Кинетика обмена ионов

В теории ионного обмена принято рассматривать три стадии обмена ионов:

1) доставку иона на поверхность ионита;

2) проникновение иона внутрь зерна ионита;

3) химическое взаимодействие иона с функциональной группой ионита.

Сущность ионного обмена заключается в использовании способности ионитов ионообменных материалов изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Процесс ионного обмена отличается от процесса адсорбции тем, что если при адсорбции происходит лишь накопление вещества, сорбируемого из раствора на поверхности какого-либо материала, то при ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида сопровождается переходом ранее сорбируемых ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене один вид ионов заменяется другим.

Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, то есть возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов). Ионы диффузного слоя обладают повышенным запасом кинетической энергии и могут выходить из диффузного слоя в раствор, но при этом из раствора в диффузный слой должны переходить ионы того же знака заряда. Таким образом, ионит можно представить как твердый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его часть, а подвижная часть – другую (рисунок).

Рисунок – Схема структуры молекулы ионита:

а) катионит; б) анионит; 1 – матрица; 2 – потенциалообразующие ионы; 3 – ионы диффузного слоя.

Все три стадии ионного обмена сопровождаются соответствующими перемещениями тех ионов, на которые обменивается ион внешнего раствора. Так, стадия доставки i-го иона из внешнего раствора к поверхности ионита сопровождается перемещением j-го иона, ранее находившегося в ионите во внешнем растворе. А стадия химического взаимодействия i-го иона с функциональной группой ионита обязательно должна предшествовать химическая реакция разрыва j-го иона с той же функциональной группой.

Все перечисленные стадии перемещения обменивающихся ионов протекают одновременно.

Лекция №7

Очистка воды на ионитных фильтрах.

Стадии работы ионитного фильтра.

Метод ионного обмена находит широкое применение при очистке воды от расворенных примесей. Технологически очистку воды методом ионного обмена осуществляют путем фильтрования воды через промышленные фильтры, загруженные ионитами.

Для удаления из воды катионов применяют катиониты, находящиеся в Н⁺, Na⁺ или -форме. Очистку воды от анионов производят с помощью анионитов, находящихся в ОН^-, и Cl^—форме.

Процесс очистки воды на катионите называют катионированием. При Н-катионировании происходит обмен всех катионов, находящихся в воде, на катионы Н⁺, находящиеся в катионите. Если первоначально катионит находился полностью в Н-форме, то все катионы, присутствующие в воде, обменявшись на катионы водорода, задержатся слоем катионита, а в фильтрат перейдут ионы водорода, придав ему кислую реакцию. При этом кислотность фильтрата будет отвечать сумме концентраций всех катионов, присутствующих в исходной воде. Если в исходной воде присутствуют анионы , то значение рН фильтрата обуславливается концентрацией анионов .

В практике очистки воды качество работы Н-катионного фильтра контролируют по кислотности или концентрации катиона Na⁺ в фильтрате, так как благодаря самой низкой константе обмена эти ионы будут двигаться по слою катионита впереди всех, а их максимальная концентрация будет равна общей концентрации катионов в исходной воде. При приближении концентрационного фронта катионов Na⁺ к нижним слоям Н-катионитного фронта они появляются в фильтрате, и стадия работы Н-катионитного фильтра на этом заканчивается. Фильтр отключают при появлении катионов Na⁺ в фильтрате в заданной концентрации.

Если первоначально некоторая часть катионита содержала какое-то количество катионов, подлежащих удалению, то выделяющиеся в процессе очистки воды из верхних слоев катионита ионы водорода регенерируют его нижние слои, вследствие чего в фильтрате с самого начала времени работы фильтра будут присутствовать катионы Na⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺. Далее концентрация этих катионов в фильтрате снижается и затем вновь возрастает при подходе соответствующих концентрационных фронтов к нижним слоям катионита. В этом случае рН фильтрата определяется количеством катионов водорода, первоначально находящихся в катионите, и временем работы фильтра.

При Na-катионировании в соответствии с концентрационными контактами происходит обмен ионов , К⁺, Mg²⁺ и Са²⁺, находящихся в воде, на катионы Na⁺, находящихся в катионите. Таким образом, при Na-катионировании снижается один из основных технологических показателей – жесткость.

Обычно Na-катионитные фильтры применяют только для снижения жесткости обрабатываемой воды. Если первоначально весь катионит находился в Na-форме, то в течении всего времени работы фильтра катионы жесткости в фильтрате будут отсутствовать. Появление их в фильтрате будет вызвано приближением концентрационного фронта катионов жесткости к нижним слоям катионита. Обычно стадия работы Na-катионитного фильтра заканчивается при достижении заданной концентрации ионов жесткости в фильтрате.

В этом случае, если в начале стадии работы загрузка Na-катионитного фильтра частично содержала катионы жесткости, в процессе работы фильтра выделяющиеся из верхних слоев катионы Na⁺ будут регенерировать нижние слои катионита и приводить к обогащению фильтрата катионами Ca и Mg. Этот процесс будет протекать до тех пор, пока количество катионов жесткости не будет соответствовать концентрации выделяющихся из верхних слоев катионита ионов Na⁺.

Концентрация катионов жесткости в фильтрате начнет возрастать тогда, когда концентрационный фронт ионов жесткости приблизится к нижним слоям ионита.

При аммоний-катионировании из обрабатываемой воды удаляются все катионы за исключением ионов Na⁺.

Процесс очистки воды на анионите носит название анионирования. При анионировании происходит обмен анионов, содержащихся в воде, на анионы, находящиеся в анионите. Наиболее часто для очистки воды от анионов применяют анионит в ОН-форме, при этом в общем случае происходит обмен всех анионов из обрабатываемой воды на анион ОН^-.

Различают способы анионирования, протекающие на слабоосновных и сильноосновных анионитах. Процесс ОН-анионирования на слабоосновных анионитах представляет собой главным образом обмен анионов сильных кислот на анион ОН^-.

Обычно в схемах очистки воды фильтр, загруженный слабоосновным анионитом в ОН-форме, располагают после фильтра, загруженного катионитом в Н-форме.

Процесс ОН-анионирования на сильноосновном анионите представляет собой обмен всех ионов, содержащихся в обрабатываемой воде, на ион ОН^-, находящийся в анионите. Обычно фильтр, загруженный сильноосновным анионитом в ОН-форме, располагают также после Н-катионитного фильтра. Такое расположение вызвано требованием не допустить выпадения внутри и на поверхности зерен анионита частиц гидроксида Mg, которые могли появиться в фильтрате Н-катионитного фильтра, если его загрузка не полностью отрегенерирована.

Время работы ионитного фильтра рассчитывают по уравнению:

.

Параметр Т₀ = − ln φ – 1; β − коэффициент массопереноса (пропорциональности):

;

q₀ – полная обменная емкость;x – высота слоя ионита;

w_ап – проекция истинной средней скорости течения жидкости в поровом пространстве на направление движения общего потока;

h – распределительное отношение ();С₀ – исходная концентрация ионов;С – концентрация ионов в фильтрате;

.

При организации любых процессов фильтрационной очистки естественно желание сделать стадию работы наиболее длительной по сравнению с другими (сделать анализ влияния величин в формулах на увеличение времени t). Увеличение времени работы фильтра или его производительности ведет к повышению экономичности водоподготовительной установки, так как уменьшает количество устанавливаемых фильтров.

Из опыта эксплуатации водоподготовительных установок известно, что минимальное время работы ионитных фильтров примерно 4 – 6 часов. В таком режиме они могут работать всего несколько дней в году. Нормальный режим эксплуатации фильтров предусматривает стадию работы продолжительностью 12 – 24 часов. Обычно для увеличения времени работы фильтров прибегают к увеличению высоты фильтрующих материалов до 3 – 4 метров и располагают их в двух последовательных аппаратах, которые принято называть ступенями ионирования. Кроме того, вводят ограничения на пределы скорости фильтрования, стремятся использовать высокоемкие материалы.

