ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА ИОНИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

а) Катиониты и их свойства

Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами: сульфогруппу SO₃H, одновалентную карбоксильную группу СООН и однова­лентную фенольную группу ОН. Из них группа SO₃H об­ладает сильнокислотными, а группы СООН и ОН — сла­бокислотными свойствами.

В зависимости от химического состава катиониты делятся на:

сильнокислотные, содержащие активные сульфогруппы, и

слабокислотные, содержащие в основном карбоксильные группы.

Первые способны к обмену катионов в щелочной, ней­тральной и кислой средах, вторые — только в щелочной среде.

Свойства применяемых в технике катионитов таковы, что в их состав могут быть введены разные обменные катионы, однако для практики водоподготовки на ТЭС важными являются только два катиона: натрий (Na⁺) и водород (Н⁺).

В зависимости от того, какой катион в данном катионите является обменным, различают натрий-катионит (Na-катионит, Na⁺R^-) и водород-катионит (Н-катионит, H⁺R^-), где символом R^- обозначен нерастворимый в воде сложный радикал катионита, играющий условно роль одновалентного аниона. Процес­сы обработки воды перечисленными катионитами соот­ветственно называются Na-катионированием и Н-катионированием,

Показателями качества катионитов являются физиче­ские свойства, химическая и термическая стойкость, ра­бочая обменная емкость и др. Показателями физических свойств катионитов являются фракционный состав и ме­ханическая прочность катионита, а также рассмотренная выше насыпная плотность в воздушно-сухом и влажном состояниях, характеризующие набухаемость катио­нита.

Фракционный состав катионитов, определяемый обыч­ным ситовым анализом, позволяет установить количест­венное соотношение отдельных зерновых фракций, сред­ний размер зерен, степень однородности последних и ко­личество пылевидных частиц, непригодных к использо­ванию в фильтре. При прочих одинаковых условиях мелкозернистый катионит имеет более высокую емкость, чем крупнозернистый, так как он обладает относительно бо­лее развитой поверхностью, с которой соприкасается об­рабатываемая вода. С другой стороны, чем мельче зерна катионита, тем больше его гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды. Учиты­вая достигаемые при обычных скоростях фильтрования величины потерь напора в слое ионита и рабочие омен­ные емкости, оптимальные размеры зерен катионита при­нимают в пределах 0,3—1,5 мм.

Кроме размера зерна, имеет значение однородность зернового состава катионита, т. е. соотношение его мел­ких и крупных фракций. Для удобства эксплуатации катионитных установок рекомендуется применять катионит с коэффициентом неоднородности kн = d80 / d 100 не выше 2, где d80 и d 100 — размеры сит, через которые могло бы прой­ти 80 или 10% общей навески.

Большое значение для эксплуатации имеют механиче­ская прочность катионита, а также его химическая и тер­мическая стойкость. Эти показатели необходимы для установления износа катионитов в процессе их эксплуа­тации и выбора марки катионита применительно к задан­ной температуре обрабатываемой воды и ее активной ре­акции. Невыполнение этих требований приводит к тому, что в процессе эксплуатации катионит частично измель­чается при фильтровании, а также вследствие трения его зерен друг о друга при взрыхлении; кроме того, при вы­соких температурах обрабатываемой воды и повышенных значениях ее кислотности или щелочности он частично пептизирует, т. е. переходит из нерастворимого со­стояния в состояние коллоидного раствора. И то, и дру­гое приводит к постепенному вымыванию образовавшей­ся пылевидной мелочи или коллоидных частиц в процессе взрыхления ионита и в конечном счете к безвозвратной потере некоторого количества его. При практическом ис­пользовании отечественных катионитов годовые потери за счет механического износа и пептизации составляют для сульфоугля 5—7%, а для смолы КУ-2 15—20%.

Рабочая обменная емкость является основной техно­логической характеристикой ионита, так как от нее за­висит объем ионита, необходимый для загрузки филь­тров при заданных условиях их эксплуатации. В отличие от рабочей обменной емкости полная обменная ем­кость ионита характеризуется количеством ионов, ко­торое может быть поглощено ионитом при полной замене всех обменных ионов. Определение ее основано на пол­ной нейтрализации кислотного катионита раствором NaOH, а щелочного анионита — раствором НС1. Величи­на полной обменной емкости данного ионита постоянна и выражается, как и рабочая обменная емкость, в грамм-эквивалентах ионов, поглощенных 1 м³ набухшего ио­нита.

Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида улавливаемых из воды катионов, соотношения солевых компонентов в обрабатываемой воде, значения рН воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитных фильтров и удельного расхо­да регенерирующего реагента.

При больших скоростях фильтрования рабочая обменная емкость катионита снижается вследствие умень­шения продолжительности контакта между водой и катионитом. Однако в катионитных фильтрах первой ступе­ни, где скорость фильтрования обычно не превышает 15— 20 м/ч, а высота загрузки 2,0—2,8 м, влияние скорости на рабочую обменную емкость незначительно. В катио­нитных фильтрах второй ступени скорость фильтрования достигает 30—50 м/ч при высоте слоя катионита 1,5 м; поэтому д,ля них фактор влияния скорости является ощу­тимым и должен учитываться при расчете этих фильтров (см. § 9-3,а).

