Ионитные методы обработки воды основаны на способности некоторых практически нерастворимых в воде материалов вступать в ионный обмен с растворенными в воде солями, сорбируя из обрабатываемой воды одни ионы и отдавая в раствор эквивалентное количество других ионов, которыми ионит периодически насыщается при регенерации. В качестве таких нерастворимых фильтрующих материалов используются катиониты и аниониты.

Катиониты при регенерации их растворами NaCl, H2SO4 или NH4Cl способны обменивать содержащиеся в них катионы (соответственно Na+, H+ или NH4+) на катионы обрабатываемой воды; этот процесс называется катионированием.

Аниониты при их регенерации щелочью NaOH, содой Na2CO3 или поваренной солью NaCl способны как бы заряжаться соответственно анионами ОН-, CO32- или Сl- и затем обменивать их на анионы, содержащиеся в обрабатываемой воде; этот процесс называется анионированием.

В практике водоподготовки для энергетических целей широкое распространение имеют сильнокислотные катиониты с активной группой SO3H: сульфоуголь (наиболее дедешевый), катионит КУ-2 (термостойкий), катионит КУ-1 и др. Сильнокислотные катиониты в пределах значений рН 1,5—10 мало изменяют свою обменную способность. Слабокислотные катиониты типа КБ-4 (с активной группой СООН-) способны к обмену катионов при рН > 7, при более низких значениях рН резко снижается обменная емкость поглощения за счет подавления диссоциации карбоксильных активных групп.

Аниониты разделяются на слабоосновные и сильноосновные.

Таблица 2-2. Техническая характеристика ионообменных материалов

Примечания:

1. Катионит КУ-2 примеряется при температуре 120-130°C, имеет Государственный знак качества, стоек к кислотам, шелочам, oрганическим продуктам.

2. Aнионит АВ-17-8 может работать в кислой и нейтральной среде при t < 50° С, имеет Государственный знак качества, используется для удаления кремния при обессолнвании и в схемах Na-Cl-ионирования.

3. Анионит АВ-23 применяется для реакций анионного обмена в кислой и нейтральной средах, допускает температуру среды до 130°С.

Слабоосновные аниониты АН-31, АН-1, АН-18 способны обменивать ионы своих активных групп на анионы сильных кислот только в растворах кислот и не способны к обмену ОН-ионов анионита на анионы слабых кислот (кремниевой, угольной и др.) и ионы солей. Сильноосновные аниониты способны обменивать ОН-ионы на анионы слабых кислот при отсутствии (либо при предварительном поглощении ими из обрабатываемой воды) ионов сильных кислот и их солей.

Анионирование на сильноосновных анионитах может осуществляться при различных значениях рН, т. е. в кислой, нейтральной и щелочной среде.

Анионирование в кислой среде применяется в схемах обессоливания, в нейтральной - с целью удаления ионов НСОз" из натрий-катионированной воды путем хлор-анионирования и в щелочной среде с целью удаления ионов ОН- и СО32- (понижение щелочности) после известкования и магнезиального обескремнивания воды путем также хслор-анионирования.

Техническая характеристика изготавливаемых отечественной промышленностью ионообменных материалов приведена в табл. 2-2.

Применение только одного какого-либо ионитного метода обработки воды в котельных низкого и среднего давления осуществляется редко, чаще применяется сочетание нескольких методов.

Так, подготовка воды для тепловых сетей может осуществляться путем одноступенчатого натрий- или водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров, для питания паровых котлов применяется сочетание нижеперечисленных методов.

1. Двухступенчатое натрий-катионирование.

2. Водород-катионирование с «голодной» регенерацией с последующим двухступенчатым натрий-катионированием.

3. Параллельное водород-натрий-катионирование с второй ступенью натрий-катионирования.

4. Натрий-катионирование (первая ступень) - хлор-ионирование, совмещенное в одном фильтре со второй ступенью натрий-катионирования.

5. Натрий-аммоний-катионирование (параллельное или совместное) со второй ступенью натрий-катионирования.

6. Частичное химическое обессоливание; осуществляется при необходимости несколько снизить содержание обрабатываемой воды. При этом водород-катионированием (осуществляется в одну или две ступени) удаляются Са2+, Mg2+, если необходимо, часть Na+, разрушается НСО3- (удаляется при декарбонизации), а образовавшиеся сильные кислоты НСl, H2SO4, HNO3, HNO2 и др. удаляются слабоосновными анионитами.

7. Полное химическое обессоливание; может осуществляться в две или три ступени, причем водород-катионированием удаляются все содержащиеся в обрабатываемой воде катионы, анион НСО3- разрушается и удаляется в основном декарбонизацией, анионы сильных кислот удаляются слабоосновным анионитом, анионы слабых кислот (кремниевой, угольной и др.) - сильноосновным анионитом.

а) Натрий-катионирование

Натрий-катионитный метод умягчения воды основан на способности некоторых нерастворимых в воде веществ (сульфоуголь, синтетические смолы), отрегенерированных поваренной солью, обменивать подвижно расположенный катион Na+ на Са2+ и Mg2+ по следующим реакциям:

где Каm - катионит (сульфоуголь, катиониты КУ-2, КУ-1 и др.).

Как видно из приведенных реакций, вместо кальциевых и магниевых солей в обрабатываемой воде образуется эквивалентное количество легко растворимых натриевых солей. Карбонатная жесткость образует в фильтрате эквивалентное количество бикарбоната натрия; щелочность умягчаемой воды, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр, при натрий-катионировании не изменяется, однако рН фильтрата будет больше, чем исходной воды, за счет замены Са2+ и Mg2+ на Na+ - более сильнощелочной катион.

Метод натрий-катионирования рекомендуется применять для артезианской или осветленной воды с содержанием взвешенных веществ не более 5-8 мг/л и цветностью не более 30°, если не требуется снижение бикарбонатной щелочности и допустимо увеличение солесодержания обрабатываемой воды за счет обмена кальция и магния на натрий.

Для получения глубокоумягченной воды с Жо < 0,02 мг-экв/л (с одновременной экономией, расхода соли) рекомендуется двухступенчатое натрий-катионирование.

б) Натрий-хлор-ионирование

Натрий-хлор-ионитный метод основан на умягчении воды с одновременным снижением щелочности и осуществляется путем последовательного фильтрования обрабатываемой воды через натрий-катионитный фильтр первой ступени, хлор-анионитный фильтр и затем натрий-катионитный фильтр второй ступени.

Рис. 2-3. Схема натрий-хлор-ионирования.

1 - исходная вода; 2 - натрий-катионитный фильтр первой ступени; 3 - натрий-хлор-ионитный фильтр (вторая ступень натрий-катионирования); 4 -натрий-хлор-ионированная вода.

Вторую ступень натрий-катионирования рационально совмещать в одном фильтре с хлор-анионированием, при этом внизу загружается катионит, а сверху - сильноосновный анионит типа АВ-17 (рис. 2-3).

В этом методе катионит и анионит регенерируются поваренной солью NaCl (Na+ регенерирует катионит, Сl- - анионит). На первой ступени катионирования происходит замещение катионов Са2+ и Mg2+ на Na+. Во второй ступени (в совмещенном натрий-хлор-ионитном фильтре) в слое анионита происходит обмен анионов SO42-, NО3-, NO2-, HCO3-, содержащихся в обрабатываемой воде, на хлор, а в слое катионита «проскочившие» катионы жесткости обмениваются на Na+.

