Очистка воды ионообменными смолами

ВВЕДЕНИЕ

Ионный обмен является наиболее распространенным методом удаления из воды примесей, находящихся в истинно-растворенном состоянии. Этому способствуют такие преимущества метода: высокая производительность, обеспечение глубокой очистки воды практически от любых ионогенных соединений, простое аппаратное оформление процесса, небольшая металлоемкость, высокая надежность очистки воды при переменных нагрузках. Развитие и совершенствование ионообменной технологии идут по двум взаимосвязанным и дополняющим друг друга направлениям, путем использования наиболее высококачественных и перспективных на данный момент марок смол и путем применения наиболее передовых технологий. Основными критериями для выбора и оценки эффективности смол и технологий являются: качество воды, количество сбрасываемых солей (стоков), себестоимость воды. Большинство эксплуатируемых водоподготовительных установок, оснащено оборудованием и ионообменными материалами, разработанными в 50-х – 70-х годах прошлого столетия. Применение современных ионообменных смол и внедрение новых технологий позволяет снизить коэффициенты избытка реагентов на ионитных фильтрах почти до стехиометрических значений (1,05-1,1) при увеличении рабочей обменной емкости ионитов для катионитов в 2,0-3,0 раза, а для анионитов в 2,0-2,5 раза.Ионный обмен - процесс, при котором ионы определенного заряда из раствора абсорбируются на твердом веществе (ионите), при этом в раствор переходит эквивалентное количество других ионов того же знака, находившихся в структуре ионита.В зависимости от знака заряда обмениваемых ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Реакция обмена происходит вводе, удерживаемой ионитом, ее обычно называют гелевой водой. Содержание воды в материале может составить более 50% его общей массы.Ионный обмен формирует большое количество технологических процессов, которые могут быть разделены на три главные категории умягчение, разделение и обессоливание.Цель написания реферата: изучить способы очистки воды на примере очистки ионными смолами.В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:- проанализировать проблемы загрязнения воды и перечислить методы ее очистки;- дать характеристику ионообменным смолам;- рассмотреть понятие ионный обмен;- описать современные бытовые и промышленные ионообменные фильтры водоподготовки на основе ионных смол;- изучить противоточную регенерацию ионообменных смол для водоподготовки.Структура работы соответствует цели и задачам исследования и включает введение, пять параграфов, заключение, список использованных источников.1. ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ И МЕТОДЫ ОЧИСТКИВ большинстве случаев вода, поступающая как из скважины, так зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается в предварительной обработке, целью которой является доведение качества воды до действующих нормативов.Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.Наиболее распространенными неприятностями c водой, с которыми приходится сталкиваться следующие:-Наличие в воде нерастворенных механических частиц: песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ.-Присутствие в воде растворенного железа и марганца.-Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния.-Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности.-Бактериологическая загрязненность.Естественно, что приведенный выше список не исчерпывает всего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит Вас с наиболее распространенными из них.Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. В принципе существует два метода улучшения качества воды: метод хим. добавок для связывания нежелательных элементов, етод устранения самих примесей из воды Из названия самих этих методов видно, что метод устранения более предпочтителен, чем ввод дополнительных химических ингредиентов, что может привести к появлению побочных эффектов.Поступающая в наш дом вода в большинстве случаев требует доочистки. Это связано с тем, что проходя через трубы, набирает довольно большое количество посторонних примесей, которые вредны для здоровья, а некоторые соли на станциях водоподготовки не удаляются. А для того чтобы все биохимические процессы в организме человека протекали в оптимальном режиме, вода должна иметь определенное качество: Вода должна быть абсолютно чистая. Она не должна содержать хлора и его органических соединений, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов, пестицидов, ксенобиотиков, бактерий, вирусов, грибков, паразитов, простейших, органических веществ и т.д.Вода должна быть «жидкой», биологически доступной, легкоусвояемой, т.е. степень поверхностного натяжения между молекулами воды не должна быть слишком большой. Водопроводная вода имеет степень поверхностного натяжения до 73 дин/см, а внутри и внеклеточная вода около 43 дин/см. Клетке требуется большое количество энергии на преодоление поверхностного натяжения воды. Вода должна быть средней жесткости. Так как и очень жесткая и очень мягкая вода одинаково неприемлема для клеток. Вода должна быть нейтральной. Вода должна быть слабоминерализованна для поддержания электролитного состава жидкостей организма.Каким же образом мы можем изменить физико-химические свойства воды, чтобы сделать ее: чистой, «жидкой», биологически доступной, легкоусвояемой, безопасной, химически активной, именно такой, чтобы она соответствовала потребностям живой клетки? Мы можем: прокипятить, отстоять, профильтровать, заморозить и разморозить, электроактивировать, минерализовать, изменить рН при помощи химических методов, омагнитить, дистиллировать, воздействовать на нее светом, звуком, биополем и многое другое. 2. ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ: СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕИонообменные смолы – синтетические органические иониты – высокомолекулярные синтетические соединения с трехмерной гелевой и макропористой структурой, которые содержат функциональные группы кислотной или основной природы, способные к реакциям ионного обмена.Ионообменные смолы представляют собой твёрдые полимеры, нерастворимые, ограниченно набухающие в растворах электролитов и органических растворителях. Они способны к ионному обмену в водных и водноорганических растворах.Ионообменные смолы получают путём полимеризации или поликонденсации.Ионообменные смолы относятся к следующим классам:Катионнообменные смолы (катиониты) — содержат кислотные группыАнионообменные смолы (аниониты) — содержат основные группыАмфотерные ионообменные смолы — содержат одновременно и кислотные, и основные группыСелективные ионообменные смолы — содержат комплексообразующие группыОкислительно-восстановительные смолы — содержат функциональные группы, способные к изменению зарядов ионовКроме того, ионообменные смолы могут содержать группы различных классов, относясь к полифункциональным смолам.13754103810000Рисунок 1. Ионообменные смолы (группы)По структуре матрицы ионообменные смолы делятся на:гелевые — микропоры имеют молекулярные размеры. Они представляют собой гомогенные поперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены по всему объему полимера. Гелевые ионообменные смолы обладают высокой обменной емкостью, однако характеризуются невысокой скоростью обменамакропористые — размеры пор смолы имеют размеры в десятки нанометров. Имеют фиксированную систему пор и каналов, определяемую условиями синтеза. Обменная ёмкость таких смол меньше, чем гелевых при высокой скорости обмена.Как правило, ионообменные смолы получают методами полимеризации или полимераналогичных превращений.Для получения ионообменных смол методом полимеризации используют мономеры, содержащие ионогенные группы. В случае полимераналогичных превращений ионогенные группы вводятся в инертный полимер.Возможен синтез ионообменных смол способом поликонденсации, однако эти ионообменные смолы имеют менее однородную структуру, меньшую осмотическую стабильность и химическую стойкость.Чаще всего используются сетчатые полимеры. Их получают суспензионной полимеризацией стирола, производных акриловой кислоты, винилпиридинов с диенами.Ионообменные смолы в основном применяются:для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;при очистке возвратных и сточных вод;для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;в качестве катализатора для органического синтеза.Ионообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности (при производстве сахара, алкогольных, слабоалкогольных и других напитков, пива, бутилированной воды), фармацевтической промышленности и других отраслях.