_о і С_х – концентрації іона відповідно початкова і у фільтраті;

q_о – концентрація даного іона, сорбованого катіонітом.

Аніонування водипроводиться з метою видалення з неї аніонів; при поєднанні аніонування з катіонуванням відбувається видалення з води як аніонів, так і катіонів, тобто хімічне знесолення води. При фільтруванні через шар аніоніту відбувається сорбція аніонів згідно наступним реакціям:

R/ОН + Cl^– ⇄R/Cl^– + OH^–;	(3.39)
2R/OH + SO₄^2– ⇄R₂/SO₄^2– + OH^–.	(3.40)

Перехід у воду іонів ОН^– приводить до підвищення її рН, що у свою чергу супроводжується дисоціацією слабких кислот Н₂СО₃ і H₂SiО₃ і перекладу їх в іонний стан. Отже, вони також можуть брати участь в реакціях обміну, але лише при використанні високоосновних аніонітів:

R/ОН^– + Н⁺ + НСО₃^– ⇄R/НСО₃^– + Н₂О;	(3.41)
R/ОН^– + Н⁺ + НSiО₃^– ⇄R/НSiО₃^– + Н₂О.	(3.42)

Слід зауважити, що при аніонуванні кислої води можливість|спроможність| підвищення концентрації іонів ОН^– у воді виключається, оскільки|тому що| ці іони при переході у воду зв’язуються іонами водню.

R/Cl^– + НСО₃^– ⇄R/НСО₃^– + Cl^–;	(3.43)
2R/Cl^– + SО₄²^– ⇄R/SО₄²^– + 2Cl^–;	(3.44)
R/Cl^– + NО₃^– ⇄R/NО₃^– + Cl^–.	(3.45)

R/Cl^– + nOH^– ⇄R/OH^– + Cl^– + (n – 1)OH^–;	(3.46)
R₂/SO₄²^– + nOH^– ⇄2R/OH^– + SО₄²^– + (n – 2)OH^–;	(3.47)
R/НСО₃^– + nOH^– ⇄R/OH^– + НСО₃^– + (n – 1)OH^–;	(3.48)
R/HSiO₃^– + nOH^– ⇄R/OH^– + HSiO₃^– + (n – 1)OH^–;	(3.49)
НСО₃^– + OH^– ⇄СО₃²^– + H₂O;	(3.50)
HSiO₃^– + OH^– ⇄SiO₃²^– + H₂O.	(3.51)

Рис. 3.10. Технологічна схема ступінчасто-протитічної| регенерації:

І – розпушування; ІІ – пропускання регенераційного розчину; ІІІ – відмивання; IV – робочий цикл

Основним завданням при використанні ОН-аніонітних фільтрів з високоосновним аніонітом в схемах знесолення є видалення кремнієвої кислоти з води, тому надзвичайно важливо для підвищення ємкості аніоніту по кремнієвій кислоті зменшувати вміст більш селективного бікарбонат-іону у воді, що поступає на іонування. У схемах ВПУ це здійснюється шляхом десорбції СО₂ з кислої Н-катіонованої води в деаераторах або декарбонізаторах.

Розрахункове рівняння вихідної кривої аніонітного фільтру (аніоніт АВ-17) по кремнієвій кислоті має вигляд

(3.52)

При використанні цього рівняння значення С_о[див. (3.38)] визначається як сумарна концентрація всіх аніонів у воді, що поступають на фільтр.

<7 8 91011 12 13 >

Дата добавления: 2015-05-19; просмотров: 1873;