в катионите

в анионите

Методом натрий-хлор-ионирования воды можно снизить жесткость фильтрата до 0,01 мг-экв/л и щелочность до ~0,2 мг-экв/л.

В отличие от работы катионита, у которого после «проскока» катионов жесткости происходит быстрое нарастание последней, хлор-анионит большую часть рабочего цикла работает с «проскоком» ионов НСО3- в фильтрат. Этой особенностью процесса хлор-ионирования часто пользуются в котельных установках, где требуется снижение щелочности только до 1-1,5 мг-экв/л.

С отключением фильтра на регенерацию при щелочности 1,5-3 мг-экв/л среднюю щелочность фильтрата за фильтроцикл получают в требуемых пределах, что значительно увеличивает рабочую емкость поглощения анионита по иону НСО3.

Метод натрий-хлор-ионирования в небольших установках (производительностью от 5 до 50 м3/ч) имеет явное преимущество перед водород-катионированием с декарбонизацией и последующим двухступенчатым натрий-катионированием. При хлор-ионировании расходуется только один реагент - поваренная соль, исключается коррозионно-активная кислота, требующая антикоррозионной защиты оборудования, трубопроводов и специальной арматуры; не требуется значительного увеличения оборудования в сравнении с наиболее простой схемой - натрий-катионирования (исключаются водород-катионитные фильтры, декарбонизатор, оборудование для хранения кислоты и приготовления регенерационного раствора, баки и насосы декарбонизированной воды и пр.).

Ограничением применения метода натрий-хлор-ионирования является недостаточный выпуск промышленностью анионитов, их высокая стоимость, а также изложенные ниже технологические условия, связанные с качеством исходной воды и содержанием Сl- в дренажных водах.

кроме того, сумма анионов сильных кислот (кроме Сl-) не должна превышать 3 мг-экв/л. При большем содержании анионов сильных кислот и производительности установки более 50 м3/ч применение схемы должно быть обосновано технико-экономическим расчетом, возможно, что в этих случаях эта схема будет более рентабельной, чем водород-катионирование с декарбонизацией.

В промышленных условиях при хлор-ионировании имело место снижение емкости поглощения анионита и нарушение гидродинамики фильтрующего слоя (сопротивление возрастало до 1,5 кгс/см2) в связи с загрязненностью регенерационного раствора солями жесткости. Это явление происходило в результате выпадения осадка карбоната кальция в объеме анионита и вызывало необходимость приготовления регенерационного раствора на умягченной натрий-катионированной воде.

По этой же причине использование регенерационного раствора после хлор-анионитных фильтров на натрий-катионитных фильтрах первой ступени возможно только в случае повышенной минерализации исходной воды, когда относительная доля бикарбонатного иона сравнительно небольшая.

Как показала практика эксплуатации, применение в схемах натрий-хлор-ионирования низкоосновных анионов невозможно, так как емкость поглощения анионитов типа АН-31, АН-18 и др. после 2-3 циклов поваренной солью не восстанавливается (фильтр не регенерируется).

При применении схемы натрий-хлор-ионирования надо также иметь в виду большую чувствительность анионитов к содержанию в воде железа и органических веществ, которые выводят анионит из строя. Наличие этих веществ в исходной воде ограничивает возможность применения схемы натрий-хлор-ионирования в котельных; так, в небольших установках обезжелезивание артезианской воды еще возможно осуществить сравнительно простыми

средствами, но удаление органических веществ и железа из поверхностной воды связано со сложными сооружениями для коагуляции и известкования, после которых хлор-ионирование и не требуется.

Для анионита АВ-17-8 приведены следующие наинаиболее полные лабораторные данные о проведении процесса хлор-ионирования:

Кроме того, установлена прямая зависимость соотношения емкости поглощения по иону HCO3- и общей по Σ (НСО3-

SO42- + NO3- + NO2-) и др. (без Cl-) в зависимости от качества исходной воды.

Приведенные на рис. 2-4 опыты проводились при отключении фильтров на регенерацию, при средней величине

проскока НСО3- 0,1 мг-экв/л и расходе поваренной соли на регенерацию примерно 50 кг/м3 анионита.

Приведенные результаты опытов наглядно подтверждают возможность использования хлорирования в котельных, так как к процессу предъявляются

менее жесткие требования (величина проскока НСО3- может составлять 1,5-2 мг-экв/л при принятом расходе соли 60 кг/м3 анионита).

Рис. 2-4. Соотношение бикарбонатной и общей обменной емкости поглощения при различных отношениях в исходной воде бикарбонат-ионов к сумме анионов сильных кислот.

в) Водород-катионирование

Сущность метода водород-катионирования заключается в фильтровании обрабатываемой воды через катионит, отрегенерированный кислотой. В процессе такого фильтрования катионы, растворенные в обрабатываемой воде, обмениваются на водород.

При этом протекают следующие реакции:

Как видно из приведенных реакций, в процессе водород-катионирования (до «проскока» катионов жесткости) вода умягчается - катионы жесткости Са2+ и Mg2+ обмениваются на водород, бикарбонатный ион, образующий так называемую карбонатную жесткость, разрушается с образованием углекислоты, а анионы солей постоянной жесткости образуют эквивалентное количество минеральных кислот.

При более глубоком водород-катионировании до «проскока» в фильтрат натрия [реакции (2-6) - (2-12)] натрий, содержащийся в исходной воде, обменивается на водород и образуется эквивалентное количество минеральных кислот. В зависимости от требований к качеству обработанной воды и от состава исходной воды метод водород-катионирования может осуществляться в различных схемах.

Наиболее широко водород-катионирование применяется в схемах: водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров, химического обессоливания (частичного и полного), и реже в схеме параллельного водород-натрий-катионирования.

Водород-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров

Осуществление водород-катиониводород-катионирования в схеме так называемой «голодной» регенерации фильтров нашло широкое применение в котельных установках, когда требуется разрушение бикарбонатного иона со снижением только карбонатной жесткости (щелочности) до 0,7-1,5 мг-экв/л.

В отличие от обычного процесса водород-катионирования (при котором берется избыток кислоты в 1,5-2 раза больше теоретического) в этом процессе расход кислоты на регенерацию соответствует теоретическому или даже несколько меньше его. При этом верхние слои отрегенерированного катионита будут содержать обменный катион водорода Н+, а в нижних слоях останутся ранее задержанные ионы Са2+, Mg2+ и Na+.

В верхних слоях катионита, отрегенерированного «голодной» дозой кислоты, происходят все обычные реакции ионного обмена, приведенные в уравнениях (2-5) - (2-11), в результате которых образуются сильные минеральные кислоты и угольная кислота. Проходя неотрегенерированные слои катионита, ионы водорода сильных минеральных кислот обмениваются на ионы Са2+, Mg2+ и Na+ по уравнениям:

и т.д., происходит как бы регенерация, а затем вновь образуются те же соли, что были в исходной воде.

связанной углекислоты [уравнения (2-6) и (2-7)] и удаляются связанные с бикарбонатом катионы.