Ионообменные смолы производятся не только в виде шариков, но и в виде мембран. Ионообменные мембраны, изготовленные из ионообменных смол с высокой степенью сшивки, которые пропускают ионы, но не воду, используются для электродиализа.3. ПОНЯТИЕ ИОННОГО ОБМЕНАИонный обмен – это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения, обессоливания воды, селективного удаления различных ионов и т.д. Подлежащая очистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионитами, подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами других ионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионы называются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса - матрицы и функциональных групп - фиксированных ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами.В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являются катионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.Основными характеристиками ионитов являются: селективность, рабочая обменная емкость и кинетика ионного обмена.Селективность ионита показывает, насколько эффективно ионит способен удалять те или иные противоионы в присутствии других конкурирующих противоионов. Селективность ионитов определяется природой матрицы ионита, типом функциональных групп, концентрацией противоионов в растворе и т.д. Как правило, селективность ионитов возрастает с увеличением заряда противоиона, а среди ионов с одним и тем же зарядом - с увеличением атомного веса. Т.е., чем тяжелее противоион и чем выше его заряд, тем большую селективность проявляет к нему ионит. Исключение составляют противоионы, которые образуют малодиссоциирующие соединения с фиксированными группами, например, слабоосновные иониты с анионами слабых кислот (карбонатами), или некоторые цеолиты с аммонием. Кроме того, возможны специфические взаимодействия, основанные на хелатном эффекте или на ситовом эффекте.Обращение селективности наблюдается при увеличении концентрации раствора. Например, двухзарядные противоионы могут быть вытеснены из ионита однозарядными противоионами при контакте с раствором, содержащим однозарядные противоионы в высокой концентрации. Этим определяется важнейшее свойство ионитов - их способность к регенерации после насыщения ионами, удаляемыми из воды, путем промывки примерно 5-6%-ми растворами кислот (для катионитов) или щелочей (для анионитов) или 10-12%-ыми растворами солей. Именно это свойство позволяет многократно, в течение нескольких лет, использовать загрузку ионитов для очистки воды.Величина рабочей обменной емкости определяет, как долго может работать ионит в данных условиях до первого проскока поглощаемого иона в фильтрат, а, следовательно, показывает ресурс работы ионита в процессе водоподготовки. Обычно обменную емкость принято выражать в эквивалентах на литр набухшего ионита.Кинетика ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции и, следовательно, требуемую скорость фильтрования. На скорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрация раствора и т.д.Общая скорость процесса ионного обмена может быть представлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора):4. СОВРЕМЕННЫЕ БЫТОВЫЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИОНООБМЕННЫЕ ФИЛЬТРЫ ВОДОПОДГОТОВКИВсе бытовые ионообменные установки водоподготовки выполнены с прямотоком фаз. Данные фильтры имеют корпуса из пластика или нержавеющей стали и снабжаются блоками управления с многоходовыми клапанами-распределителями. Насыщенный раствор соли готовится в дополнительной емкости-солерастворителе, устанавливаемой рядом с фильтром. В фильтрах диаметром до 1 м блок управления и многоходовой клапан с электроприводом расположены в едином корпусе, устанавливаемом непосредственно на корпус фильтра либо рядом с ним. Для больших аппаратов используется блок управления с пневматическим или гидравлическим выходом и многоходовой клапан, устанавливаемый рядом с корпусом фильтра.Блок управления содержит счетчик воды либо таймер, который дает сигнал к началу регенерации ионообменной смолы, программно-временное устройство, задающее последовательность и продолжительность проведения операций, а также силовой электропривод, двигающий клапан-распределитель. Бесспорно, что для ионного обмена оптимально включение режима регенерации ионообменной смолы по объему пропущенной воды. Блоки с таймером, как более дешевые, могут применяться только для бытовых целей.