Обработка воды методом ионного обмена Сущность ионного

Обработка воды методом ионного обмена

Сущность ионного обмена n n n Основная часть примесей в истинно-растворенном состоянии (соли, кислоты , щелочи) из-за своих малых размеров (менее 1 нм)не задерживается в фильтрующем материале и входит в состав накипей и отложений, которые влияют на поверхности нагрева. Эти примеси удаляют из воды методом ионного обмена. Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных, нерастворимых в воде материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав воды.

Строение ионитов n n Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Иониты состоят из нерастворимой твердой основы (матрицы) – R, к которой привиты подвижные функциональные группы. Иониты, погруженные в воду, диссоциируют, вокруг их образуется ионная атмосфера, представляющая собой ограниченное вокруг молекулы ионита пространство, в котором находятся подвижные и способные к ионному обмену ионы. В зависимости от характера активных функциональных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы, могут иметь или положительные заряды и, тогда такой ионит называют катионитом или, отрицательные заряды и тогда такой ионит называют анионитом.

Структуры элементов объема ионитов n а — катионит; б — анионит; 1 — матрица; 2 — потенциалообразующие фиксированные ионы; 3 — ионы диффузного слоя

Свойства ионитов n n n Обменная емкость (эквивалентность обмена) Обратимость процесса обмена Селективность (преимущественная адсорбция)

Эквивалентность обмена

Обратимость процесса обмена n n Обратимость процессов обмена ионов позволяет многократно использовать дорогостоящие иониты в технологии обработки воды Так как в практике водоподготовки наиболее часто применяют в качестве обменных ионов ионита ионы натрия Na+, водорода Н+, ионы гидроксильной группы ОН- и т. д. , то наиболее употребительными реагентами для регенерации ионитов можно назвать поваренную соль Na. Cl, ион натрия которой вытесняет из истощенного ионита все поглощенные им ионы, серную кислоту H 2 SO 4, где обменным является ион водорода , или едкий натр Na. OH, у которого в механизме регенерации участвует гидроксильный ион ОН-.

Селективность

Схема ионнообменного процесса в ионитном фильтре n Св=С n Зона А Зона В n Протекая через ионит с ионами А, обрабатываемая вода, содержащая ионы В, контактирует со слоями свежего ионит верхние слои ионита отдают все ионы А и теряют свою обменную способность – истощаются (зона А). Затем в обменный процесс вступают свежие слои ионита (зона В), зона, в которой происходит ионный обмен перемещается вн по слою. Зона умягчения постепенно опускается. Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне называется фронтом фильтрования. В нижних слоях (зона С) – ионит насыщен ионами А. Когда нижняя граница переходной зоны (зона В) достигнет конца слоя ионита, наступит проскок иона В в фильтрат. Зона С n Св=0 - ионит, насыщенный ионами А – ионит, насыщенный ионами В

Фронты фильтрования и выходные кривые в ионитовых фильтрах n 1 — диффузный фронт фильтрования; 2 — выходная кривая при диффузном фронте; 3 — острый фронт фильтрования; 4 — выходная кривая при остром фронте; х — высота слоя ионита; t — время работы фильтра В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов может сформироваться острый фронт фильтрования, который переносится параллельно или диффузный, расширяющийся при движении по высоте слоя ионита. Кривая, показывающая зависимость концентрации примесей в фильтрате от времени работы фильтра носит название выходной кривой. От вида кривой фронта фильтрования зависит степень использования обменной емкости при работе фильтра. На формирование фронта фильтрования влияют: скорость фильтрования, структура зернистого слоя, конструкция дренажных устройств и др.

Выходная кривая ионитного фильтра 1— 2— 3— 4— исходная концентрация удаляемого иона; концентрация удаляемого иона в фильтрате; объем обработанного раствора «до проскока» ; объем обработанного раствора за рабочий цикл

Типичные полные обменные емкости катионитов и анионитов Типы ионита Еп, г-экв/дм 3 Сильнокислотный катионит гелевого типа Слабокислотный катионит гелевого типа Сульфоуголь Сильноосновный анионит типа 1 типа 2 Слабоосновный анионит 1800 3500 1000 1300 2600

Технология ионного обмена Катионирование Na – катионитный фильтр Na – катионированная вода H – катионирование H – катионитный фильтр H – катионированная вода Анионирование OH – анионитный фильтр OH – анионированная вода

Классификация ионитов Катиониты и их свойства Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы: Сульфогруппа SO 3 H Cильнокислотная, способна к обмену катионов при любом значении р. Н Карбоксильная COOH, фенольная OH Слабокислотная, обмениваются только при р. Н >7

Классификация ионитов Аниониты и их свойства Анионы содержат следующие функциональные химически активные группы: Аминовые −первичные (-NH 2) −вторичные (=NH 3) −третичные (=N) Слабоосновные, при р. Н>7 Аммониевые −четверичные –NROH Сильноосновные, обменивается при любом р. Н

Свойства ионитных материалов Ионитные материалы обладают следующими n n n свойствами: фракционный состав; насыпная плотность; химическая стойкость; механическая прочность; термическая стойкость; обменная емкость.

Обменная емкость ионитов Обменная емкость, г-экв/дм 3 полная емкость ионита при полной замене его обменных ионов на ионы обрабатываемой воды рабочая емкость ионита – количество ионов, поглощенных 1 м 3 ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов

Обменная емкость

Технология ионного обмена n Умягчение воды n Обессоливание n n n Частичное химическое обессоливание Глубокое химическое обессоливание Полное химическое обессоливание

Физико– химические основы процесса катионирования Na - катионирование 2 Na. R+Ca(HCO 3)2↔Ca. R 2+2 Na. HCO 3 2 Na. R+Mg. Cl 2↔Mg. R 2+2 Na. Cl Остаточная жесткость фильтрата 5 -10 мкг-экв/дм 3. Недостатки метода: - гидрокарбонат натрия с добавочной водой в котле превращается: 2 Na. HCO 3+H 2 O→ Na 2 CO 3+CО 2↑+ H 2 O Na 2 CO 3+ H 2 O→ Na. OH+ CО 2↑ в гидрат натрия инициирует щелочную коррозию. - анионный состав Na- катионированной воды не меняется; - щелочность не меняется; - солесодержание увеличивается.

Выходная кривая – катионитного Na фильтра

Регенерация – катионитного фильтра Na n n Процесс восстановления обменной способности истощенного катионита называется регенерацией. Регенерация Na - катионитового фильтра проводят 6 -12 %ным раствором Na. CL Ca. R 2 + Na. CL = 2 Na. R + Ca. CL 2 Mg. R 2 + Na. CL = 2 Na. R + Mg. CL 2

Эффект регенерации от полной обменной емкости, % Влияние расхода соли на эффект регенерации катионита 100 80 60 40 0 100 200 300 400 Удельный расход соли, г/г-экв 500

Н – катионирование n n Ca(HCO 3)2 + 2 HR = Ca. R 2 + 2 CO 2 + 2 H 2 O Ca. SO 4 + 2 HR = Ca. R 2 +H 2 SO 4 Mg. CL 2 + 2 HR = Mg. R 2 +HCL Na. HCO 3 + HR = Na. R + 2 CO 2 + H 2 O Достоинства метода:

Изменение качества – катионированной H воды n n n 1 – концентрация ионитов Na+ в исходном растворе; 2 – жесткость исходного раствора; 3 – концентрация ионитов Na+ в фильтрате; 4 – жесткость фильтрата; точки: а – проскок ионитов Na+; b – отсутствие поглощения ионитов Na+; с – максимум вытеснения ионитов Na+ из катионита; d – окончание вытеснения ионитов Na+; е – начало проскока жесткости; f – выравнивание жесткости в фильтрате и исходном растворе

Н – катионирование n n Регенерация Нкатионитного фильтра проводится 1 -1, 5 % раствором серной кислоты: Ca. R 2 + H 2 SO 4 = 2 HR +Ca. SO 4 Mg. R 2 +H 2 SO 4 = 2 HR + Mg. SO 4 Ограничение концентрации раствора H 2 SO 4 связано с выделением на зернах регенерируемого катионита Сa. SO 4 (гипс), т. е. происходит его загипсование. Скорость пропуска раствора H 2 SO 4 не менее 10 м/ч и ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом.

Водород-катионирование с «голодной регенерацией» n n Назначение снижение только карбонатной жесткости (щелочности) до 0, 7 -1, 5 мг-экв/дм 3 без образования кислого фильтрата Регенерация Суть процесса заключается в недостатке количества кислоты H 2 SO 4 , используемой для регенерации. Это приводит к расположению в верхних частях фильтрующего слоя катионита с обменным катионом водорода, а в нижних слоях – с обменными катионами кальция и магния

Водород-катионирование с «голодной регенерацией» n n n В верхних слоях катионита при пропуске умягчаемой воды будет происходить умягчение: n 2 HR + Ca. CL 2 = Ca. R 2 +2 HCL n 2 HR + Mg. SO 4 = Mg. R 2 + H 2 SO 4, а образованные сильные минеральные кислоты, опускаясь в нижние слои катионита, будут их регенерировать: n 2 HCL + Ca. R 2 = 2 HR + Ca. CL 2 n H 2 SO 4 + Mg. SO 4 =2 HR + Mg. SO 4 Прошедшая через такой фильтр вода не содержит сильных кислот, имеет незначительную щелочность (0, 6 -0, 8 мгэкв/дм 3) и используется для подпитки теплосети или является исходной для последующего обессоливания.

Физико-химические основы процесса анионирования n n n В состав анионитов введены различные обменные анионы: OH-, СO 32 -, HCO 3 -. Аниониты ROH, RCO 3, RHCO 3 способны обмениваться на анионы, содержащиеся в воде. Слабоосновные аниониты при анионировании способны обменивать свои активные обменные анионы только на анионы сильных кислот ( SO 42 -, CL-, NO 3 -): n H 2 SO 4+2 ROH→RSO 4+2 H 2 O n 2 HCl+2 ROH→RCl 2+2 H 2 O n HNO 3+ROH→RNO 3+H 2 O В процессе анионирования Н-катионированной воды общее солесодержание снижается до 50 -100 мкг/дм 3.

Физико-химические основы процесса анионирования n n Сильноосновные аниониты способны извлекать из воды анионы как сильных, так и слабых кислот: n H 2 Si. O 3 -+ROH→RHSi. O 3+H 2 O n H 2 CO 3+ROH→RHCO 3+H 2 O, предназначены для поглощения анионов кремниевой кислоты.

Физико-химические основы процесса анионирования n n n Регенерация анионитных фильтров производится 4%ным раствором Na. OH: n RCL+ Na. OH = ROH + Na. Cl n R 2 SO 4+ 2 Na. OH = 2 ROH + Na 2 SO 4 n RHSi. O 3+ Na. OH = ROH + Na. HSi. O 3 Для регенерации слабоосновных анионитов требуется избыток щелочи, т. е. 80 г/г-экв. Для сильноосновных анионитов – повышенный избыток щелочи. Для снижения удельного расхода щелочи регенерацию анионитных фильтров первой и второй ступени проводят последовательно, либо используют противоточную или ступенчато-противоточную технологию.

Технологические схемы ионитных установок

Na-катионирование Для приготовления подпиточной воды для теплосети. Применяется при обработке артезианской и водопроводной воды.

Na-катионирование В данной схеме частичное разрушение щелочности происходит путем ввода кислоты в Na- катионированную воду: • 2 Na. HCO 3+ H 2 SO 4 → Na. SO 4+ CO 2+ H 2 O CO 2 отделяется в декарбонизатор перед Na- катионитовым фильтром второй ступени.

Н-катионирование с «голодной» регенерацией При Жк>0. 5 Жо и ∑Аск<7 мг/дм 3. Результат – частичное разрушении щелочности Щост=0, 3 -0, 5 мг/дм 3 с выделением СО 2 и удалением в декарбонизаторе. Недостаток: уменьшение рабочей емкости Н- катионитных фильтров, снижение эффекта умягчения вод с высоким содержанием натриевых солей.

Параллельное Н-Na-катионирование При Жк>0. 5 Жо и ∑Аск<7 мг/дм 3. Результат – частичное разрушении щелочности Щост=0, 3 -0, 5 мг/дм 3 с выделением СО 2 и удалением в декарбонизаторе.

Последовательное Н-Na-катионирование При Жк>0. 5 Жо и ∑Аск<7 мг/дм 3. Результат – частичное разрушении щелочности Щост=0, 3 -0, 5 мг/дм 3 с выделением СО 2 и удалением в декарбонизаторе. Недостаток: уменьшение рабочей емкости Н- катионитных фильтров, снижение эффекта умягчения вод с высоким содержанием натриевых солей.

Совместное Н-Na-катионирование Применяется при сумме анионов сильных кислот не 3 и 3. более 5, 0 мг-экв/дм Щост=1, 0 -1. 3 мг-экв/дм

Совместное Н-Na-катионирование Катионит сначала регенерируется кислотой, а затем, после отмывки – раствором Na. CL. В результате этого в верхних слоях катионита обменными катионами будут Н+, а в нижних – катионы Na. При фильтровании умягченной воды обеспечивается устранение кислотности из раствора и поддержание в нем необходимой щелочности. Преимущества: -минимальный удельный расход кислоты на регенерацию; -минимальные потребности в кислотоупорной арматуре; -отсутствие сброса кислых вод.

Na-Cl-ионирование Регенерация фильтров проводится 6 -8%-ным раствором. Na. Cl который вначале контактирует с , анионитом , а затем с катионитом.

Na-Cl-ионирование Жесткость фильтрата снижается до 0, 01 мг-экв/дм 3 и щелочность до 0, 2 мг-экв/дм 3. Преимущества: - расходуется при регенерации только один реагент – Na. Cl; - исключается коррозионно-активная кислота; - не Схема основана на пропуске воды вначале через Na – фильтр, а затем через сильноосновный анионит в Сl- форме. требуется значительного увеличения оборудования. Ограничение метода – в высокой стоимости анионитов и чувствительности анионитов к содержанию железа и органических веществ, которые выведут анионит из строя.

Обессоливание Частичное химическое обессоливание n Глубокое химическое обессоливание n Полное химическое обессоливание n

Частичное химическое обессоливание Достигается полное удаление всех катионов и частичное удаление ионов НСО 3 и Cl-. Анионитный фильтр загружен низкоосновным анионитом, не задерживающим НСО 3 -.

Глубокое химическое обессоливание Схема применима для подготовки добавочной воды барабанных котлов высокого и сверхвысокого давлений.

Глубокое химическое обессоливание Наряду с 2 -мя Н-катионитными фильтрами используются две ступени анионирования: n I-я с низкоосновным анионитом; n II-я – с сильноосновным. Отключение на регенерацию производится Н - катионитного фильтра по проскоку Na - катиона, А 1 – ионов Cl-, A 2 – ионов HSi. O 3.

Полное химическое обессоливание В схеме применяется ФСД, где достигается глубокое удаление всех ионов (применяются сильнокислотные катиониты и высокоосновные аниониты).

Полное химическое обессоливание Регенерация ФСД осуществляется двумя способами. Качество обессоленной Н 2 О оценивается остаточной концентрацией Na не >5 мкг/кг, HSi. O 3 - менее 10 мкг/кг. Применяется для подготовки воды прямоточных котлов.

Эксплуатация ионитных фильтров

Оборудование ионитнойчасти водоподготовительных установок

Конструкция фильтра n n n 1 - корпус; 2, 3 – верхнее и нижнее дренажнораспределительное устройства; 4 – подвод обрабатываемой воды; 5 – подвод регенеративного раствора; 6 – выход фильтрата; 7 – спуск регенеративного раствора и отмывочной воды; 8 – подвод воды для взрыхления; 9 – выход взрыхляющей воды Оборудование ионитных установок. Ионитные фильтры подразделяются: - катионитные; - анионитные; - смешанного действия. По способу выполнения технологических операций: - параллельноточные – обрабатываемая вода и регенерационный раствор пропускаются через фильтрующий слой в одном направлении; - противоточные – вода и регенерационный раствор пропускаются в противоположных направлениях; - фильтры ионитные смешанного действия с внутренней регенерацией; - фильтры-регенераторы с наружной регенерацией.