Установки ионообменной фильтрации

Процедура ионного обмена зачастую применяется в современных технологиях очистки воды в дополнение к основным типам фильтрации: обратноосмотической, адсорбционной, дистилляции. Раствор ионитов применяют для смягчения воды и выборочной очистки вод от следующих включений:

• ионов,
• карбонов,
• высокомолекулярной органики,
• различных солей.

Смолы ионного обмена являют собой высокомолекулярные соединения синтетического происхождения с группами ионов, в функционал которых входит ионный обмен (обратимый процесс) в равном количестве.

В период обмена могут образовываться различно заряженные иониты:

• катиониты, занимающиеся обменом ионов с зарядом «+»,
• аниониты, которые обменивают ионы со знаком «-».

По функциональным особенностям иониты подразделяют на 4 группы:

1. Аниониты с сильной основой – обменивают анионы с различным уровнем диссоциации в среде любой кислотности.
2. Аниониты со слабой основой – могут обменивать анионы из среды уровня кислотности 1-6.
3. Катиониты сильной кислотности – обмениваются катионами в растворе с любым значением рН.
4. Катиониты слабой кислотности – обмен катионов происходит только при уровне кислотности в растворе свыше 7.

Отличительные особенности ионитов

1. Обменная емкость. Этим показателем количественно можно оценить ионообменную способность ионитов. Измеряется величина в мг-экв/л. Различают обменную емкость рабочую и полную.

В технологии водоподготовки основное внимание уделяют показателю рабочей обменной емкости. На практике при неоднократном использовании ионитов в процедуре абсорбции и регенеративном цикле обменную емкость вычисляют не в полном объеме, а лишь частично. Величина использования рассчитывается путем регенерации, величиной расхода регенерируемого вещества, вместимостью солей, уровнем кислотности, временем взаимодействия ионита с регенерирующим веществом, а также особенностями конструкции и гидродинамическими условиями в аппарате.

Сумма групп, которые в единице массы ионита имеют потенциал к ионному обмену, называется полной объемной емкостью.

Процедура очистки воды прекращается при достижении лимита иона в фильтрате намного раньше того периода, когда ионит использует свою объемную емкость на 100%.

2. Селективность. Это возможность ионита притягивать ионы из растворов в выборочном порядке. На данный показатель влияют тип группы ионогенов, размеры пор, содержание противоионов в жидкости, число связей по периметру матрицы ионитов.

При росте заряда противоионов селективность также увеличивается. Если ионы имеют одинаковые заряды, показатель растет при наборе атомного веса. Наибольшую селективность ионита можно достичь при максимуме веса противоиона и его заряда.

Ионный процесс – явление обратимое. Иониты, насыщенные ионами, которые выводятся из воды, регенерирует во время промывки кислотными (для катионитов) или щелочными (для анионитов) растворами. Так, противоионы, имеющие заряд 2, подвергаются вытеснению из ионитов противоионами с единичным зарядом при промывке регенерационной жидкостью с большим содержанием однозарядных противоионов.

3. Осмотическая стабильность. С изменением содержания солей, кислотности раствора зерно ионита меняет объем, что приводит к разрушению зерна. Объем зерна в жидкостях с большой концентрацией меньше, чем в слабоконцентрированных из-за осмотического эффекта.

Внешняя прослойка зерна может сжиматься или наоборот расширяться с большей скоростью, чем ядро. Это вызывает напряжение внутри зерна, приводящее к откалыванию частички верхнего слоя или разрыву самого ядра. Данное явление получило название «осмотический шок». В большинстве случаев иониты могут выдержать несколько таких случаев изменения состояния среды.

Число выдерживаемых циклов именуется осмотической прочностью или ионитной стабильностью.

4. Устойчивость к температурам. Катиониты более устойчивы к воздействию температуры нежели аниониты. Катиониты слабокислотные сохраняют работоспособность в среде с t<130 °С. Катиониты сильнокислотные функционируют при t<100-120 °С. Аниониты в основном теряют свои функциональные способности, если температура становится выше 60-80 °С.
5. Состав фракции. Наибольшее распространение в технологии водоподготовки получили иониты моносферного типа, имеющие синтетическое происхождение, обладающие высокой объемной емкостью, стабильностью к осмотическим процессам и механическому воздействию, практически одинакового размера и максимально однородные.

Процесс обмена ионами

Стандартно ионообменный фильтр должен заполняться ионитом на 60-65% от объема. Пустой промежуток необходим для работы при расширении загрузочного слоя.

Новейшие разработки позволили сократить процент свободного пространства в фильтре. Иониты могут заполнять до 80-90% емкости, что снижает число регенераций.

Отличия методов ионообменной фильтрации:

1. При традиционном выполнении технологического процесса вода к фильтру, как и раствор для регенерации, подается сверху вниз.
2. В технологии PUROPACK жидкость на очистку подается снизу вверх, а регенерационный раствор в обратном направлении.
3. При процессах UPCORE, SCHWEBEBETT вода на фильтр поступает сверху вниз, восстановительная жидкость снизу вверх.

Второй и третий способы относятся к методикам «зажатого слоя». Методики имеют различные комплектационные и технологические решения, но едины в том, что формируют фильтрат отменного качества, позволяют заполнять большие загрузочные объемы, имеют малые расходы на эксплуатацию.

NA-КАТИОНИРОВАНИЕ

Катионит в форме Na загружается в фильтруемую воду для смягчения воды. Ионы кальция и магния обуславливают жесткость воды. В ходе ионного обмена они заменяются на равное количество ионов натрия. Достигнуть остаточной жесткости фильтрата можно при дальнейшей регенерации катионитов. Состав анионов после натриевого катионирования остается прежним.

Следует учесть, что появляющийся в процессе натрий гидрокарбонат может превратиться в натрий гидроксид, что влечет за собой щелочную коррозию.

Минусы методики катионирования натрием:

• В энергетическом комплексе методику можно применять только для котлов с небольшим давлением ввиду постоянной величины щелочности фильтрата.
• Растет количество солей в фильтрате, т.к. обмен происходит в равном количестве, а эквивалентная масса натрия больше масс магния и кальция.

Водородное катионирование

В ходе технологического процесса катионы заменяются на ионы водорода.

Водородное катионирование сильнокислотным катионитом

Поглощение катионов кальция, магния и натрия катионитом сильной кислотности происходит по порядку их расположения в селективном ряду. Слой водородного катионита состоит из зоны поглощения ионов кальция, ниже – магния и натрия по направлению потока исходной воды.

Со временем истощения катионита зоны начинают перемещаться по направлению водного потока к нижнему слою катионита.

Когда ионы натрия поглощены, катионит начинает обменивать ионы кальция и магния на натрий, поглощенный им, пока полностью не вытеснят его.

Если в фильтрате обнаружен просочившийся ион натрия, это свидетельствует об истощении объемной емкости ионита.

Если в фильтрате обнаружен проскок натрия, кальция или магния – в зависимости от области использования фильтра – начинают процесс регенерации.

Водородное катионирование катионитом слабой кислотности

Катионит слабой кислотности выводит все ионы кальция и магния в связке с бикарбонатами.

Катион водорода, который вытесняют катионы жесткости, реагирует с анионами бикарбоната, в результате чего появляется угольная кислота со слабыми свойствами. Кислота поддерживает достаточно высокий уровень кислотности в зоне, где происходит обмен ионами, и способствует дальнейшему пребыванию катионита слабой кислотности в состоянии ионизации, пока в воде не исчезнут ионы бикарбоната или прочие кислот.

Из исходной воды не выводятся катиониты жесткости, связанные с сильнокислотными анионами. Сильные кислоты, которые появляются в воде в ходе ионного обмена, не позволяют слабокислотному катиониту ионизировать.

ОН-АНИОНИРОВАНИЕ

Данный метод позволяет заменить анионы на ионы гидроксила. Если объединить процессы гидроксильного анионирования и водородного катионирования, исходная вода лишится катионов и анионов, а их место займут гидроксилы и водород. Таким образом, произойдет удаление солей из воды химическим путем.

Фильтрующий слой анионитов адсорбирует анионы       . Высокий уровень кислотности среды приводит к диссоциации угольной и кремниевой кислот. Слабые кислоты переводятся в ионизированное состояние и могут принимать участие в ионном обмене при взаимодействии с сильноосновными анионитами.

Для химического обессоливания учитывают обменные емкости анионитов с сильной и слабой основой, а также способность первых поглощать анионы слабых кислот. Ионное обессоливание состоит из двух этапов:

1. Заполнение фильтров слабоосновным анионитом для сорбции SO₄^2-и Cl^—.
2. Загрузка сильноосновных анионитов в фильтры для поглощения ионов HSiO₃^—.

Процесс регенерации

В период восстановления ионообменных смол главной целью считают наращивание рабочей объемной емкости ионитов и минимизацию затрат на технологические нужды.

Как происходит восстановление катионита в натриевой форме.

При истощении катионита проводят его регенерацию раствором хлорида натрия 8-10%. Для регенерации требуется 140-170 г/г-экв натрия хлорида. При этом обменная емкость не будет полной.

При росте расхода натрия хлорида, используемого для регенерации, увеличится объемная емкость катионита. Однако, при росте расхода раствора натрия хлорида до 300 г/г-экв, процесс регенерации становится экономически невыгодным и небезопасным для экологии.

Раствор пропускается с линейной скоростью 5-8 м/ч для соблюдения требуемой продолжительности контактирования раствора натрия хлорида с катионитом. Не применяют скорость меньше 5 м/ч, так как это может привести к туннельному эффекту.

Как регенерирует катионит в водородной форме

В целях восстановления катионита лучше выбирать соляную кислоту. Регенерация в данном растворе предотвратит выпадение кальциевых солей, как при регенерации серной кислотой, т.н. гипсование ионита.

Восстановление катионита выполняют раствором серной кислоты 0,6-1,5% или хлороводородом 2-6%.

Если регенерация выполняется серной кислотой, ее концентрация в растворе не должна превышать 0,8%. Также при применении серной кислоты можно в дополнение прибегнуть к пошаговому восстановлению, что позволит сократить объем используемого реагента.

Максимум содержания серной кислоты при поэтапной регенерации достигает 1,5%. Эта цифра должна быть использована только на последней стадии восстановительного процесса истощенного катионита. Всего этапов в последовательном восстановлении два.

Восстановление анионитов

Фильтры с анионитами могут восстанавливаться различными растворами. Состав раствора зависит от типа анионита – с сильной или слабой основой, от сферы применения фильтрационного элемента – для удаления солей из исходной воды или высокомолекулярных организмов:

• Гидроксид натрия 2-8%,
• Хлорид натрия 8-10%,
• Аммиак 3-4% раствор,
• Гидрокарбонат натрия 6%.

Вода для регенеративного раствора используется прошедшая процедуру обессоливания или пропущенная через фильтр из катионитов.

Минусы процедуры ионного обмена

К весомому недочету технологии обмена ионами можно причислить потребность применения щелочных и кислотных растворов для выполнения процедуры регенерации истощенных ионитов. Для выполнения технологического процесса требуются дополнительные реагентные хозяйства.

ООО «Южная Пищевая Машиностроительная Компания» производит установку ионообменных устройств FIE по индивидуальному заказу или стандартной схеме.

Комплектующие для установок ионообменных систем:

1. Корпус установки из углеродистой стали, нержавейки или композита. Отличается по применяемой технологии: прямой и обратный ход. Одинарное, двойное, тройное исполнение, 4 штуки. Диаметры варьируются — 250-3400 мм. Пластиковые или стекловолоконные материалы. Работа под давлением 4-20 атм.
2. Пластиковые или нержавеющие дренажные системы по типу «верх-низ» внутри фильтрационного устройства. Могут комплектоваться щелевыми колпаками и стаканами, лучевыми узлами или узлами с двумя ярусами.
3. Катионитная или анионитная фильтровальная часть для ионного обмена.
4. Запорная арматура. Центральный контроллер, управляющий работой электропривода, пневматического или гидравлического механизма. Автоматы клапана управления.
5. Трубопроводная система из пластиковых материалов: ПП, ПЭ, ПВХ – или нержавейки.
6. КИПиА. Измерители кислотности, давления, манометры, приборы контроля химического состояния воды в режиме онлайн.
7. Участок для регенеративных процессов.
8. Рама, служащая опорой для всей конструкции, выполненная из стали, не поддающейся коррозии, или углеродистого материала с покрытием против ржавчины.