Работа ионообменного фильтра состоит из следующих операций:-очистка воды (сервисный режим);-взрыхление;-засос соли из солерастворителя – регенерация ионообменной смолы;-медленная отмывка ионообменной смолы от регенерационного раствора;-быстрая отмывка в сервисном режиме;-заполнение солерастворителя умягченной водой.Распределительные устройства (дренажи) аналогичны используемым в механических фильтрах.Фильтры непрерывного действия характеризуются тем, что все процессы водоподготовки (очистка воды, взрыхление, регенерация ионообменной смолы, отмывка) проводятся одновременно, каждый в своем аппарате. Ионообменная смола непрерывно или порциями перемещается из аппарата в аппарат. Тип и размеры каждого аппарата оптимизированы для проводимого в них процесса.Фильтры непрерывного действия бывают со сплошным и псевдоожиженным слоем сорбента. В СССР в урановом и золотоизвлекающем производствах с середины 50-х гг. широко применялись установки непрерывного ионного обмена, использующие каскады аппаратов смешения. В 70-е гг. они стали заменяться противоточными колоннами со сплошным (КНСПР, КДС, ПСК-НР и т.п.) и псевдоожиженным слоем ионообменной смолы (ПСК, ПСК-Т). В аппаратах со сплошным слоем раствор и сорбент подается в реакционную зону и выводится поочередно, порциями. Частота перемещения сорбента зависит от содержания компонента в растворе. Для очистки радиоактивных сточных вод (по солесодержанию аналогичны природной воде) методом обессоливания разработаны установки со смешанным слоем ионообменных смол, которые позволяли при удельной производительности 40–50м3 /м2 ·ч в одном фильтре обессоливать воду до удельной электропроводности около 1 мкСм/см.В промышленности эксплуатировались установки водоподготовки единичной производительностью до 300м3 /ч с колоннами диаметром до 3,4 м.Для очистки воды используются фильтры со сплошным слоем ионитов, для отмывки ионообменных смол от взвеси и регенератов – с псевдоожиженным. Регенерация смолы может осуществляется и в сплошном, и в псевдоожиженном слое. Все фильтры работают непрерывно с противоточным движением фаз.Высокая эффективность противоточных колонн позволяет обходиться без паразитных потоков промывных вод. Все воды от отмывки ионообменной смолы от регенерационного агента доукрепляются им и подаются в колонны регенерации.Установки водоподготовки такого типа имеют существенно более высокие показатели, чем фильтры периодического действия: удельная производительность (скорость раствора) может достигать 50–70м3 /ч, единовременная загрузка ионообменной смолы сокращается в 5–15 раз, а объем регенератов в 1,5–2,5 раза. Они сложнее периодических, требуют использования автоматики и управляемых вентилей. Их целесообразно использовать при производительности более 30–50м3 /ч в экологически чистых технологиях водоподготовки, когда регенераты подвергаются дальнейшей переработке.В качестве примера на рис.3 показана схема установки производительностью 300–500м3/ч для водоподготовки подпитки умягчением вод, содержащих значительное количество взвесей. Она была создана на ТЭЦ Лисичанского НПЗ (Украина) в 90–91 гг., но в силу известных причин не была пущена в эксплуатацию. Установка водоподготовки состоит из сорбционной колонны 1 диаметром 3,4 м со сплошным слоем сорбента, колонны 2 для отмывки сорбента от извлеченных из исходного раствора взвесей, диаметром 0,6 м с псевдоожиженным слоем сорбента, регенерационно-промывной колонны 3 диаметром 0,6 м со сплошным слоем, и колонны 4 диаметром 0,6 м с псевдоожиженным слоем для окончательной отмывки от соли.Вода подается снизу сорбционной колонны 1 , проходит через слой катионита и умягчается. Катионит насыщается в сорбционной колонне и порциями по 0,5м3 выводится из сорбционной колонны в промывную 2 . В ней он свободно опускается в потоке поднимающейся промывной воды, а затем перемещается в колонну регенерации 3 . В регенерационной колонне катионит постепенно опускается, двигаясь навстречу поднимающемуся сначала регенерационному раствору, а затем промывной воде, которая вводится снизу колонны.Ионитовые противоточные фильтры для умягчения и обессоливания воды. В большинстве случаев ионообменный метод обработки воды обеспечивает необходимые параметры качества умягчения и/или деминерализации воды в промышленных условиях. Показатели экономической эффективности и экологичности ионного обмена напрямую зависят от выбора технологии регенерации ионитов, применяемой при эксплуатации. Сравнение технологий с прямоточной (параллельноточной) регенерацией с противоточными свидетельствует о предпочтительности применения последних, в силу того, что при противотоке достигается более высокое качество обработанной воды при более низких значениях удельных расходах реагентов с использованием меньшего количества единиц установленного оборудования. Ключевыми факторами, характеризующими эффективность регенерации и процесса ионного обмена в целом, являются: удельные расходы химических реагентов объемы потребления воды на собственные нуждыПо указанным выше показателям приоритет принадлежит технологическим процессам, в которых реализуется принцип «зажатого слоя» ионита, при котором практически весь рабочий объем фильтра заполняется слоем активной смолы. Технологии, основанные на «зажатом слое», различаются между собой по: надежности функционирования в широком диапазоне изменения рабочих нагрузок; толерантности к недостаткам предочистки (допустимому количеству взвесей, присутствующих в обрабатываемой воде); простоте конструктивных решений основного оборудования. 5. ПРОТИВОТОЧНАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ Рассмотрены основные технологии противоточной регенерации ионообменных смол периодического действия, применяемые в установках водоподготовки в мировой практике. Изложена хронология их появления на рынке, дан анализ достоинств и недостатков.В последние 15 лет в России и странах СНГ среди специалистов служб эксплуатации установок водоподготовки (ВПУ) все большую популярность приобретают современные технологии водоподготовки — мембранные методы разделения (микро-, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) в сочетании с противоточным ионированием и(или) электродеионизацией. Первым этапом модернизации установок водоподготовки стал переход от прямоточной (параллельно-точной) регенерации ионообменных смол (ионитов) к противоточной. Этому способствовали как активное распространение мирового опыта применения схем противоточной регенерации зарубежными производителями ионообменных смол ( Dow Chemical , Bayer , Rohm & Haas , Purolite ), так и переход стран бывшего СССР к рыночной экономике, что заставило производителей оборудования [ОАО ТКЗ «Красный котельщик» (г. Таганрог), АО ЗиОМАР (г. Подольск), ОАО «Комсомолец» (г. Тамбов), ОАО Бердичевский машиностроительный завод «Прогресс»] расширять привычную номенклатуру изделий и осваивать выпуск фильтров с противоточной регенерацией ионообменной смолы.Наиболее широкое распространение получили технологии водоподготовки периодического действия (непрерывные процессы представляют собой отдельную тему и в данной публикации не рассматриваются). По оценкам зарубежных производителей ионообменных смол, в мире работают более 5 тыс. установок промышленной водоподготовки по технологиям противоточной регенерации (примерно 4 тыс. — по SCHWEBEBETT , около 700 установок водоподготовки— по UPCORE и около 600 приходится на долю всех остальных технологий водоподготовки). Часто на страницах научно-технических изданий, а также на семинарах и конференциях возникают дискуссии о возможностях или преимуществах той или иной противоточной технологии. Каждая сторона, участвующая в обсуждении, стремится доказать, что оптимальной является именно та технология, которая была данной стороной разработана (или применяется). Отдельные публикации, касающиеся сравнения эффективности различных технологий, хотя и являются достаточно объективными, но либо носят частный характер (для конкретных условий эксплуатации), либо ограничиваются констатацией самых общих положений, не содержат глубокого анализа и потому не могут претендовать на универсальность оценок. К сожалению, в последнее время участились случаи, когда некоторые специалисты (в том числе и зарубежные) распространяют недостоверные сведения или публикуют статьи, служащие образцом некомпетентности.Цель настоящей статьи состоит в проведении всестороннего анализа наиболее распространенных противоточных технологий водоподготовки (на основании изучения предпосылок их возникновения и направлений развития за последние 50 лет) и определении условий и задач, для которых возможно осуществить оптимальный выбор. В общем случае противоточные технологии водоподготовки различаются по эксплуатационно-экономическим показателям: степени сложности обслуживания (особенно при ручном управлении); интервалу значений рабочей нагрузки (от 0 до максимально допустимой), в котором обеспечивается работоспособность схемы водоподготовки; коэффициенту использования полезного объема фильтра (доля объема активной ионообменной смолы в общем объеме фильтра); степени жесткости требований, предъявляемых к качеству предочистки воды, направляемой на ионитную часть (например, по толерантности к присутствию взвешенных твердых веществ в обрабатываемой воде);потреблению воды на собственные нужды; возможности корректировки объема загрузок ионообменной смолы при изменении характеристик источника водоснабжения или метода предочистки; стоимости основного и вспомогательного оборудования водоподготовки (фильтров, насосов и пр.).Другими словами, противоточные технологии различаются по объему капитальных затрат при создании установки промышленной водоподготовки и расходам на ее эксплуатацию. При сравнении с прямоточной (параллельно-точной) технологией регенерации ионообменной смолы любая противоточная (при условии грамотной реализации!) обеспечивает сокращение потребления (удельных расходов) реагентов на регенерацию, повышение качества обработанной воды и снижение ее потребления на собственные нужды (за исключением схем с гидравлической блокировкой).Рисунок 2. Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии): ИВ — исходная вода; OS — обработанная вода; Р — реагент В подавляющем большинстве случаев при солесодержании исходной воды до 15 мг-экв/л применение одноступенчатого противотока ( Na -катионирований или цепочки Н-ОН) позволяет гарантировать в обработанной воде остаточную жесткость ниже 5 мкг~экв/л (или электропроводность менее 2 мкСм/см) в сочетании с приемлемым удельным расходом реагентов, рассчитанным на основании стехиометрических соотношений: 120...140 % для NaCI и HCI ; 150...190 % для H2S04 и 120... 160% для NaOH. Однако в некоторых публикациях приводятся значения электропроводности 6...35 мкСм/см, полученные при использовании одноступенчатой схемы водоподготовки. Подобные результаты свидетельствуют (с высокой степенью вероятности) о непреднамеренных ошибках, допущенных признанными специалистами при реализации конкретной технологии противоточной регенерации. Ключевым фактором, определяющим успешную реализацию любого противоточного процесса, является обеспечение сохранности слоя ионообменной смолы в «зажатом» состоянии, без внутрислойного (продольного или осевого) перемешивания, как в режиме рабочего цикла, так и при проведении регенерации . Классическим примером реализации процесса деминерализации или умягчения воды посредством ионного обмена является упрощенная схема, показанная на рис. 2. Обрабатываемая вода проходит сверху вниз последовательно через фильтры, загруженные катионитом (обычно сильнокислотным в Н-форме, при умягчении воды — в Na ) и анионитом (например, сильноосновным в ОН-форме). При этом объем активной ионообменной смолы составляет не более чем 60 % (часто — около 50 %) внутреннего объема фильтра. При проведении регенерации направление подачи реагентов совпадает с направлением подачи обрабатываемой воды (сверху вниз). Поэтому данная технология регенерации ионообменной смолы называется прямоточной (или параллелькоточной). Ее достоинства и недостатки общеизвестны. Однако необходимо отметить, что она обладает следующими положительными качествами: возможностью изменения рабочей нагрузки в широком диапазоне значений, свободой чередования технологических остановов с возобновлением рабочего цикла, возможностью удаления из слоя монообменной смолы загрязнений, накопленных во время работы, и фрагментов зерен смолы, образовавшихся при ее разрушении в процессе эксплуатации (благодаря операции взрыхления слоя ионообменной смолы, осуществляемой в каждом цикле), предотвращением каналообразования в слое загрузки и, наконец, исключительной простотой конструкции фильтров.Рисунок 3. Схема конструкции фильтра с гидравлической блокировкой слояионообменной смолы: ВБ — вода для блокировки; другие обозначения см. рис. 2. Преимущества противоточной регенерации перед прямоточной уже отмечались ранее, однако для ее реализации необходимо было решить техническую задачу по обеспечению «зажатого» состояния слоя ионообменной смолы и постараться сохранить при этом все достоинства, присущие прямоточной технологии водоподготовки. Первыми противоточнымн технологиями, появившимися на рубеже 50—60-х годов прошлого века, были такие, в которых «зажатие» слоя ионообменной смолы при регенерации осуществлялось подачей дополнительного потока воды, направленного сверху вниз, навстречу потоку реагента. Такие технологии получили название «противоточные технологии с гидравлической блокировкой (зажатием) слоя» (рис. 3). В рабочем цикле обрабатываемая вода подается c вepxy вниз через распределительное устройство, расположенное в верхней части фильтра (на схеме не показано), проходит через слой ионообменной смолы и инертный материал и через нижнее распределительное устройство выводится фильтра. Слой ионообменной смолы заполняет до 60 % объема цилиндрической части фильтра. Среднее дренажное устройство либо заглублено в слой ионообменной смолы своими распределительными элементами, либо размещается целиком в верхнем слое ионитовой загрузки. При регенерации поток реагента подается снизу вверх, (для обеспечения «зажатого» состояния слоя через верхнее распределительное устройство сверху вниз навстречу потоку реагента) подается дополнительный блокирующий поток воды. Оба потока выводятся из фильтра через среднее распределительное устройство. Очевидно, что расход воды в блокирующем потоке должен существенно превышать расход воды в потоке реагента (иначе слой ионообменной смолы разуплотнится и будет перемешиваться). Этим обстоятельством определяется значительное потребление воды на собственные нужды . В то же время данная схема водоподготовки позволяет выбрать способ взрыхляющей промывки: либо всего слоя загрузки (с обязательной последующей двойной регенерацией), либо только верхних слоев ионообменной смолы (при подаче воды на взрыхление через среднее распределительное устройство, которое заглублено в слой ионита). Наиболее широко известная и апробированная из отечественных противоточных технологий водоподготовки, предложенная потребителям в конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века, относится по своему техническому уровню именно к данному (первому) поколению технологий противоточной регенерации ионообменной смолы. Следующим этапом в развитии противоточной технологии водоподготовки стало применение воздушной (пневматической) блокировки слоя ионообменной смолы, что позволило в значительной степени снизить потребление воды на собственные нужды. Конструкции фильтров, последовательность и тип операций при проведении рабочего цикла и регенерации в технологиях с воздушной блокировкой полностью идентичны соответствующим решениям, применявшимся в схемах с гидравлической блокировкой. Отличие состоит лишь в том, что блокировка слоя ионообменной смолы осуществляется не водой, а подаваемым под давлением с большим расходом потоком воздуха. Недостатками технологий с использованием блокировки обоих видов являются низкое значение коэффициента использования полезного объема фильтра, сложность регулирования технологических параметров и управления технологическими потоками в процессе регенерации ионообменной смолы (особенно вручную), а несомненными достоинствами — возможность проведения взрыхляющих промывок без перегрузки ионита в дополнительную емкость, а также возможность останова и возобновления работы установки водоподготовки в любой момент рабочего цикла. Еще одним типом противоточной технологии водоподготовки, реализуемой в фильтрах, конструкция которых представлена на рис. 4, является ECONEX с перемещаемым слоем инертного материала. Особенность конструкции такого фильтра по сравнению со стандартным прямоточным состоит в том, что помимо нижнего распределительного устройства аппарат оснащается еще и верхним. Отличительной чертой этой технологии является наличие в фильтре, над слоем активного ионита, плавающей инертной загрузки, которая обеспечивает «зажатое» состояние слоя ионообменной смолы при проведении регенерации.Рисунок 4 Схема конструкции фильтра с перемещаемым слоем инертного материала. Обозначения см. на рис. 2.Рабочий цикл проводится в направлении сверху вниз, а регенерация — снизу вверх. В случае необходимости проведения взрыхляющей промывки слой инертного материала удаляется из рабочего фильтра в дополнительную емкость, а после ее завершения возвращается в рабочий фильтр для проведения регенерации (как минимум двойной). Возможность проведения взрыхляющей промывки ионообменной смолы непосредственно в рабочем фильтре является несомненным достоинством рассматриваемой технологии водоподготовки, существенно повышающим ее толерантность к присутствию взвешенных твердых веществ в обрабатываемой воде. К недостаткам можно отнести: низкое значение коэффициента использования полезного объема фильтра, так как значительный объем фильтра заполнен инертной загрузкой; включение в технологическую схему дополнительной емкости для гидроперегрузки ионообменной смолы; сложность автоматизации процесса работы установки из-за необходимости тщательного контроля за отсутствием остатков перегружаемого инертного материала в запорно-регулирующей арматуре; дополнительные расходы воды на собственные нужды и реагентов на проведение двойных регенераций. Революционным прорывом в противоточных технологиях водоподготовки стала SCHWEBEBETT , разработанная и предложенная к внедрению компанией BAYER в 60—70-е годы прошлого века. Впервые было предложено заполнить активной ионообменной смолой практически весь объем фильтра. В его верхней части (непосредственно между ионообменной смолой и верхним распределительным устройством) размещается относительно узкий (до 300 мм высотой) слой плавающего инертного материала, поэтому между смолой и этим материалом остается небольшая зона свободного пространства (необходимая для «дыхания» ионообменной смолы при переходе из одной рабочей формы в другую). По технологии SCHWEBEBETT регенерация ионообменной смолы проводятся сверху вниз, а рабочий цикл - снизу вверх.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Самым эффективным способом водоподготовки и умягчения воды сегодня считается именно ионный обмен. Данная методика широко применяется и в промышленности, и в быту. Жесткость воде придают растворенные в ней соли магния и кальция, а ионный обмен регулирует их содержание и, соответственно, нормализует состав. В итоге минеральные соли жесткости заменяются на другие химические структуры, и вода сохраняет нужные свойства. Для проведения водоподготовки путем ионного обмена используются специальные фильтрующие устройства – сначала их заполняют ионитами, а потом запускают воду.К очистке ионообменным способом обычно прибегают в том случае, если нужно подготовить воду с высокой минерализацией – то есть около 100-200 мг солей на один литр. Ионообменные умягчители могут эффективно работать с очень высоким уровнем жесткости. Основными плюсами очистки воды ионообменными смолами являются: очень высокое качество очистки и умягчения воды; снижение содержания в жидкости не только солей жесткости, но и других вредных веществ; простота эксплуатации и обслуживания.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Алексеева Т.В., Федосеев Б.С. Совершенствование техники ионного обмена на основе противоточной технологии / Т.В. Алексеева, Б.С. Федосеев // Энергетик. – 2021. – №7. – С. 17-19. 2. Амосова Э.Г. Опыт применения технологии противоточного натрий-катионирования в котельных / Э.Г. Амосова, П.И. Долгополов, Н.В. Потапова и др. // Сантехника. – 2021. – № 2. – С. 28-31. 3. Бренгс Б. Технологические схемы ионообменной очистки воды / Б.Бренгс // Индустрия напитков. – 2021. – № 4. – С. 55-61. 4. Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE: промывка взрыхлением / С.Л. Громов // Теплоэнергетика. – 2021. – № 3. – С. 52-55. 5. Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ / С.Л. Громов // Химическое и нефтяное машиностроение. – 2020. – № 12. – С. 47-48. 6. Копылов А.С. Водоподготовка в энергетике. / А.С. Копылов, М.В. Лавыгин, В.Ф. Очков. – М.: Изд-во МЭИ, 2018. – 211 с.7. Красильников М.Д. Противоточная технология обработки воды / М.Д. Красильников // Вода и экология. – 2021. – № 2. – С. 39-41. 8. Ларин Б.М., Технологическое и экологическое совершенствокание водоподготовительных установок на ТЭС / Б.М. Ларин, Е.Н. Бушуев, Н.В. Бушуева // Теплоэнергетика. – 2019. – №8. – С. 23-27. 9. Юрчевский Е.Б., Яковлев А.В. Внедрение технологии противоточного ионирования на базе реконструкции установленного оборудования / Е.Б.Юрчевский, А.В. Яковлев // Энергосбережение и водоподготовка. – 2019. – № 1. – С. 52-59.