В табл. 9-1 приведены основные показатели качества отечественных и некоторых зарубежных катионитов, ко­торые применяются в катионитных фильтрах на тепло­вых электростанциях СССР.

Из перечисленных в табл. 9-1 катионитов наиболее широко применяются на отечественных электростанциях

Таблица 9-1 Показатели качества катионитов

Продолжение табл. 9-1

сульфоуголь, получаемый путем обработки коксующегося каменного угля дымящейся серной кислотой, а также вы­пускаемый отечественной промышленностью катионит марки КУ-2, являющийся синтетической смолой и обла­дающий более высокой обменной емкостью, чем суль­фоуголь, а также более высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, органическим растворителям и не­которым окислителям даже при температуре до 120 °С.

б) Аниониты и их свойства

Аниониты содержат следующие химически активные функциональные группы: первичные (—NH₂), вторичные (= NH), третичные (= N) аминогруппы и четвертичные аммониевые группы (—N⁺R₃). Введение перечисленных активных групп в синтетические смолы сообщает послед­ним характер оснований. Первичные, вторичные и тре­тичные аминогруппы обладают слабоосновными, а чет­веричные аммониевые группы — сильноосновными свой­ствами. В зависимости от химического состава аниониты делятся на:

а) слабоосновные, содержащие вторич­ные и третичные аминогруппы;

б) сильноосновные, содержащие четверичные аммониевые группы.

Первые способны к обмену анионов только в кислой среде, вто­рые — в кислой, нейтральной и щелочной средах.

В состав анионитов могут быть введены различные об­менные анионы. В практике водоподготовки на электростанциях такими обменными анионами являются ОН^- СОз^2- , НСО₃^-. В зависимости от того, какой анион в дан­ном анионите является обменным, различают следующие виды анионитов: R⁺OH^- , R₂⁺CO₃^2-, R⁺HCO₃^2-, где симво. лом R⁺ обозначен нерастворимый в воде сложный ради­кал, включающий функциональную группу и играющий условно роль одновалентного катиона. При погружении анионита в воду происходит диссоциация его с образо­ванием вокруг нерастворимого в воде ядра ионной атмос­феры, состоящей из подвижных анионов ОН^-, СОз^2- или НСОз^-, способных обмениваться на другие анионы (рис. 9-1,6).

В табл. 9-2 приведены основные показатели качества отечественных и некоторых зарубежных анионитов, при­меняемых в анионитных фильтрах обессоливающих уста­новок на отечественных электростанциях. Качество анионитов определяется теми же показателями, что я катионитов. Из них основным показателем является рабочая обменная емкость. В противоположность катионитам, ра­бочая обменная емкость которых повышается с увеличе­нием рН фильтруемой воды, рабочая обменная емкость анионитов тем больше, чем ниже величина рН, т. е. чем выше кислотность фильтруемой воды.

Так как сильноосновные аниониты в схемах полного химического обессоливания предназначены для обескремнивания, их обменная способность характеризуется ра­бочей кремнеемкостью, выраженной количеством грамм-эквивалентов HSiO₃^-, которое может извлечь из воды 1 м³ набухшего анионита в результате обменной реак­ции. Рабочая кремнеемкость сильноосновных анионитов зависит от величины рН воды, поступающей на анионитный фильтр, концентрации кремниевой кислоты в этой воде, удельного расхода щелочи на регенерацию, кон­центрации регенерирующего раствора, момента отключе­ния фильтра на регенерацию, скорости фильтрования воды, природы обменного иона (ОН^-, СОз^2- , НСО₃^- ), температуры исходной воды и других факторов.

Из слабоосновных анионитов, выпускаемых отече­ственной промышленностью, наиболее пригоден для обессоливания воды анионит марки АН-18. Из новых сильноосновных анионитов наибольшее распространение получил анионит марки АВ-17. От слабоосновных анио­нитов он отличается тем, что содержит исключительно сильно диссоциированные активные аминогруппы четве­ртичного аммониевого основания. Анионит АВ-17 хорошо сорбирует слабые кислоты, в том числе кремниевую. Анионит АВ-17 механически прочен и химически стоек к кислотам и щелочам. Он применяется в основном для удаления из воды кремниевой кислоты в схемах полного химического обессоливания.

В табл. 9-1 и 9-2 приведены обменные емкости ионитов, которые определены при одинаковых лабораторных условиях. Они служат только для сравнения их между собой, но не могут быть использованы для технологиче­ских расчетов.

При проектировании водоподготовительных устано­вок выбор расчетной обменной емкости следует произво­дить по графикам, приведенным в гл. 13, учитывающим влияние различных факторов на величину обменной ем­кости.

Таблица 9-2

Показатели качества анионитов

*При концентрации кислоты в исходном раствоое 1.78 мг-экв/кг

** До проскока 0,1 мг/кг SiO ₃^2-

*** При концентрации кислоты в исходном растворе 1,0 мг-экв/кг.

Поиск по сайту: