Для просмотра сайта используйте Internet Explorer
|
|
5.2.Ионитные установки
5.2.1.Процессы ионного обмена при умягчении воды
Исходная вода может быть обработана путем ионного обмена. Процессу умягчения путем ионного обмена отдается предпочтение перед процессом умягчения методом осаждания при наличии следующих условий:
1) исходная вода содержит соли жесткости в количестве менее 2 мг-экв/л1;
2) когда требуется умягченная вода, практически свободная от растворенных солей;
3) когда затруднено удаление осадка, образовавшегося в процессе умягчения методом осаждения.
Различают Na-катионирование и H-катионирование в зависимости от того, какие катионы (натрия или водорода) содержатся на поверхности катионита – слоя зернистого материала, через который пропускают умягчаемую воду.
После Na-катионовых фильтров вода имеет повышенную щелочность (pH>7), а после H-катионовых – повышенную кислотность (pH<7). Катионированием жесткость воды может быть снижена до 0,036-0,05 мэкв/л.
Свойства Na-катионовых фильтров восстанавливаются при обработке катионита поваренной солью NaCl, а свойства H-катионовых фильтров – при обработке катионита серной кислотой.
В качестве катионитовых материалов применяют глауконит, сульфоуголь и некоторые смолы.
Глауконит - естественный материал, имеет местную алюмосиликатную2 анионную решетку с достаточно большими каналами, допускающими диффузию катионов. Практически такая диффузия в основном происходит в тонком поверхностном слое материала, поэтому обменная способность глауконита зависит от площади поверхности, а также и от размеров зерен материала. Размер зерен материала - 0,2-0,7 мм, с насыпным весом 1400 кг/м3. В щелочных растворах он теряет диоксид кремния SiO2 из алюмосиликатных соединений и на поверхности зерен образуется слой твердых отложений карбоната кальция. Поэтому глауконит применяют только в тех случаях, когда значение рН=6-8 и температура воды не выше 30°С, так как может быть потеряно большое количество материала.
Сульфоуголь - получают путем обработки серной кислотой каменных или бурых углей, торфа и других сложных органических материалов. Эти материалы являются кислотостойкими и поэтому могут быть использованы в качестве Н-катионитов. При значении рН>8 они начинают растворяться, и с увеличением рН их растворимость повышается.
Смолы (парафенолсульфокислотный катионит, вофатит) получаются конденсацией различных фенолов3 и их сульфопроизводных с формалином4. Смолы могут быть применены в сильнокислых или щелочных растворах при температурах до 95°С и в нейтральных растворах при температурах примерно до IIO-I20°C. Они также обладают высокой стойкостью по отношению к механическому истиранию.
При фильтровании воды через Na-катионит происходит полная замена катионов кальция Ca•• и магния Ma•• на катион N• по схеме:
Na2R+Ca(HCO3)2→CaR+2NaHCO3
Na2R+Ca(SO4)→CaR+Na2SO4,
В этом случае в умягченной воде остаются только натриевые соли, обладающие большой растворимостью и не способные вследствие этого образовывать накипь в паровых котлах.
Анионы, содержащиеся в умягченной воде (Cl’, HCO’3, SO’4 и др.) в этой реакции не участвуют. Регенерационным раствором при Na-катионировании служит 5-10% солевой раствор NaCl. Na-катионит предварительно взрыхляют обратным током чистой воды с интенсивностью 3 л/сек·м2. В результате этого катионы натрия вытесняют из катионита поглощенвые им катионы кальция и магния, которые переходят в раствор. Реакция протекает в обратном направлении по сравнению с реакцией поглощения.
Расход соли NaCl составляет около 200 г на 1 г-экв накипеобразователей, задержанных Na-катионитом. Продолжительность рабочего цикла Na-катионитового фильтра принимают не менее 6 часов. Продолжительность простоя фильтра при регенерации колеблется от 1,5 до 2 часов. При этом на взрыхление затрачивается 15-20 мин, на фильтрацию раствора соли 20-30 мин и на отмывку 40-60 мин.
Типовые катионитовые фильтры имеют диаметр 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 м и соответственно высоту 3,39; 3,52; 3,55; 3,69; 3,79 м. Объем загрузки фильтров (при высоте слоя 1,5 м) равен 1,2; 2,7; 4,7; 7,9 и 10,6 м3. Поддерживающие слои гравия в катионитовом фильтре общей высотой 0,35-0,4 м укладывают в 4-5 слоев следующей крупности (считая снизу): 30-20 мм; 20-10 мм; 10-5 мм; 5-2,5 мм и 2,5-1 мм.
При фильтровании воды через Н-катионит происходит замена катионов кальция Ca•• и магния Ma•• на катион H•. Регенерационным раствором служит 1,5-2% раствор серной кислоты. Расход H2SO4 в пересчете на 100% кислоту составляет 56 г на 1 г-экв накипеобразователей, задержанных Н-катионитом.
Так как после Н-катионитовых фильтров вода имеет повышенную кислотность, а после Na-катионитовых – повышенную щелочность, применяют Na-Н катионирование, обеспечивающее взаимную нейтрализацию щелочной и кислой воды.
При параллельной схеме Na-Н катионирования часть воды фильтруется через Na-катионитовый фильтр, другая - через Н-катионитовый, после чего та и другая вода смешивается для взаимной нейтрализации. Жесткость умягченной воды составляет 0,2-0,35 мг-экв/л.
При последовательной схеме часть воды фильтруется через Н-катионитовый фильтр, смешивается с остальной, а затем вся вода фильтруется через Na-катионитовый фильтр. Жесткость умягченной воды составляет 0,7-1,0 мг-экв/л.
При совместной схеме вся вода пропускается через катионитовый фильтр, отрегенерированный так, чтобы верхние слои катионита содержали обменные катионы водорода, а нижние - катионы Na. Жесткость умягченной воды в этом случае составляет 1,5-1,8 мг-экв/л.
1Эквивалент – количество вещества, соединяющегося с одним молем водорода или замещающего его в каком-либо соединении.
2Алюмосиликаты – соли алюминия, образованные кремниевыми кислотами. Это полевые шпаты, каолин, глауконит и т. д. Кремниевые кислоты: H2SiO3 (метакремневая кислота), H2SiF6 (гексафторкремневая или кремнефтористоводородная кислота), H4SiO4 (ортокремневая кислота. H2SiO3 в пересыщенных растворах полимеризуется в коллоидное состояние. При высушивании превращается в пористый продукт. Полевой шпат K2O·Al2O3·SiO2 или ортоклаз. При разложении ортоклаза по действием CO2, содержащегося в воде, получается каолин: Al2O3·2SiO2·2H2O.
3Фенол – производное ароматических углеводородов (бензол С6Н6 и все соединения, содержащие ядро бензола: стирол С6Н8, нафталин С10Н8) с группой ОН в бензольном ядре, например, С6Н5-ОН.
4Формалин – 40% водный раствор формальдегида: СН2=О.