Во время работы ионитного фильтра происходит уменьшение диаметра его частиц, при этом самые сжимаемые зерна приобретают возможность к перемещению, а наиболее рыхлые части ионита уплотняются, то есть в результате уменьшения пористости слоя ионита его гидравлическое сопротивление возрастает. Кроме того, при многократном сжатии и расширении во время работы иониты с малой прочностью измельчаются. Поэтому после продолжительной эксплуатации производят взрыхление фильтрующего слоя, в результате которого происходит перестройка ионита из плотного в более рыхлый, и одновременно удаляют измельченные частицы.

Для восстановления способности отработавшего ионита к обмену проводят регенерацию. К растворам электролитов, с помощью которых выполняют регенерацию, предъявляют следующие требования: относительно невысокая стоимость, доступность, способность образовывать растворимые соединения с продуктами регенерации, способность обезвреживания использованных растворов. Исходя из этого, для регенерации применяют: при Na-катионировании – раствор NaCl; при NH₄ -катионировании – раствор хлорида аммония; при Н-катионировании – разбавленный раствор H₂SO₄, либо раствор азотной кислоты HNO₃, который более предпочтителен, так как не образует труднорастворимых соединений с продуктами регенерации; при ОН-анионировании – раствор гидроксида Na (NaOH).

Регенерацию проводят путем пропуска регенерационного раствора через слой отработавшего и взрыхленного ионита. Различают прямоточную и противоточную регенерацию. Прямоточной регенерацией называют такой процесс регенерации, при котором регенерационный раствор пропускают через слой ионита в направлении подачи на фильтр обрабатываемой воды. Противоточной регенерацией называют такой процесс регенерации, при котором пропуск регенерационного раствора через слой ионита осуществляют в направлении, обратном пропуску обрабатываемой воды.

При регенерации между ионом, выходящим из твердой фазы ионита, и ионом, находящимся в регенерационном растворе, устанавливается подвижное равновесие. При регенерации кислотой катионита, находящегося в Na-форме, это равновесие можно записать в виде:

.

При добавлении в раствор иона Na⁺ смещается равновесие в сторону повышения его концентрации в твердой фазе. Наоборот, при добавлении иона Н⁺ в раствор смещается равновесие в сторону перехода иона Na⁺ в раствор.

В практике водоподготовки стремятся наиболее полно отрегенерировать иониты в данных условиях. Одним из наиболее простых способов достижения этого является непрерывное пропускание регенерационного раствора через слой ионита. Равновесие регенерации смещается при этом за счет непрерывного удаления из зоны реакции выделяющегося из ионита иона. Более того, каждое зерно ионита контактирует с регенерационным раствором нарастающей концентрации. Если же в регенерационном растворе будет присутствовать в заметных количествах ион, удаленный из ионита, то реакция обмена сместится влево и эффективность регенерации снизится. Это влияние получило название противоионного эффекта.

В противоположность противоионному эффекту увеличение концентрации регенерирующего иона сдвигает равновесие регенерации вправо.

Стадия регенерации всегда занимает меньший интервал времени по сравнению со стадией работы, и чем больше разница во времени проведения этих стадий, тем лучше с технологической точки зрения организован процесс очистки. Малое время процесса регенерации достигается благодаря применению сравнительно больших концентраций регенерационных растворов.

Эффективность регенерации характеризуется понятием емкости. В технологии водоподготовик различают полную и рабочую обменную емкости. Вследствие неполноты регенрации из полной обменной емкости можно вывести понятие полной рабочей обменной емкости, которая представляет собой разность между полной обменной емкостью, определяемой числом функциональных групп, и концентрацией ионов, по той или иной причине (например, из-за противоионного эффекта) оставшихся в ионите при егог регенрации. Рабочая обменная емкость – та часть концентрации регенерирующих ионов в ионите, обмениваетмя в процессе работы на поглощенные ионы, если ионит работает до момента появления в фильтрате заданной концентрации поглощаемых ионов. На рисунке приведена зависимость времени ионитного фильтра от относительной концентрации поглощаемого иона в фильтрате (). Фильтр отключают на регенерацию в момент времени t₁ при достижении в фильтрате относительной концентрации φ_проск.. Этот момент характеризуется рабочей обменной емкостью. По окончании регенерации проводят отмывку ионитов. В процессе отмывки из ионитов удаляются как продукты регенерации, так и регенерирующие агенты.