В присутствии сильных кислот диссоциация угольной кислоты подавлена, поэтому образовавшийся в верхних слоях СО2 находится в виде растворенного в воде газа и проходит как бы «транзитом» неотрегенерированные слои катионита, и только когда в фильтрате уже нет сильных кислот, некоторое количество ионов водорода (угольной кислоты) обменивается в нижних слоях, на натрий, чем и обусловливается появление вторичной щелочности водород-катионированной воды.

Постепенно количество ионов водорода в фильтре уменьшается и перемещается в более нижние слои.

К моменту отключения фильтра на регенерацию ионы водорода в катионите практически расходуются полностью.

Получение при водород-катионирорании с «голодной» регенерацией фильтров фильтрата с минимальной щелочностью (при условии отсутствия сброса кислой воды при регенерации и кислого фильтрата в процессе водород-катионирования) зависит от качества исходной воды и расхода кислоты на регенерацию. Повышение расхода кислотына регенерацию выше оптимального приводит к получению в какой-то период фильтроцикла кислого фильтрата; недостаточная доза кислоты будет вести к повышению щелочности фильтрата и к снижению емкости поглощения катионита.

Таблица 2-3. Водород-катионирование в различных схемах обработки воды

Для устранения колебания щелочности и предотвращения появления кислого фильтрата схема водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров осуществляется в две ступени, для чего после водород-катионитных фильтров устанавливаются буферные саморегенерирующиеся фильтры с высотой слоя сульфоугля 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч (рис. 2-5).

Буферные фильтры как бы увеличивают нерегенерируемый слой дород-катионитного фильтра, предохраняя фильтрат от «проскоков» кислоты, создают большую надежность работы установки, обеспечивая при этом более полное использование обменной емкости катионита.

К буферным саморегенерирующимся фильтрам не допускается подвода регенерационных растворов (кислоты или соли), взрыхление их должно производиться жесткой исходной водой. Кроме того, получение постоянной величины щелочности после водород-катионитных фильтров, работающих при «голодном» режиме регенерации, достигается путем составления при наладке соответствующего графика совместной работы и регенерации установленных фильтров (обычно устанавливается не менее трех фильтров, кроме буферных). Схема водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров имеет следующие преимущества перед схемой параллельного водород-натрий-катионирования: сброс в дренаж нейтральных стоков в процессе регенерации;

теоретически необходимый расход кислоты на регенерацию водород-катионитных фильтров.

Особенности процесса водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров зависят прежде всего от химического состава исходной воды, который и диктует оптимальные условия проведения процесса.

Характеристика катионного состава исходной воды:

характеристика анионного состава:

где К - отношение, характеризующее катионный состав исходной воды; А - отношение, характеризующее анионный состав исходной воды; Na+, Ca2+, Mg2+ - содержание в исходной воде соответственно натрия, кальция и магния, мг-экв/л; НСО3-, Сl-, SO42- - содержание в исходной воде соответственно бикарбоната, хлора и сульфат иона, мг-экв/л; Жо - общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; ΣА с.к. - сумма анионов сильных кислот, содержащихся в исходной воде, мг-экв/л.

По величине отношений К и А можно решить, как будет протекать процесс водород-катионирования с «голодной» регенерацией, и рекомендовать оптимальные условия проведения процесса. На рис. 2-6, 2-7 и 2-8 представлены графики изменения щелочности и жесткости в процессе водород-катионирования «голодной» регистрацией фильтра в зависимости от объема фильтра.

Таблица 2-4 Условия применения водород-катионирования с "голодной" регенерацией фильтров

Примечания:

1. Для исходных вод с А 10 применение Нг возможно, если потребитель допускает остаточную щелочность выше 1 мг-экв/л; доза кислоты на регенерацию при этом будет составлять 50-60 г/г-экв

Параллельное водород-натрий-катионирование

На водород-катионитных фильтрах реакции протекают по уравнениям (2-6) - (2-9). При параллельном водород-натрий-катионировании обрабатываемая вода разделяется на два потока, каждый из которых пропускается через водород- или натрий-катионитные фильтры. В каждом из потоков вода умягчается до остаточной жесткости фильтрата около 0,1 мг-экв/л, после чего кислая (кислотность эквивалентна некарбонатной жесткости) водород-катионированная вода смешивается со щелочной натрий-катионированной водой (щелочность эквивалентна щелочности исходной воды), происходит реакция нейтрализации:

Образовавшаяся свободная углекислота удаляется из обрабатываемой воды путем продувки воздухом в декарбонизаторе. При параллельном водород-натрий-катионировании можно получать остаточную щелочность обрабатываемой воды около 0,35 мг-экв/л. Схема обработки воды путем параллельного водород-натрий-катионирования приведена на рис. 2-9. Декарбонизированная вода, если не требуется глубокого умягчения, используется, например, для подпитки тепловых сетей, либо подвергается второй ступени натрий-катионирования.

Схему параллельного водород-натрий-катионирования следует применять только в тех случаях, когда невозможно применить водород-катионирование с «голодной» регенерацией, так как при ее осуществлении будут иметь место сброс кислых стоков при регенерации и значительно больший расход кислоты (в 1,5-2 раза более теоретического).

Водород-катионирование в схемах химического обессоливания

В схемах химического обессоливания водород-катионитные фильтры используются для выполнения различных задач; реакции протекают по уравнениям (2-6) - (2-12), при этом может осуществляться одно-, двух- и трехступенчатое водород-катионирование.

В зависимости от требований к качеству обессоленной воды изменяется и проведение процесса водород-катионирования. Так, при необходимости частичного обессоливания водород-катионирование можно вести в одну ступень до «проскока» катионов жесткости Са2+ и Mg2+; при необходимости более глубокого обессоливания требуется двух- или трехступенчатое водород-катионирование. Одноступенчатое водород-катионирование с удалением Са2+, Mg2+ и Na+ при использовании в качестве катионита сульфоугля нецелесообразно, так как при работе фильтра до «проскока» Na+ требуется большой расход кислоты на регенерацию и воды на отмывку катионита. При использовании сульфоугля экономичнее двухступенчатая схема водород-катионирования. В этом случае первая ступень работает до «проскока» катионов жесткости Са2+ и Mg2+, при этом на ней в два с лишним раза увеличивается рабочая емкость поглощения катионита, расход кислоты принимается 70-75 г/г-экв, а вторая ступень работает до «проскока» катионов Na+ и регенерируется большим избытком кислоты, что позволяет в значительной степени сократить расходы кислоты и воды на регенерацию.

При использовании в качестве водород-катионита высокоемких катионитов типа КУ-2 возможно проведение водород-катионирования до «проскока» катионов Na+ в одну ступень без практического ухудшения условий регенерации.

При водород-катионировании высокоминерализованных вод с содержанием анионов сильных кислот более 5 мг-экв/л следует вести процесс в противоточных водород-катионитных фильтрах или осуществлять ступенчато-противоточное катионирование. Ступенчато-противоточное катионирование осуществляется в двух последовательно работающих фильтрах (двухэтажных): первой и второй ступени катионирования. На регенерацию отключаются одновременно оба фильтра (обе ступени), Регенерационный раствор (и отмывка) ведется одним раствором - вначале второй ступени, а затем первой.

г) Ионитный способ обессоливания воды (химическое обессоливание)

обессоливание воды путем ионного обмена заключается в последовательном фильтровании через водород-катионитные, а затем анионитные фильтры.

