В зависимости от степени диссоциации различают следующие виды ионитов:
-Сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3H или фосфорнокислые РО(ОН)2 группы и сильноосновые аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания R3NOH;
-слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные COOH и фенольные C6H5OH группы, диссоциирующие при pH<7, а также слабоосновные первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы, диссоциирующие при pH>7.
В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная установка, различают: H-форму, Na-форму, Ca-форму и др. для катионов и соответственно OH-форму, Cl-форму и др. для анионитов.
Основные требования к анионитам, используемым для очистки сточных вод, следующие:
-высокая обменная ёмкость;
-хорошие кинетические свойства (высокая скорость ионного обмена);
-достаточная устойчивость по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям;
-нерастворимость в воде, органических растворителях и растворах электролитов;
-ограниченная набухаемость.
Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, которая характеризуется обменной ёмкостью и определяется количеством грамм-эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объёма ионита. Различат полную, статическую, и динамическую обменные ёмкости. Полная ёмкость – это количество поглощаемого вещества. Статическая ёмкость - это обменная ёмкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая обменная ёмкость обычно меньше полной. Динамическая обменная ёмкость — это ёмкость ионита до "проскока" ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая ёмкость
Если катиониты находятся в Н-форме или Na-форме, то обмен катионов будет проходить по реакциям:
Ме+ + Н[К] = Ме[К] + Н+
Ме+ + Na[K] = Ме[К] + Na+,
где [К] - комплекс катионита; Me+ - катион металла, находящийся в сточной воде
Слабоосновные аниониты обменивают анионы сильных кислот:
2A[OH] + H2S04 <->[A]2S04 + H2O
Где [A] - комплексанионита
Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е.достигается проведением реакции ионного обмена в обратном направлении. Этот процесс носит название регенерации. Регенерационные растворы называют элюатами.
Катиониты обычно регенерируют 2-8% растворами кислот (при переводе в Н-форму) или раствором хлористого натрия (при переводе Na-форму):
2Ме[К] + H2S04 =2Н[К] + Me2S04
6. ИОНООБМЕННЫЕ УСТАНОВКИ СЕРИИ SF
Ионообменные установки серии SF предназначены для очистки воды методом ионного обмена (умягчение, декарбонизация, обессоливание, удаление сульфатов и нитратов, удаление цветности воды, обусловленной наличием гуминовых и фульвокислот, очистка стоков от тяжелых металлов и т.д.).
Корпуса фильтров выполнены из полиэтилена с наружной оплеткой из стеклопластика или из стали с внутренним полимерным покрытием, обеспечивающим эффективную защиту фильтров от коррозии в любых средах, в том числе в соляной и серной кислотах.
Металлические фильтры поставляются с диаметром корпуса до 3000 мм, пластиковые – до 2000 мм. Стандартная высота цилиндрической части фильтров – от 1100 до 2000 мм. Металлические фильтры могут изготавливаться с любой высотой цилиндрической части по желанию заказчика, в том числе многосекционные с несколькими ложными днищами, что позволяет подбирать фильтры индивидуально для конкретной задачи.
Рабочее давление воды – до 6 кг/см 2; по желанию заказчика могут поставляться фильтры, рассчитанные на давление до 10 кг/см 2.
Поставляются фильтры как для процессов с прямоточной регенерацией ионита, так и для противоточных процессов ( Packed Bed, UPCORE, Reverse Amberpack и др.). Преимущество противоточных фильтров перед прямоточными – на порядок более эффективное удаление ионов при меньших расходах ионитов и реагентов.
В комплекте с фильтрами SF поставляются ионообменные материалы производства фирм Dow CHEMICAL, Rhom & Haas, Purolite.
Управление работой фильтров может осуществляться вручную или автоматически.
В последнем случае применяются многоходовые клапаны с электромеханическим ( FLECK, CLACK) и гидравлическим ( Siata) приводом, дисковые поворотные затворы с электро- или пневмоприводом ( GEORGE FISCHER, DANFOSS, VAN DE LANDE), клапаны с пневмоприводом ( GEORGE FISCHER).
Работа клапанов или приводной запорной арматуры контролируется программным устройством, позволяющим запрограммировать частоту регенерации и продолжительность ее стадий. Контроллер дает возможность интегрировать фильтры в единую систему автоматики водоочистного комплекса, в том числе с компьютерным управлением.
Варианты программирования регенерации: по таймеру, по объему пропущенной воды, по жесткости или электропроводности воды.
На объектах с 24-часовым циклом производства применяются установки непрерывного действия. Они состоят из нескольких параллельно включенных фильтров SF, объединенных в систему при помощи единого контроллера. Обычно один фильтр в такой системе постоянно находится в режиме ожидания или регенерации.
Установки непрерывного действия серии SF-A с блоками управления FLECK используются для умягчения воды. Они состоят из двух ионообменных фильтров с общим блоком управления и бака-солерастворителя для приготовления раствора поваренной соли.
Установки непрерывного действия серий SF-D, SF-X, SF-Q состоят соответственно из двух, трех и четырех фильтров. Они могут поставляться с любыми блоками управления и контроллерами, в зависимости от производительности и вида ионообменного процесса.
Дренажные устройства фильтров серии SF изготавливаются в виде щелевых лучей или ложных днищ с щелевыми колпачками. Материал дренажей – полипропилен или нержавеющая сталь.
Установки серии SF комплектуются реагентным хозяйством. В простейшем случае это баки для автоматического приготовления раствора поваренной соли. В более сложных случаях реагентный узел может включать растворные баки, перемешивающие устройства, механические фильтры, насосы, контрольно-измерительные приборы (например, солемер) и средства автоматики.
7. Современные бытовые и промышленные ионообменные фильтры водоподготовки
Все 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.
7.1 Фильтры непрерывного действия
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 малоконцентрированных растворов соотношение расходов раствора и ионообменной смолы может составлять десятки и сотни раз. Колонны с псевдоожиженным слоем используют специальные распределительные тарелки КРИМЗ и низкочастотную, около 1 Гц, пульсацию, т.е. вертикальные колебания раствора. Тарелки и пульсация обеспечивают высокую интенсивность массообмена и равномерное распределение фаз по сечению даже очень крупных аппаратов. Такие колонны применяются для регенерации и отмывки ионообменных смол смол от регенерирующего раствора. Колонны с так называемой транспортной пульсацией наиболее эффективны для процессов переработки малоконцентрированных растворов, в том числе при наличии механических взвесей.