Технология приготовления регенерационных растворов.

Для выполнения условий эксплуатации ионитный фильтр оснащают дренажно-распределительными устройствами, трубопроводами и арматурой (рисунок 1).

Рисунок 1 – Принципиальная схема работы ионитного фильтра:

1 – исходная и отмывочная вода; 2 – регенерационный раствор; 3 – очищенная вода; 4 – отвод отработавшего регенерационного раствора и отмывочной воды; 5 – взрыхляющая вода; 6 – отвод взрыхляющей воды.

Концентрированные регенерационные растворы хранят в специальных складах. Поваренную соль из железнодорожных вагонов выгружают в ячейку мокрого хранения. Концентрация соли в этих ячейках составляет 26%. Насыщенный раствор хлорида натрия очищают от пены и шлама, фильтруют через осветлительный фильтр и подают в мерник. Регенерационный раствор хлорида натрия с концентрацией, необходимой для регенерации ионитного фильтра, готовят с помощью эжектора.

Растворы H₂SO₄ и NaOH с помощью разгрузочного устройства перегружают в цистерну хранения, из которой раствор закачивают в мерник, из которого подают насосом-дозатором в трубопровод и после смешивания с водой направляется в ионитный фильтр.

Перед регенерацией организуют пропуск воды через слой ионита. После установления необходимой скорости фильтрования организуют подачу концентрированного регенерационного раствора в воду, фильтруемого через слой ионита. По окончании пропуска расчетного объема концентрированного регенеративного раствора прекращают подачу из мерника и продолжают пропускать через слой ионита воду для отмывки его от продуктов регенерации. В некоторых случаях в качестве отмывочной воды используют исходную воду.

Для снижения удельных растворов регенерационных растворов выполняют ряд мероприятий, позволяющих повысить экономичность работы водоподготовительной установки. В Н-катионитных фильтрах рекомендуется применение противоточного способа регенерации (рисунок 2).

Рисунок 2 – Принципиальная схема противоточной регенерации:

1 – исходная и блокирующая вода; 2 – обработанная вода; 3 – регенерационный раствор; 4 – выход регенерационного раствора, блокирующей и отмывочной воды; 5 – взрыхляющая вода; 6 – выход взрыхляющей и отмывочной воды; 7 – выход отмывочной воды; 8 – взрыхляющая и отмывочная вода; 9 – 11 – верхнее, среднее и нижнее дренажно-распределительное устройство.

Обрабатываемую воду пропускают через слой ионита сверху вниз. По окончании рабочего цикла проводят регенерацию ионита, при этом регенерационный раствор подают в направлении, обратном подаче обрабатываемой воды. Отработавший раствор (регенерационный) удаляют через среднее дренажно-распределительное устройство. Регенерация сопровождается подачей блокирующей воды. Отмывочную воду подают в том же направлении. Взрыхляющую промывку верхнего слоя ионита производят водой, подаваемой через среднее дренажно-распределительное устройство, и отводят через верхнее устройство.

При параллельно-точном способе регенерации экономия расхода регенерационного раствора и отмывочной воды может быть достигнута правильной организацией режима регенерации и отмывки ионитов. Существующая схема параллельно-точной регенерации (рисунок 3) предусматривает подачу через фильтр обрабатываемой воды, регенерационного раствора и отмывочной воды в одном направлении.

Рисунок 3 – Принципиальная схема параллельно-точной регенерации:

1 – исходная вода; 2 – отмывочная вода; 3 – концентрированный регенерационный раствор; 4 – обработанная вода, отработавший регенерационный раствор, выход отмывочной воды.

По окончании фильтроцикла проводят взрыхление фильтрующего слоя, после чего организуют прокачку через фильтр отмывочной воды, затем регенерационного раствора. По окончании регенерации прекращают подачу концентрированного регенерационного раствора и продолжают пропуск через фильтр воды, организуя тем самым отмывку ионита.

Лекция №8

Технологические схемы очистки воды в фильтрах раздельного действия.

Восполнение потерь воды в контуре теплоэнергетической станции осуществляют химически обессоленной водой, химически очищенной водой или дистиллятом испарителей. Выбор схемы химической водоочистки производят в зависимости от типа электрической станции, типа и давления котлов, способа регулирования температуры перегретого пара, качества исходной воды. Очистку добавочной воды для котлов в большинстве случаев осуществляют по комбинированной схеме, состоящей из двух фаз обработки – предочистки и ионного обмена. Выбор схемы очистки конденсата производят в зависимости от норм качества питательной воды котлов. Выбор схемы очистки подпиточной воды теплосети производят с учетом типа тепловой сети – с открытым или закрытым водоразбором. В настоящее время применяют два типа схем подготовки добавочной воды: параллельную – для однофункциональных ионитных фильтров, и блочную – для разнофункциональных ионитных фильтров. В первом случае исходную воду подают к каждому одноименному ионитному фильтру из общего коллектора, а фильтрат собирают после этих фильтров в самостоятельный коллектор. Во втором случае в состав каждого блока включают по одному фильтру соответствующей ступени, соединенных последовательно. К недостаткам блочной схемы относятся: увеличение количества аппаратов, увеличение количества ионитов, меньший коэффициент использования ионитов. Применение блочной схемы позволяет снизить капитальные затраты при сооружении установки по очистке добавочной воды и улучшить эксплуатационные показатели. В соответствии с этим блочная схема очистки добавочной воды включается во все проекты современных мощных теплоэнергетических станций. Наряду с этим продолжают эксплуатироваться параллельные схемы на действующих теплоэнергетических станциях, а также выполняются проекты параллельных схем для теплоэнергетических установок малой мощности, тепловых сетей и так далее. Возможно применение схемы, выполненной в виде «полуцепочек». В этом случае первая ступень ионирования выполнена по параллельной схеме, а вторая ступень – по блочной.

В качестве второй фазы очистки воды применяют следующие основные схемы. Для получения умягченной воды, используемой для подпитки тепловых сетей закрытого типа и питания водогрейных котлов, применяют схему одноступенчатого Na-катионирования (рисунок 1). (Na₁ – Na – катионитный фильтр; Др – деаэратор). Исходной водой для этих фильтров является артезианская или водопроводная. В Na-катионитных фильтрах происходит умягчение воды. В качестве фильтрующего материала применяют слабокислотный катионит. После Na-катионитного фильтра вода направляется в декарбонизатор, в котором происходит удаление агрессивных газов. При очистке по этой схеме в обработанной воде остаточная жесткость Ж₀ = 0,02 – 0,03 мг-экв/кг, свободная углекислота отсутствует, концентрация кислорода не превышает 50 мкг/кг. Фильтр отключается на регенерацию при достижении в фильтрате жесткости Ж₀ = 0,05 мг-экв/кг; относительно высок расход соли на регенерацию катионита.

Для приготовления подпиточной воды теплосети с открытым водоразбором применяют Н-катионирование с «голодной» регенерацией (рисунок 2).

Н_г – Н-катионитный фильтр с «голодной» регенерацией; Н_б – буферный фильтр; Д – декарбонизатор.

Отличительной особенностью Н-катионитного фильтра с «голодной» регенерацией является то, что катионит регенерируют недостаточным, стехиометрическим количеством кислоты. Расход кислоты при регенерации подбирают так, чтобы обеспечить в фильтрате минимальную щелочность и отсутствие кислотности. При пропуске воды через Н-катионитный фильтр с «голодной» регенерацией происходит разрушение карбонатной жесткости. Карбонатная жесткость Ж_к в фильтрате равна 0,4 – 0,7 мг-экв/кг. При подаче количества кислоты больше стехиометрического расхода в фильтрате появляется кислотность. Для обеспечения отсутствия кислотности в обработанной воде после Н_г –фильтра устанавливают буферный саморегулирующийся фильтр. При попадании кислой воды в буферный фильтр происходит его регенерация, во время которой в обрабатываемую воду поступают катионы жесткости. Буферные фильтры не регенерируют, взрыхление слоя катионита производят исходной водой, поступающей на Н-катионитные фильтры «голодной» регенерацией. После буферного фильтра Н_б воду подают в декарбонизатор, в котором происходит удаление углекислоты. В качестве фильтрующих материалов применяют слабокислотный катионит. Данная схема обеспечивает отсутствие в воде кислотности и щелочность, равную 0,7 – 1,5 мг-экв/кг. Н-катионитные фильтры с «голодной» регенерацией отключают при достижении щелочности более 1,5 мг-экв/кг.

Подготовку воды для испарителей теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) с прямоточными и барабанными котлами производят по двухступенчатой схеме Na-катионирования (рисунок 3).

Обрабатываемая вода поступает на Na-катионитный фильтр первой ступени, в котором происходит удаление основного количества ионов Са²⁺ и Mg²⁺. Оставшиеся катионы жесткости поглощаются Na-катионитным фильтром второй ступени. В качестве фильтрующего материала применяют слабокислотный катионит. Остаточная жесткость после Na₁ –фильтра может достигать 50 – 70 мг-экв/кг, а после второй ступени – 3 – 5 мг-экв/кг. Na₁ –фильтр отключают на регенерацию при жесткости фильтрата, равной 50% жесткости исходной воды, а Na₂ –фильтр – при жесткости фильтрата больше 10 мг-экв/кг. Недостаток данной схемы – отсутствие удаления углекислоты.

В усовершенствованной схеме (рисунок 4) воду после Na-катионитного фильтра первой ступени подкисляют, в результате чего при взаимодействии ионов Н⁺ с образуется свободная углекислота. Для ее удаления между первой и второй ступенями Na-катионирования устанавливают декарбонизатор. Данную схему применяют и при подготовке добавочной воды для котлов низкого и среднего давления.

Подготовку воды для испарителей осуществляют также по схеме, представленной на рисунке 5. В данной схеме применяют сочетание Н-катиони-рования с «голодной» регенерацией и двухступенчатого Na-катионирования. Обработанная вода имеет остаточную жесткость не более 5 мг-экв/кг.

Подготовку воды для подпитки котлов низкого и среднего давления, а также для испарителей и подпиточной воды теплосети осуществляют в схемах с параллельным и последовательным Н – Na -катионированием (соответственно рисунки 6 и 7).

Рисунок 6. Рисунок 7.

(Н₁, Na₁ – первая ступень катионирования; Na₂ – вторая ступень катионирования).

При параллельном Н – Na-катионировании исходную воду разделяют на два потока, каждый из которых пропускают через Н- или Na-катионитные фильтры. В этих фильтрах происходит удаление из воды ионов жесткости, кроме того, в Н-катионитном фильтре из воды удаляются ионы Na⁺. Кислая Н-катионированная вода смешивается со щелочной Na-катионированной водой, при этом происходит нейтрализация щелочности воды, выходящей из Na-катионитного фильтра. После первой ступени воду направляют в декарбонизатор для удаления углекислоты. Декарбонизированная вода поступает в Na-катионитный фильтр второй ступени, в котором происходит окончательное умягчение. Очищенная вода имеет жесткость Ж₀ = 0,01 мг-экв/кг, а щелочность – 0,3 – 0,4 мг-экв/кг.

Схема последовательного Н – Na-катионирования отличается от параллельной схемы тем, что Н-катионированную воду смешивают с исходной водой.