В водород-катионитных фильтрах (отрегенерированных кислотой) катионы, содержащиеся в исходной воде, обмениваются на водород и задерживаются фильтрующим материалом, а в фильтрате образуется эквивалентное количество кислоты из анионов, с которыми были связаны поглощенные катионы.

На анионитных фильтрах (отрегенерированных щелочью) анионы кислот, образовавшиеся при водород-катионировании, задерживаются анионитом и в результате получается обессоленная вода.

Реакции, протекающие в процессе обессоливания, могут быть представлены в молекулярной форме:

а) при водород-катионировании протекают реакции по уравнениям (2-6) - (2-12);

б) при анионировании, если анионит отрегенерирован NaOH, протекают реакции:

в) при анионировании, если анионит отрегенерирован Na2CO3, протекают реакции:

г) при анионировании, если анионит отрегенерирован NaHCO3, протекают реакции:

где Ан - анионит (АН-31, АВ-17 и др.).

Как видно из приведенных реакций, при водород-катионировании происходит:

Разрушение бикарбонатов с образованием углекислоты;

Образование сильных минеральных кислот;

Образование слабой кремниевой кислоты.

Удаление углекислоты обычно осуществляется путем установки декарбонизаторов (если нет предварительного известкования обрабатываемой воды).

Сильные кислоты удаляются на анионитных фильтрах, загруженных слабоосновным анионитом типа АН-31 и др.(первая ступень обессоливания). После удаления анионов сильных кислот, сильноосновным анионитом типа АВ-17 удаляются анионы кремниевой кислоты и анионы углекислоты, не удаленные в декарбонизаторе (вторая ступень обессоливания).

Регенерация слабоосновных анионитов может производиться любой натриевой щелочью (NaOH, NaHCO3 и Nа2СО3).

Выбор той или другой щелочи диктуется экономическими и технологическими соображениями. NaOH дороже NaHCO3 и Nа2СО3, но при применении двух последних реагентов в процессе ионного обмена в соответствии с реакциями (2-22) - (2-25) образуется углекислота, удаление которой необходимо перед фильтрами с высокоосновным анионитом, так как при наличии углекислоты обменная способность последнего непроизводительно расходуется на удаление СО2, и возрастает опасность коррозии оборудования, расположенного до термического деаэратора. В установках частичного обессоливания с предварительным известкованием нет смысла применять NaHCO3 и Na2CO3, так как в этом случае потребовалась бы установка декарбонизатора только в связи с регенерацией этими щелочами. Если же в технологической схеме принята установка декарбонизатора после слабоосновных анионитных фильтров, применение Na2CO3 и NaHCO3 для их регенерации целесообразно.

Сильноосновные аниониты регенерируются только едким натром, так как при регенерации другими щелочами (NaHCO3, Nа2СО3) такие аниониты утрачивают способность поглощать анионы кремниевой кислоты.

Третья ступень обессоливания осуществляется для получения глубоко-обессоленной воды. Фильтры третьей ступени обессоливания регенерируются 2-4%-ным раствором NH4OH (что гарантирует отсутствие в обессоленной воде всех солей) и предназначаются для улавливания продуктов растворения сульфокатионитов, остатков серной кислоты после отмывки фильтра.

В зависимости от требований к обессоленной воде и от качества исходной воды принимается та или иная схема обессоливания, т.е. сочетание работы водород-катионитных и анионитных фильтров различного назначения.

При необходимости получения глубокообессоленной (обескремненной) воды с солесодержанием 1-0,1 мг/л, как это имеет место, например, на тепловых электростанциях, на основании технико-экономических расчетов (ВТИ, ТЭП) установлено, что химическое обессоливание целесообразно лишь при солесодержании исходной воды до 800-1000 мг/л.

При большем солесодержании в каждом конкретном случае должно производиться технико-экономическое сравнение ионитного, испарительного или паропреобразовательного методов с учетом стоимости тепла, реагентов, возможности сброса отработанных регенерационных вод и пр.

В случаях, когда обессоливание осуществляется для некоторого снижения солесодержания, например до 100-150 мг/л, целесообразно обессоливать исходную воду с солесодержанием до 3000 мг/л. Тогда частичное обессоливание происходит путем смешения обессоленной и минерализованной воды; путем получения в общей линии после водород-катионитных фильтров фильтрата такой кислотностью, которая соответствует допустимому солесодержанию частично oбессоленной воды.

Рис. 2-10. Схемы частичного химического обессоливания.

1 - вода из поверхностных источников водоснабжения; 2 - предочистка с известкованием; 3 - известкованная осветленная вода; 4 - водород-катионитный фильтр; 5 - анионитный фильтр; б - обессоленная вода; 7 - вода артезианская или из питьевого водопровода; 8 - декарбонизатор; 9 - вентилятор к декарбонизатору; 10 - бак декарбонизированной воды; 11 - насос декарбонизированной воды; 12 - водород-катионитный фильтр первой ступени; 13 - водород-катионитыый фильтр второй ступени.

В зависимости от качества исхной воды можно применять следующие варианты схем частичного химического обессоливания (рис. 2-11).

Вариант 1 (рис. 2-10, а) . Исходная вода из поверхностного источника. Содержание Na+ менее 1 мг-экв/л; сумма анионов сильных кислот Σ с.к. < 3. Предочистка осуществляется с известкованием, этом удаляется свободная и связанная углекислота (установки декарбонизатора не требуется); водород-катионитный фильтр - обычный, загруженный сульфоуглем, работает до «проскока» катионов жесткости Са2+ и Mg2+. Удельный расход кислоты на регенерацию принимается по рис. 5-5. Рабочая обменная способность сульфоугля определяется по уравнению (5-63). Анионитный фильтр загружается слабоосновным анионитом и регенерируется едким натром.

Примечание. Если требуется глубокое (более 0,1 мг-экв/л) умягчение воды, применяется схема варианта 2 или после анионитного фильтра устанавливается натрий-катионитный фильтр (вторая ступень катионирования).

Вариант 2 (рис. 2-10, а) . Исходная вода из поверхностного источника. Содержание Na+ не нормируется; Σ с.к. > 3. Водород-катионитный фильтр обычный, загруженный катионитом КУ-2, может работать до «проскока» катиона Na+. Удельный расход кислоты на регенерацию принимается по рис. 5-6. Анионитный фильтр загружается слабоосновным анионитом и регенерируется едким натром. См. примечание к варианту 1.

Вариант 3 (рис. 2-10, а). Исходная вода из поверхностного источника. Содержание Na+ не нормируется; Σ с.к. > 5. Водород-катионитный фильтр противоточный, загруженный катионитом КУ-2. Установка противоточного фильтра даст экономию кислоты и воды на регенерацию. Удельный расход кислоты на регенерацию принимается по рис. 5-6. Анионитный фильтр загружается слабоосновным анионитом, регенерируемым NaOH. Расход щелочи и обменная способность анионита приведены в § 5-7. См. примечание к варианту 1.

Вариант 4 (рис. 2-10, б). Вода артезианская или из питьевого водопровода. Содержание Na+ < 1 мг-экв/л; Σ с.к. > 3. Водород-катионитный фильтр обычный, загруженный сульфоуглем, работает до «проскока» катионов Са2+ и Mg2+. Удельный расход кислоты принимается по рис. 5-5. Рабочая обменная способность сульфоугля определяется по уравнению (5-63). Анионитный фильтр загружается слабоосновным анионитом, регенерируется двууглекислой NaHCO3 или кальцинированной содой Nа2СО, более дешевыми, чем NaOH. Образующаяся при водород-катионировании [уравнения (2-6) и (2-7)] и при регенерации анионита [уравнения (2-22) - (2-25)] углекислота удаляется в декарбонизаторе 8. Расход щелочи и обменная способность анионита приведены в § 5-7.

Вариант 5 (рис. 2-10, б). Вода артезианская или из питьевого водопровода. Содержание Na+ не нормируется; Σ с.к. > 3. Водород-катионитный фильтр обычный, загруженный катионитом КУ-2, работает до «проскока» катионов Na+. Удельный расход кислоты на регенерацию принимается по рис. 5-6. Обменная способность катионита определяется по уравнению (5-70). Анионитный фильтр загружается слабоосновным анионитом, регенерируется двууглекислой или кальцинированной содой. Образующаяся, при водород-катионировании [уравнения (2-5) и (2-6)] и при регенерации анионита [уравнения (2-21) - (2-24)] углекислота удаляется в декарбонизаторе 8.

Вариант 6 (рис. 2-10, б). Вода артезианская или из питьевого водопровода. Содержание Na+ не нормируется; Σ с.к. > 5. Водород-катионитный фильтр противоточный, загруженный катионитом КУ-2. Удельный расход кислоты на регенерацию принимается по рис. 5-6. Установка противоточного фильтра дает экономию кислоты и воды на регенерацию. В остальном осуществление схемы обессоливания принимается по варианту 5.

Схему обессоливания можно рекомендовать для минерализованных вод с целью сокращения расхода кислоты на регенерацию. В этой схеме первая ступень водород-катионирования работает до «проскока» катионов Са2+ и Mg2+ (или до снижения примерно до 20% максимальной кислотности фильтрата) с расходом кислоты 70-75 г/г-экв на регенерацию поглощаемых катионов.

Вторая ступень водород-катионирования работает до «проскока» катионов Na+, регенерируется большим избытком кислоты. Регенерация фильтров первой и второй ступени производится одновременно, регенерационный раствор и отмывочные воды после второй ступени используются для регенерации первой ступени. Это позволяет сократить расход кислоты для регенерации на 15-20%.

Как видно из этих реакций, бикарбонат аммония разлагается на аммиак и углекислоту, которые летят с паром, а из аммониевых солей сильных кислот образуются кислоты. Во избежание кислой реакции в котле аммоний-катионирование применяется совместно с натрий-катионированием, при котором соли карбонатной жесткости образуют бикарбонат натрия, разлагающийся в котле с образованием соды Na2CO3 и едкого натра NaOH, нейтрализующих кислоты в момент их образования. Практически реакция нейтрализации в котле не должна происходить, так как концентрация аммония должна быть значительно меньше содержания ионов НСО3-. Метод аммоний-натрий-катионирования может осуществляться как по параллельной схеме, так и по схеме совместного натрий-аммоний-катионирования. Метод натрий-аммоний-катионирования не следует применять, если имеется опасность аммиачной коррозии оборудования, изготовленного из латуни или других медных сплавов, если пар применяется для технологических целей, не допускающих содержания аммиака, и если вода или пар используются для систем горячего водоснабжения или в так называемых «открытых» системах теплоснабжения.

При наличии в исходной воде солей постоянной жесткости метод аммоний-натрий-катионирования практически не следует рекомендовать в связи с тем, что при недостаточно точной эксплуатации (при передозировке сульфата аммония) в котле может образоваться кислота.

Обработка воды методом ионного обмена

Ионный состав воды. Обработка воды методом ионного обмена.

Конструкция и принцип работы катионитового фильтра; особенности работы Na, H, NH 4 – катионитных фильтров, конструкция и принцип работы анионитных фильтров. Процесс восстановления ионных фильтров; схема работы обессоливающей установки, схема нейтрализации сточных вод.

Ионный состав воды

Сущность ионного обмена заключается в способности специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав обрабатываемой воды. Иониты представляют собой нерастворимые высокомолекулярные вещества, которые благодаря наличию в них специальных функциональных групп способны к реакциям ионного обмена, т.е. они способны поглощать из раствора положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентные количества других ионов, содержащихся в ионите, имеющих заряд того же знака. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на катиониты и аниониты. Способность ионитов к обмену ионами с раствором определяется их строением. Иониты состоят из нерастворимой твердой основы (матрицы), которая при помещении ее в воду способна увеличивать свой объем в 1,1-2,0 раза за счет взаимодействия с полярными молекулами Н 2 О , что дает возможность взаимной диффузии обменивающихся ионов после завершения синтеза и превращения матрицы в ионит.

Полученную матрицу обрабатывают химическими реагентами, прививая к ней специальные функциональные группы, замещающие в бензольных кольцах ионы водорода и способные к диссоциации в растворах. Фиксированный на матрице ион (часть функциональной группы) определяет возникновение заряда и носит название потенциалообразующего. Заряд каркаса компенсируется зарядом ионов противоположного знака, называемых противоионами (рис. 4.1). Противоионы образуют диффузный слой, они подвижны вокруг матрицы и могут быть заменены другими ионами с зарядом того же знака. Появление потенциалообразующих ионов и противо-ионов может происходить не только за счет диссоциации функциональных групп, но и за счет адсорбции функциональными группами из раствора ионов с каким-либо знаком заряда. Обычно матрицу с фиксированными ионами обозначают символом R, а противоион - химическим символом, например, RNa - катионит с обменным ионом (противоионом) натрия, a ROH - анионит с обменной гидроксильной группой.

Рисунок 4.1 – Структуры элементов объема ионитов:

а – катионит; б – анионит; 1 – матрица; 2 – потенциалообразующие фиксированные ионы; 3 – ионы диффузионного слоя.

Вода всегда электрически нейтральна, поэтому сумма концентраций содержащихся ней катионов равна сумме концентраций анионов при условии, что они выражены в мгэкв/л:

∑С К = ∑С А

Это уравнение называется уравнением электронейтральности раствора, которым пользуются при проверке правильности анализа воды.

Таблица 4.1 – Ионный состав воды

Двухвалентное железо встречается в подземных водах чаще всего в виде бикарбонатов Fe (HCO 3 ) 2 . Соединения 3-хвалентного железа встречаются в поверхностных водах, и находится в коллоидном состоянии Fe (OH 3 ). Если в природных водах содержаться соединения азота, а именно ионы аммония NH 4 + , нитрат и нитрит ионы NO 3 - ,NO 2 - это свидетельствует о том, что источник водоснабжения загрязнен хозяйственно бытовыми стоками. Химически чистая вода является очень слабым электролитом. Примерно 1 из 10 млн. молекул диссоциирует на ионы:

H 2 O↔H + + OH -

Отрицательный логарифм концентрации ионов водорода называется водородным показателем :

pH = -lg

Для химически чистой воды pH = 7. В зависимости от значения pH водного раствора оценивается реакция среды. При 1 ≤ pH < 3 – реакция среды кислая; 4 < pH < 6 – слабо кислая; pH = 7– нейтральная; 8 < pH < 10 – слабощелочная; 11 < pH ≤ 14 – щелочная.

Вода для питьевых целей по ГОСТ 2874-82 имеет pH =6,5…9,0.

4.2 Обработка воды методом ионного обмена

Обработка воды методом ионного обмена основана на пропуске исходной или частично обработанной воды через слой ионно-обменного материала практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в воде ионами. Обрабатываемая вода пропускается через фильтры, загруженные ионитами. Просачиваясь между зернами ионита, обрабатываемая вода обменивает часть ионов растворенных в ней электролитов на эквивалентное количество ионов ионита, в результате чего изменяется ионный состав, как фильтруемой воды, так и самого ионита. Материалы, обладающие свойствами обмена катионами называются катионитами , а анионами – анионитами . Для получения нужной формы ионита проводится регенерация. Катиониты при регенерации их растворами NaCl , H 2 SO 4 , NH 4 Cl образуют соответственно натриевую, водородную или аммонийную форму, которая условно обозначается NaR , H 2 R , NH 4 R . При пропуске воды содержащей катионы Са 2 + и Mg 2 + через отрегенерированный катионит протекает реакция обмена ионов кальция Са 2+ , Mg 2+ на ионы Na + , H + или NH 4 + , содержащиеся в катионите. Этот процесс называется катионированием. Аниониты, отреагировавшие с щелочами (чаще всего NaOH ) образуют гидроксидную форму, условно обозначаемую ROH , если через регенерирующий анионит пропускать раствор кислоты, например HCl произойдет реакция обмена анионов – анионирование и осуществится взаимная нейтрализация ионов Н + и гидроксидионов ОН - , вытесненных анионами из анионита.

По своей химической природе все катиониты являются кислотами, а все аниониты – основаниями. В зависимости от состава функционально-активных групп типы ионитов различаются по кислотности и основности. Катиониты разделяют на сильно, средне и слабо кислотные и соответственно аниониты на средне, сильно и слабо основные.

Как катионирование, так и анионирование получили широкое применение на ТЭС для умягчения, обессоливания и обескремнивания добавочной питательной воды парогенераторов, загрязненных конденсатов и подпиточной воды тепловых сетей.

Обработка воды методом ионного обмена принципиально отличается от обработки воды методом осаждения тем, что удаляемые из нее примеси не образуют осадка, и тем, что такая обработка не требует непрерывного дозирования реагентов. В связи с этим эксплуатация водоподготовительных установок, работающих по методу ионного обмена, значительно проще, габариты аппаратов меньше, а эффект обработки выше, чем установок работающих по методу осаждения.

В качестве ионитов в РФ используются сульфоуголь и синтетические смолы, относящиеся к разряду пластических масс.

Протекая через ионит, первоначально насыщенный ионами А (рис. 4.2), обрабатываемый раствор, содержащий ионы В, будет постоянно контактировать с новыми слоями свежего (неиспользованного) ионита. Со временем верхние слои ионита отдадут все ионы А и потеряют свою ионообменную способность, они как бы истощатся (зона а ). Вследствие этого переходная зона, в которой происходит ионный обмен (зона b ), будет все дальше и дальше перемещаться вниз по слою. При определенных условиях эта зона достигает стационарной ширины. Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне носит название фронта фильтрования. В нижних слоях (зона с ) ионит еще полностью насыщен ионами А. Когда нижняя граница переходной зоны достигнет конца слоя ионита, наступит проскок иона В в фильтрат, что служит обычно сигналом для отключения фильтра на регенерацию.

Рисунок 4.2 – Схема ионообменного процесса в ионитном фильтре:

· - ионит, насыщенный ионами А;

o - ионит, насыщенный ионами В.

В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов может сформироваться острый фронт фильтрования, который переносится параллельно, или размытый (диффузный), расширяющийся при движении по высоте слоя ионита. Кривая, показывающая зависимость концентрации примесей в фильтрате от времени работы фильтра (или объема пропущенного через фильтр раствора), носит название выходной кривой. Примеры выходных кривых при остром и диффузном фронтах фильтрования приведены на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Фронты фильтрования и выходные кривые в ионитных фильтрах:

1 – диффузионный фронт фильтрования; 2 – выходная кривая при диффузионном слое; 3 – острый фронт фильтрования; 4 – выходная кривая при остром фронте; х – высота слоя ионита; t - время работы фильтра.

От вида кривой фронта фильтрования зависит степень использования обменной емкости при работе фильтра, поэтому при обосновании ионообменной технологии иониты подбирают так, чтобы сорбция наиболее важных ионов в водоподготовке происходила при остром фронте фильтрования.

На формирование фронта фильтрования влияют также гидродинамические процессы, определяемые скоростью фильтрования, структурой зернистого слоя, конструкцией дренажных устройств и рядом других факторов.

4.3 N a – катионирование

Этот процесс применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме (содержащего в качестве обменных ионов катионы натрия Na ), для чего предварительно катионит регенерируется NaCl .

При Na – катионировании протекают реакции:

NаR + Ca(HCO 3) 2 → CaR 2 + 2NаНCO 3

2NaR + Mg(HCO 3) 2 → MgR 2 + 2NaHCO 3

2NaR + CaCl 2 → CaR 2 + 2NaCl

2NaR + CaSO 4 → CaR 2 + Na 2 SO 4

Как видно из приведенных реакций из обрабатываемой воды удаляются катионы Са 2 + и Mg 2 + , а в обрабатываемую воду поступают катионы Nа 2 + , анионный состав воды и ее щелочность при этом не изменяется, а солесодержание ее несколько возрастает.

Одноступенчатым Na –катионированием можно получить воду с остаточной жидкостью до 0,1 мгэкв/л. Однако для более глубокого умягчения воды достаточной жесткости 0,01 – 0,02 мгэкв/л требуется существенно увеличивать удельный расход соли на регенерацию фильтра, причем необходим тщательный контроль за ""проскоком"" жесткости.

Процесс умягчения при Na -катионировании заканчивается при наступлении ""проскока"" жесткости (рис. 4.4), после чего истощенный катионит в фильтре надо регенерировать, т.е. восстанавливать его способность к обмену ионами. Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6-10 %-ного раствора NaCl . Вследствие относительно большой концентрации ионов Na в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Са 2 + и Mg 2 + по реакциям:

R 2 Ca + nNa + ↔ 2RNa + Ca 2+ + (n-2)Na + ;

R 2 Mg + nNa + ↔ 2RNa + Mg 2+ + (n-2)Na + ,

Где п - избыток NaCl против его стехиометрического количества.

Рисунок 4.4 – Выходная кривая Nа -катионитного фильтра

Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком п. При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован лобовой катионит, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышенияконцентрации в регенерационном растворе ионов Са 2 + и Mg 2 + , вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенерата ионами Na + . Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической соли NaCl ионами Са 2+ и Mg 2 + .

Рисунок 4.5 – Влияние расхода соли на эффект регенерации катионита

Эффект повышения обменной емкости с увеличением расхода соли при регенерации показан на рис. 4.5, из которого следует, что эффект прироста обменной емкости с увеличением расхода более 300 г/г-экв заметно снижается.

В схеме двухступенчатого Na – катионирования недостатки одноступенчатого катионирования устраняются, и обеспечивается надежно остаточная жесткость фильтра менее 0,01 мгэкв/л. Число ступеней катионирования определяется требованиями к питательной воде. Так для паровых экранированных котлов, где требуется глубокое умягчение воды целесообразно применение схемы двухступенчатого Na – катионирования. Для горячего водоснабжения, если требуется частичное умягчение достаточно одной ступени катионирования.

Основным недостатком Na – катионирования является превращение карбонатной жесткости воды в бикарбонат натрия, обусловливающий высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в парогенераторе бикарбонат натрия превращается в карбонат и гидроксид натрия.

Ca(HCO 3) 2 + 2Na + R - → Ca 2+ R 2 - + 2NаНCO 3

Умягчение путем Na – катионирования применимо для воды с относительно малой карбонатной жесткостью, превращение которой в бикарбонат натрия не вызывает чрезмерного увеличения продувки парогенераторов, а также не создает опасной для парогенераторов повышенной относительной щелочности котловой воды.

4.4 Н – катионирование

Обработка воды методом Н -катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Вода за Н -катионитными фильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na -катионированием или анионированием.

Метод Н – катионирования основан на пропуске обрабатываемой воды через катионит отрегенерированной кислоты. В процессе фильтрования катионы, содержащиеся в обрабатываемой воде, обмениваются на ионы водорода, содержащиеся в катионите, при этом протекают следующие реакции:

2HR + Ca(HCO 3) → CaR 2 + 2CO 2 + 2H 2 O

2HR + Mg(HCO 3) → MgR 2 + 2CO 2 + 2H 2 O

2HR + CaCl 2 → CaR 2 + 2HCl

2HR + CaSO 4 → CaR 2 + H 2 SO 4

HR + NaCl → NaR + HCl

2HR + Na 2 SO 4 → 2NaR + H 2 SO 4

Наряду с вышеприведенными реакциями протекает процесс вытеснения из катионита ранее поглощенных ионов Na + ионами Ca 2 + и Mg 2 + , вследствие чего катионит по ионам натрия истощается быстрее, чем по ионам Ca 2 + и Mg 2 + , которые, являясь двухвалентными, сорбируются катионитом лучше. Из-за неодинаковой сорбируемости ионов различной природы их ""проскок"" в фильтрах происходит неодновременно. При Н – катионировании природных вод до момента проскока Na в Н – катионированной воде содержаться только кислоты, при этом кислотность фильтра получается равной суммарной концентрации хлоридов и сульфатов в обрабатываемой воде. При работе Н – катионитового фильтра от момента ""проскока"" Na до момента проскока жесткости в фильтрате происходит нарастание концентрации Na и соответственно снижается кислотность воды.

В зависимости от требования к качеству обработанной воды технология воды Н – катионирования видоизменяется, Н – катионирование с удалением из воды Na осуществляется в системах частичного или полного химического обессоливания воды. Для снижения щелочности обрабатываемой воды возможно осуществление схемы параллельного Н-Na катионирования. Однако благодаря ряду преимуществ более широкое применение нашла схема Н – катионирования с ""голодной"" регенерацией фильтров и последующим Na – катионированием. Все технологические схемы Н-Na катионирования воды преследуют цель умягчения воды и одновременного снижения ее щелочности и солесодержания, а также удаления углекислоты.

4.5 Схема Н -катионирования с ""голодной"" регенерацией

При обычном Н – катионировании регенерация проводится с удельным расходом кислоты в 2-2,5 раза больше теоретически необходимого, который отвечает процессу эквивалентного обмена катионов между раствором и катионитом. Избыток кислоты, не участвующей в реакциях обмена ионов, сбрасывается из фильтров вместе с продуктами регенерации. При голодной регенерации Н -катионитового фильтра удельный расход кислоты равен его теоретическому расходу (удельному), т. е. 1 гэкв = 1 гэкв. Все ионы водорода регенерационного раствора при этом полностью задерживаются катионитом, вследствие чего сбрасываемый регенерационный раствор и отмывочные воды не содержат кислоты.

В отличие от обычных Н -катионитовых фильтров, в которых весь слой катионита при регенерации переводится в Н -форму при голодном режиме в Н -форму переводятся только верхние слои, а нижние слои катионита остаются в солевых формах и содержат катионы Ca 2 + , Mg 2 + , и Na + . В верхних слоях катионита отрегенерированного голодной нормой кислоты при работе фильтра имеют место все реакции ионного обмена приведенные выше для Н – катионирования.

В ниже лежащих неотрегенерированных слоях катионитные ионы водорода образовавшихся минеральных кислот обмениваются на ионы Ca 2 + , Mg 2 + , и Na + по уравнениям:

CaR 2 + 2HCl → 2HR + CaCl 2

NaR + HCl → HR + NaCl

MgR 2 + H 2 SO 4 → 2HR + MgSO 4

Происходит нейтрализация кислотности воды и при этом восстанавливается ее некарбонатная жесткость (постоянная жесткость), а зона слоя, содержащего ионы водорода смещается постепенно к низу.

Так как содержащаяся в воде угольная кислота является слабой, в реакциях ионного обмена она может участвовать только после удаления сильных кислот. В самых нижних слоях фильтра этот процесс завершится до полного восстановления карбонатной жесткости не успевает, поэтому фильтрат имеет малую карбонатную жесткость численно равную щелочности и содержит много углекислоты. К моменту окончания рабочего цикла фильтра ионы водорода, введенные в катионит при регенерации, полностью удаляются из катионита в виде H 2 CO 3 , который находится в равновесии с Д - гидратированной формой СО 2 :

H 2 CO 3 ↔ H 2 O + CO 2

Технология Н – катионирования с «голодной» регенерацией обеспечивает получение фильтрата с минимальной щелочностью (исключение сброса кислых стоков при регенерации и кислого фильтрата в рабочем цикле). Данная технология рекомендована для обработки природных вод определенного состава и при использовании катионита средне или слабокислотного типа при условии правильного осуществления режима регенерации. При непостоянстве качества исходной воды, неточном соблюдении рекомендаций по применению рассматриваемой технологи Н – катионирования во избежание колебаний щелочности и «проскоков» кислого фильтрата после Н -катионитных фильтров с голодной регенерацией в схеме водоподготовительной установки (ВПУ) устанавливаются буферные – нерегенерируемые фильтры с высотой слоя катионита 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч. К буферным фильтрам не допускается подвод регенерационного раствора кислоты, взрыхляющая промывка осуществляется осветленной водой.

Рисунок 4.5 - Схема противоточного ионитового фильтра типа ФИПр:

1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды; 3 – 5 – подвод промывочной воды соответственно общий, в нижнее распределительное устройство (РУ) и блокирующее РУ; 6 – отвод промывочной воды; 7 – 9 – подводы регенерационного раствора соответственно общий, в нижнее РУ и в блокирующее РУ; 10, 11 – дренажи; 12 – гидрозагрузка; 13 – гидровыгрузка; 14, 15 – подвод воды для взрыхления в среднее и нижнее РУ.

Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра, схема которого приведена на рис. 4.5.

Конструкция фильтра, изготавливаемого на ТКЗ, предусматривает, кроме верхнего и нижнего распределительных устройств, также среднее и блокирующее РУ, расположенные соответственно на глубине 0,3 м и у входной поверхности слоя ионита. Среднее распределительное устройство предназначено для равномерного сбора отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды, подаваемых через нижнее (80 %) и блокирующее (20 %) РУ. Блокирующее РУ служит для подвода раствора реагента или отмывочной воды, используемых для регенерации и зажатия блокирующего слоя ионита. Взрыхлению подвергается только блокирующий слой ионита, а через 10-20 фильтроциклов взрыхляется весь слой.

Рисунок 4.6 - Схема двухпоточного-противоточного ионитового фильтра типа ФИПр-2П: 1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды или отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 3 – подвод исходной воды или отвод отработанной воды; 4 – подвод регенерационного раствора; 5 – подвод воды для взрыхления; 6 – подвод регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – подвод отмывочной воды; 8 – отвод отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 9 – дренаж; 10 – подвод взрыхляющей воды, дренаж.

Промежуточным вариантом между противоточной и прямоточной регенерациями является двухпоточно-противоточная регенерация, осуществляемая в фильтре, представленном на рис. 4.6. Среднее РУ фильтров, загруженных анионитом или катионитом, заглублено в них на 0,6 и 1,0 м соответственно. Конструкция двухпоточно-противоточного фильтра позволяет использовать его как в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации, так и в режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации. При любом режиме работы в выходном слое ионита осуществляется принцип противоточного ионирования, при котором обрабатываемая вода перед выходом из фильтра соприкасается с хорошо отрегенерированными слоями ионита, благодаря чему обеспечивается высокое качество фильтрата при сокращенных расходах реагентов на регенерацию ионита. При работе фильтра в режиме двухпоточного фильтрования взрыхлению подвергается весь слой ионита, при однопоточном фильтровании - только верхний слой, а взрыхление всего слоя производится через 10-20 фильтроциклов. При режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации 40 % раствора реагента пропускается через верхний слой ионита, 60 % - через нижний. При режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации весь регенерационный раствор проходит через оба слоя ионита сверху вниз.

4.6 NH 4 – катионирование

При NH 4 – катионировании обрабатываемая вода фильтруется через слой катионита, отрегенерированного солями аммония (NH 4 Cl или (NH 4 ) 2 SO 4 ). Содержащийся в катионите ион аммония обменивается на катионы Са , Mg , и Na , присутствующие в природной воде, при этом протекают реакции:

2NH 4 R + Ca(HCO 3) 2 → CaR 2 + 2NH 4 HCO 3

2NH 4 R + Mg(HCO 3) 2 → MgR 2 + 2NH 4 HCO 3 (гидрокарбонат аммония)

2NH 4 R + CaCl 2 → CaR 2 + 2NH 4 Cl

2NH 4 R + MgSO 4 → MgR 2 + (NH 4) 2 SO 4

NH 4 R + NaCl → NaR + NH 4

Как видно из реакций обмена в фильтрате образуются соли аммония, соответствующие имеющимся в воде анионам. NH 4 – катионированная вода умягчается, а ее щелочность такая же как у исходной воды. При нагревании воды в котле соли аммония разлагаются:

NH 4 HCO 3 →(t) NH 3 + H 2 O + CO 2

NH 4 Cl →(t) NH 3 + HCl

(NH 4) 2 SO 4 →(t) 2NH 3 + H 2 SO 4

Образующийся при разложении аммиак и углекислотная кислота уносятся паром, а в котловой воде остаются соляная и серная кислоты. Во избежание коррозии металла труб под действием кислот применение NH 4 – катионирования в энергетической практике всегда сочетается с Na – катионированием. В процессе Na – катионирования идет превращение гидрокарбоната Na в бикарбонат, который в котле разлагается с образованием соды и едкого натрия:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

H 2 O + Na 2 CO 3 →(t) 2NaOH + CO 2

Углекислота уносится паром, а Na 2 CO 3 и NaOH нейтрализуют кислотность воды, появляющуюся при термическом разложении солей аммония. Чтобы предотвратить чрезмерное снижение щелочности котловой воды в сочетании NH 4 – катионирования с Na – катионированием осуществляют с расчетом получить в умягченной воде концентрацию ионов HCO 3 - на 0,3 – 0,7 мгэкв/л больше концентрации ионов аммония. Пар котлов питающихся NH 4 , Na – катионированной водой всегда содержит большое количество аммиака. Учитывая это обстоятельство NH 4 – катионированной воды не следует применять, когда в тепловой схеме котельной установки имеются аппараты и детали из латуни или медных сплавов или когда пар используется для систем горячего водоснабжения или открытых систем теплоснабжения. На всех предприятиях, где в паре не должен содержаться аммиак от NH 4 – катионирования отказываются.

4.7 Схема Na-Cl – катионирования

Этот метод основан на применении катионита в Na – форме и анионита в Cl – форме. Регенерация обоих ионов проводится раствором поваренной соли.

Cl – катионирование осуществляется после предварительного Na – катионирования. Обрабатываемая вода умягчается, в ней остаются только соли Na (NaНСО 3 , NaCl , Na 2 SO 4 , NaNO 3 и т.д.). Затем при пропуске Na – катионированной воды через сильноосновный анионит в Cl – форме протекают реакции обмена анионов, содержащихся в Na – катионированной воде, на ионы Cl , находящихся в анионите:

RCl+NaHCO 3 → RHCO 3 +NaCl

RCl+NaNO 3 → RNO 3 +NaCl

2RCl+Na 2 SO 4 → R 2 SO 4 +2NaCl

В результате сорбции иона HCO 3 - снижается щелочность обрабатываемой воды, она минимальна в начале рабочего цикла, а затем постоянно увеличивается. Конец рабочего цикла Cl – анионитового фильтра устанавливают по возрастанию щелочности фильтрата до заданной величины.

Практика показала, что применение слабоосновных анионитов в описанной технологии оказалось невозможным, так как после 2–3х регенераций раствором поваренной соли аниониты этого типа не восстанавливают обменоемкости. Применение сильноосновных анионитов сопряжено с необходимостью использования таких методов предварительной очистки, чтобы обрабатываемая вода не содержала железо и органических веществ.

В подземных водах часто содержится 2-х валентное железо и поэтому вода должна предварительно обезжелезиваться.

Поверхностные воды, для которых обязательна коагуляция, обычно, при необходимости снижения щелочности обрабатываются известью, после чего они не нуждаются в Na–Cl - катионировании.

Для регенерации анионита требуется поваренная соль высокого качества с минимальным содержанием примесей.

Условия применения данной технологии:

1.

2. мгэкв/л

В котельных агрегатах требуется глубоко умягченная вода, для чего применяется 2х-ступенчатое Na – катионирование. В случае Na-Cl – катионирования после Na – катионитных фильтров 1-й ступени, ставятся фильтры 2-й ступени, где Na – катионирование совмещается с Cl – катионированием. При этом вниз фильтра загружается катионит, а сверху помещается анионит. В процессе регенерации фильтра второй ступени раствором поваренной соли ионы Nа + регенерируют катионит, а ионы Cl - анионит.

Расход поваренной соли - 100÷120 мг/м 3 аниона. Регенерационный раствор готовиться на умягченной воде. Расход воды на отмывку фильтров – 3÷4 м 3 /м 3 . Скорость фильтрования – 15÷20 м/ч. Количество фильтров - 2÷3.

Na-Cl – катионитный фильтр рассчитывается как Na – катионитный первой ступени, а необходимый объем анионита определяется по иону HCO 3 - 280÷300 гэкв/м 3 .

Слой анионита в фильтре минимально необходимый, число регенераций не более 2 раз в сутки. Слой катионита определяется как разность общей высоты слоя загрузки за вычетом высоты слоя анионита, но не менее 500 мм.