В Н-катионированном фильтре происходит удаление ионов жесткости и ионов Na⁺. В умягченную кислую воду добавляют жесткую исходную воду в количестве, необходимом для достижения щелочности 0,2 – 0,5 мг-экв/кг, после чего воду направляют в декарбонизатор для удаления СО₂. Выходящую из декарбонизатора воду прокачивают насосом последовательно через две ступени Na-катионитных фильтров, в которых происходит практически полное умягчение воды (Ж₀ = 0,01 мг-экв/кг, Щ – не более 0,7 мг-экв/кг).

При подготовке воды применяют обессоливание, заключающееся в последовательной очистке воды на Н-катионитных и ОН-анионитных фильтрах.

Рисунок 8:

Н₁, Н₂ – Н-катионитные фильтры первой и второй ступени; А₁ – анионитный фильтр.

В схеме а) в Н-катионитном фильтре используют слабокислотный или сильнокислотный катионит, отключаемый на регенерацию в первом случае по проскоку жесткости, во втором – по проскоку катиона Na⁺. В качестве фильтрующего материала в анионитном фильтре применяют слабоосновный анионит в ОН-форме. В схеме б) Н-катионитный фильтр загружают либо слабокислотным, либо сильнокислотным катионитом. Анионитный фильтр загружают слабоосновным анионитом в -форме. В схеме в) предусматривается катионирование в две ступени. В первую ступень загружают слабокислотный катионит, во вторую – сильнокислотный катионит. Анионитный фильтр – высокоосновный анионит в ОН-форме, способный поглощать из воды анионы как слабых, так и сильных кислот. После Н-катионитных фильтров установлен декарбонизатор для удаления СО₂.

Для подготовки добавочной воды теплоэнергетических станций сверхвысокого и сверхкритического давления применяют схему глубокого химического обессоливания (рисунок 9). Ее применяют в том случае, если среднегодовая концентрация анионов сильных кислот в исходной воде не более 5 мг-экв/кг. При большей концентрации применяют химическое обессоливание в сочетании с мембранными методами очистки воды в качестве первой ступени, либо термическое обессоливание.

В схеме на рисунке 9 Н-катионитный фильтр первой ступени предназначен для удаления из воды Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺. Анионитный фильтр первой ступени загружают анионитом, находящимся в ОН-форме и обеспечивающим удаление из воды анионов сильных кислот (, Cl^-). Ионы Na⁺, прошедшие через Н₁-фильтр, задерживаются Н-катионитным фильтром второй ступени. В декарбонизаторе удаляется СО₂, образующийся на первой и второй ступенях Н₁, Н₂ и ОН₁. ОН-анионитный фильтр второй ступени, загруженный высокоосновным анионитом в ОН-форме, удаляет из воды анионы как сильных, так и слабых кислот, а также анионы кремнекислоты и углекислоты , проскочивших через ОН-анионитный фильтр первой ступени.

Технологические схемы очистки воды и

конденсата в фильтрах смешанного действия.

Необходимость полного обессоливания добавочной воды и очистки турбинных конденсатов на теплоэнергетических станциях с прямоточными котлами определила разработку модифицированной технологии полного обмена с использованием смешанных слоев, состоящих из катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме. Обычно используют сильнокислотные и высокоосновные иониты.

Известно, что обменные реакции на ионитах являются обратимыми. Например, при пропуске раствора NaCl через катионит в Н-форме, выделяющийся в результате обмена, ион Н (называемый противоионом) будет определять глубину очистки раствора от иона Na (противоионный эффект). Естественно, что при организованном уменьшении концентрации иона водорода С_Н в фильтрате (устранении противоионного эффекта) можно повысить эффективность удаления иона Na из раствора. Аналогичные процессы и реакции сопровождают технологию анионообменной очистки раствора NaCl с использованием анионита в ОН-форме. При этом противоионный эффект обуславливает наличие анионита в ОН-форме. При этом противоионный эффект обуславливается ионами гидроксида, повышающими значение рН в зоне обмена. Если для очистки раствора хлорида натрия использовать смешанный слой ионитов, в котором зерна Н-катионита чередуются с зернами ОН-анионита, то влияния противоионных эффектов в такой системе на глубину очистки раствора практически не существует. Это связано с тем, что выделяющийся на первом по ходу раствора зерне катионита ион водорода будет взаимодействовать с ионом гидроксида, выделяющимся из анионита, в результате чего образуется молекула Н₂О. Значение рН в зоне обмена будет близким к нейтральному, оптимальному для данной системы при организации качественного перемешивания Н – ОН-ионитов в смешанном слое.

Приведенные положения подтверждаются опытом эксплуатации установок химического обессоливания. В тех случаях, когда на заключительной стадии обессоливания вода дополнительно прокачивалась через смешанный слой ионитов, помещенных в специальный фильтр, называемый фильтром смешанного действия (ФСД), то получали глубокообессоленную воду. В настоящее время фильтры смешанного действия применяют на водоподготовительных установках, приготовляющих добавочную воду (глубокообессоленную) для циклов с прямоточными котлами.

Использование ионитов в смешанных слоях требует осуществления относительно сложной технологии их регенерации, связанной с необходимостью разделения смешанной шихты перед пропуском через катионит и анионит соответствующих растворов кислоты и щелочи.

Ионообменная технология, осуществляемая в смешанных слоях Н – ОН-ионитов, применяется обычно для получения «сверхчистой» воды и конденсата, а исходный раствор перед фильтром смешанного действия поэтому содержит в небольших количествах ионизированные примеси. Скорость фильтрования обрабатываемых растворов – до 50 – 100 м/ч через смешанный слой высотой 1 – 1,2 м.

Фильтры смешанного действия (ФСД) подразделяются на два конструктивных типа в зависимости от их назначения: с внутренней и выносной (наружной) регенерацией ионитов. Первый тип фильтров смешанного действия предназначен для глубокого обессоливания и обескремнивания питательной воды, вырабатываемой в относительно небольших количествах (300 – 600 м³/ч). Фильтры смешанного действия с наружной регенерацией применяют обычно для очистки турбинных конденсатов в составе блочных обессоливающих установок (БОУ). Они требуют обязательного сооружения специальной системы для регенерации обработанной смешанной шихты. Отключение фильтра на регенерацию производится по одному из следующих показателей: проскоку кремниевой кислоты или иона натрия, объему обработанной воды.

Регенеративный цикл фильтров смешанного действия состоит из следующих операций:

1. Взрыхление смеси ионитов восходящим потоком воды. При прекращении подачи взрыхляющей воды формируются два слоя ионитов: нижний – катионитовый и верхний – анионитовый.

2. Пропуск регенерационных растворов: через слой анионита – щелочи концентрацией 4% со скоростью V = 4 м/ч; через слой катионита – серной кислоты концентрацией 1,5 – 2% со скоростью V = 10 м/ч. Растворы могут пропускаться либо одновременно, либо последовательно.

3. Предварительная отмывка водой раздельных слоев ионитов от продуктов регенерации со скоростью V = 8 – 10 м/ч. Общее время регенерации составляет около четырех часов.

Использование фильтров смешанного действия в качестве заключительной стадии обработки воды или конденсатов требует защиты последующего тракта от попадания в него зернистых материалов, вследствие выноса их из фильтров при возникновении дефектов дренажной системы. Для этой цели используются фильтры-ловушки, действующие по принципу «перфорированная труба в трубе». Частицы механических включений, попадающие в фильтр-ловушку, задерживаются на внутренней перфорированной поверхности (сетке), что вызывает рост перепада давления в ловушке, при достижении заданного перепада давления ловушка отключается, а ее фильтрующая поверхность промывается водовоздушной смесью со сбросом взвеси в дренаж.

Фильтры смешанного действия находят применение при обработке высокоминерализованных вод. В этом случае исходной формой ионитов в смеси чаще всего является Na – Cl-форма, позволяющая при обработке воды получить фильтрат в виде монораствора хлорида натрия, который на последующих стадиях очистки легко обессолить в испарителях или мембранных аппаратах. Предложенная технология характеризуется повышенными технико-экономическими показателями, поэтому она интенсивно прорабатывается и начинает внедряться в нашей стране.

Лекция №9

Поиск по сайту: