Большая энциклопедия нефти и газа. Ионообменные смолы: применение. Насколько они эффективны при очистке воды

Ионообменная смола используется в фильтрах водоочистных систем для умягчения воды. В процессе умягчения натрий-катионит удаляет из воды ионы кальция и магния. Наличие именно эти ионов делает воду жесткой. Удаленные ионы жесткости замещаются соответствующим количеством ионов натрия. В случае эквивалентного замещения ионов анионный состав (отрицательно заряженные ионы) и рН (водородный показатель, кислотность среды) воды не меняется.

При работе фильтра-умягчителя происходит процесс сорбции (поглощения) ионов жесткости и эффективность фильтрующего материала (обменная емкость смолы) постепенно снижается. В следствие этого ухудшается эффективность фильтра. Ионы солей жесткости не задерживаются на гранулах смолы и попадают в систему водоснабжения дома. Жесткость водопроводной воды повышается, в результате чего качество воды падает, на сантехническом оборудовании и посуде образуется белый налет.

Чтобы на выходе из системы фильтрации не ухудшилось качество питьевой воды, необходимо регулярно проводить специальные действия, которые называются "регенерация ионообменной смолы". Регенерация вернет наполнителю фильтра-умягчителя его способность эффективно снижать жесткость воды из скважины.

Процесс регенерации фильтра-умягчителя

1. Взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой.
2. Ионы, связанные со ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl).
3. Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации.

Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия. Соль должна постоянно находится в солевом баке из которого во время регенерации порционно поступает в балон.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать одну засыпку. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы ионообменной смолы составляет 3 года, при определенных условиях эксплуатации - до 6 лет. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

Загрузка катионита должна производиться через верхний люк фильтра вручную или с помощью гидрозагрузочного устройства.  

Загрузку катионита производят в заполненный водой на две трети фильтр. При загрузке учитывается коэффициент набухания катионита и отсюда определяют высоту загрузки сухого материала. После этого производят отмывку катионита от мелочи током воды снизу вверх. Na-катионит, кроме того, отмывается и от кислой воды током воды сверху вниз.  

После загрузки катионита в фильтр, залитый водой или раствором NaCl, набухания ионита в течение суток его промывают снизу вверх, снимают слой мелочи и грязи с поверхности и доводят высоту слоя до нормы. Затем закрывают фильтр, заполняют водой снизу и регенерируют кислотой при расходе 100 % - ной H2SO4 от 17 до 25 кг на 1 м3 катионита. После подачи в фильтр необходимого количества крепкой кислоты поступление ее прекращают, а воду продолжают подавать с той же скоростью, сбрасывая пересыщенный гипсом отработавший, обычно нейтральный, регенерационный раствор. Количество сбрасываемого раствора с момента прекращения подачи кислоты должно быть равно объему катионита, загруженного в фильтр. После сброса этого количества раствора и снижения его жесткости до 10 - 15 мг-экв / л начинают заполнять бак для вторичного использования отработавшего регенераци-онного раствора кислоты или бак для взрыхления. После их заполнения, если отмывочная вода еще жесткая, продолжают отмывку, спуская отмывочную воду в канализацию.  

После загрузки катионита в фильтр, промывки его снизу вверх, снятия слоя мелочи и грязи с поверхности фильтр заполняют водой снизу и регенерируют кислотой при расходе 100 % H2SO4 от 17 до 25 кг на 1 м3 катионита.  

После загрузки катионита его промывают обратным током со скоростью 8 - 10 м / ч до светлой воды.  

Формула (2) имеет определенный практический смысл: определив коэффициент К, можно легко рассчитать объем загрузки катионита, необходимый для обработки требуемого количества раствора в заданное время. Имея заданным количество загруженного катионита, возможно определить время отработки ионообменной смолы.  

Отстойник и сатуратор были смонтированы, а расширение катионито вой части водоочистки было произведено силами цеха путем увеличения высоты фильтров на 1 м с соответственной загрузкой катионита и заменой глауконита сульфоуглем.  

Перед загрузкой в катионитных фильтрах наносят отметку (мелом) по его высоте, до которой должен быть загружен катионит, или определяют вес или объем необходимого к загрузке катионита. Следует учитывать степень его набухания а.  

Для рационального выбора схемы и конструкции Н - катионит-ного фильтра обессоливающей установки применительно к конкретному составу воды и условиям регенерации необходимо определять: высоту слоя катионита, который должен быть полностью-отрегенерирован кислотой, и удельный расход кислоты, обеспечивающий полную регенерацию необходимой части загрузки катионита.  

С целью повышения надежности работы фильтров действительный расход кислоты необходимо увеличивать на 20 - 30 % относительно найденного. Следует обратить внимание на то, что общая высота загрузки катионита должна при этом быть выбрана таким образом, чтобы при данном удельном расходе на регенерацию защитного слоя избыток ее был бы поглощен в последующих по ходу регенерата слоях катионита. Для соляной кислоты обеспечение отмеченных условий не представляет никаких затруднений, поскольку уже при стехиометрическом расходе ее на регенерацию высота полностью отрегенерированного слоя катионита значительно превышает высоту защитного слоя. Для серной кислоты обеспечение указанных условий несколько затруднено. Однако, как следует из § 5.7, при соблюдении определенных требований можно обеспечить необходимую степень регенерации данной высоты слоя и соответствующую глубину обработки.  

Действительно, при прямоточном нонировании в силу установившегося распределения ионов в колонке перед регенерацией вытесняемые в ходе регенерации раствором кислоты ионы кальция и магния удаляют из катионита ионы натрия, в результате чего после регенерации в катионите ионы натрия практически не содержатся. В случае етротивоточной регенерации ионы натрия вытесняются только одновалентными ионами водорода и проходят весь слой загрузки катионита. По етим причинам, как нам представляется, противоточный способ регенерации и ае нашел широкого применения при обычных условиях Н - катионирования.  

Согласно этим нормам, досыпка в ионитовые фильтры в первый год эксплуатации составляет 20 % Для сульфоугля, 15 % для катионита КУ-2, в последующие годы 12 % для сульфоугля, 7 % для КУ-2. По данным Мосэнерго, число фильтров для обоих сорбентов практически одинаково, так как при уменьшении объема загрузки катионита КУ-2 по сравнению с сульфо-углем (примерно в 2 раза) для взрыхления первого необходим большой объем водяной подушки.  

Загрузка ФСД состоит из катионы-та КУ-1Г производства Нижнетагильского завода пластмасс и анионита АВ-17 производства Кемеровского завода Карболит. В один ФСД с внутренней регенерацией загружен атионит КУ-2. Размер зерен катионитов составляет 0 5 - 1 0 мм, анионита 0 25 - 1 0 мм. Высота загрузки катионита во всех ФСД равна 600 мм, высота загрузки анионита в ФСД с внутренней регенерацией составляет 800 - 900 мм, в ФСД с выносной регенерацией 500 - 600 мм.  

Низкая производительность катионитового фильтра зависит в основном от двух причин:

• недостаточной высоты слоя сульфоугля в фильтре. В этом случае необходимо добавить сульфоуголь до максимума, поднять возможно выше верхнее дренажное устройство или увеличить высоту фильтра, приварив к верхней части цилиндрическую обечайку;
• высокого гидравлического сопротивления труб дренажного устройства, подводящих воду. Для устранения этого явления необходимо разгрузить фильтр, демонтировать дренажное устройство переделать его, увеличив количество ответвлений и соответственно количество ниппелей и колпачков. Если колпачки отсутствуют, необходимо отфрезеровать большее количество щелей на боковых ответвлениях. Если это не поможет и заметного действия не даст, то необходимо заменить все трубы, увеличив диаметр их.

Снижение обменной рабочей емкости катионита зависит от нескольких причин:

• низкого качества поваренной соли, применяемой для регенерации. Соль, применяемую для регенерации, необходимо подвергать анализу. Для этого приготовляют 10-процентный раствор ее и определяют обычным способом общую жесткость. Она не должна превышать 40 мгэкв / л ;
• повреждения дренажного устройства в фильтре, например, при срыве колпачков, при коррозионном повреждении ниппелей и т. д. В этом случае необходимо разгрузить фильтр, осмотреть и отремонтировать дренажное устройство;
• неточного соблюдения режима регенерации (низкая интенсивность взрыхления катионита, увеличенная скорость пропускания раствора соли, несоблюдение последовательности при открывании кранов, недостаточное количество соли, загружаемое в солерастворитель). В этих случаях необходимо привести режим регенерации в полное соответствие с инструкцией по обслуживанию фильтра.

Интенсивная убыль катионита при взрыхлении , сопровождающаяся помутнением воды. Прежде всего необходимо проверить режим взрыхления, не допуская выброса сульфоугля в промывочную воду. Это явление также может происходить при недостаточном качестве сульфоугля. При несоблюдении правил хранения сульфоугля происходит порча его, он рассыпается, изменяя свой гранулометрический состав. Лучшие всего сульфоуголь хранить в воде. Кроме этого, подвышенное содержание воздуха в воде и скопление его в фильтре также способствует окислению угля.

Пологая кривая истощения катионита и большая "хвостовая" обменная емкость его.

Это явление наблюдается в том случае, если скорость фильтрования воды в различных местах сечения фильтра неодинакова, что происходит при различном сопротивлении прохождению воды в различных точках дренажного устройства.

В этом случае рекомендуется остановить фильтр, открыть верхний люк, удалить верхний загрязненный слой, и перелопатить слой катионита на глубину до 1 м . При ближайшем капитальном ремонте следует обратить особое внимание на гидродинамику нижнего дренажного устройства.

Увеличение периода отмывания соли после регенерации.

Причиной этого обычно является увеличенное мертвое пространство между поверхностью цементной заливки и уровнем размещения колпачков. Для устранения этого явления необходимо дополнительно осуществить заливку, доведя ее до нижних кромок колпачков.

Попадание зерен катионита в умягченную воду.

Это свидетельствует о неполадке в дренажном устройстве в результате срыва дренажных колпачков. В этом случае фильтр останавливают, выгружают и ремонтируют дренажное устройство.

Чтобы обеспечить высокий уровень очистки воды в домашних условиях, необходимо использовать трехступенчатую систему фильтрации. Такая система включает в себя картридж механической очистки, умягчения (в котором используется ионообменная смола) и доочистки из активированного угля.

Ресурс подобных картриджей приблизительно составляет 5-7 тысяч литров, поэтому их достаточно менять раз в год на новые. Но есть один важный момент: эффективность картриджа с ионообменником напрямую зависит от уровня жесткости поступающей жидкости и его полноценное применение возможно только при проведении регулярной регенерации.

Ионообменные смолы: общее описание

Это соединения в виде мелких шариков, обычно янтарного цвета. Они способны улавливать из водных растворов ионы магния и кальция и заменять на ионы натрия (или водорода). В результате жидкость приобретает нормальный уровень жесткости.

Такие материалы широко применяются в процессах водоподготовки, начиная с 60-х годов прошлого века. Это один из доступных, экологически безопасных и быстрых способов фильтрации. Он позволяет избавиться от накипи, добиться хорошего пенообразования при контакте с моющими средствами и получить питьевую воду без посторонних примесей.

В бытовых фильтрах наиболее часто используются иониты гелевого типа (например, катионит КУ-2-8, Dowex, Relite, Lewatit и др. Они обладают химической стойкостью, осмотической стабильностью и не выделяют в очищаемую воду вредные примеси.

Так как емкость ионитов ограничена, необходимо своевременно проводить ее восстановление. Для этого ионообменник погружают в раствор, содержащий избыток ионов натрия. В этом случае процесс пойдет в обратном направлении: ионы натрия поглощаются, а ионы кальция и магния отдаются в раствор. В качестве регенерационного соединения обычно используют поваренную соль.

Как регенерировать смолу при помощи поваренной соли?

Для этого следует закрыть кран на входе, чтобы перекрыть подачу воды в фильтр, и включить чистую воду, чтобы сбросить давление в корпусах системы. Затем следует достать картридж механической очистки и тщательно очистить его от загрязнений, промыв под струей воды со щеткой, а также вымыть колбу фильтра. После этих процедур картридж механической очистки установить на место.

Затем необходимо достать картридж с ионообменником. Процедура его регенерации зависит от типа фильтрационной системы: в простых фильтрах содержимое можно высыпать и регенерировать в отдельной емкости, в более сложных восстановление проводится без извлечения гранул.

В первом случае следует залить смолу 2 л 10 %-ного раствора нейодированной поваренной соли (100 г соли на 1 л воды) и дать настояться в течение 6-8 часов. После этого ионообменник промывают чистой водой 2-3 раза и засыпают обратно.

Второй вариант предполагает заливание смолы прямо в картридже 2 л 10 %-ного солевого раствора, после чего картридж ставят в промытую колбу и заливают еще 0,5 л раствора, оставляют на 8-10 часов. По истечении этого времени жидкость сливают и вновь погружают ионообменник в 2 л раствора. Для устранения избытка соли после этого гранулы промывают 2 л чистой воды.

Важный момент! Восстановление смолы может проводиться неоднократно, но постепенно она загрязняется примесями, которые содержатся в воде, и теряет ионообменную емкость. Поэтому картридж с ионообменником подлежит замене примерно раз в год (в зависимости от интенсивности использования и жесткости воды).

Страница 12 из 39

На обессоливающих установках Н-катионитовые фильтры загружаются катионитом различных марок. Количество загружаемого в фильтр сухого катионита следует рассчитывать, исходя из необходимой высоты фильтрующего слоя катионита в набухшем состояния.
В Н-катионитовых фильтрах I ступени слой влажного катионита должен иметь высоту, допускающую возможность увеличения объема катионита при взрыхлении приблизительно на 50%. В Н-катионитовых фильтрах II и III ступеней слой влажного катионита по этим же условиям целесообразно иметь высотой 1,0-1,5 м.
Катионит после загрузки в фильтр держат з воде для набухания в течение 10-12 ч. После набухания катионит отмывается от загрязнений током воды снизу вверх. Сульфоуголь начинают взрыхлять при скорости подъема воды 7-8 м/ч и доводят его по мере осветления отмывных вод до 12-15 м/ч.
После окончания отмывки катионита фильтр вскрывают, снимают вручную верхний стой мелочи (толщина его зависит от качества катионита), досыпкой или отгрузкой катионита доводят высоту слоя до расчетной. После этого замеряют высоту слоя катионита в набухшем состояний.
Подготовка свежего катионита к работе производится его регенерацией избыточным количеством раствора кислоты. При отмывке определяют жесткость и кислотность отмывочных вод. В тех случаях. когда отмывка затягивается, а жесткость отмывочной воды долго не снижается, целесообразно произвести дополнительную регенерацию.
При первичных регенерациях пропускание регенерационного раствора 1,5-2.0%-ной серной кислоты производят медленно, в продолжении 1,5-2,0 ч, что увеличивает продолжительность контакта регенерационного раствора с катионитом и способствует его лучшей отработке. Ориентировочно расход 100%-ной серной кислоты составляет до 30 кг на 1 м 3 катионита; скорость фильтрования регенерационного раствора определяет время контакта его с катионитом; обычно она составляет 9-10 м/ч и окончательно устанавливается при наладке. Отмывочная вода фильтруется со скоростью - 10 м/ч.
Отмывка катионита в фильтрах 1 ступени производится осветленной водой.
Регенерационный раствор кислоты для регенерации Н-катионитовых фильтров I, II и III ступеней готовится только на Н-катионированной воде.
Отмывка катионита заканчивается при жесткости отмывочной воды ~ 50 мкг-экв/кг и кислотности, превышающей содержание суммы ионов SO«,-+Cl“ в исходной воде не более 500 мкг-экв/кг.
Первичная регенерация Н-катионитовых фильтров II ступени проводится с теми же расходами кислоты, концентраций регенерационного раствора и скоростью его пропускания, что и Н-катионитовые фильтры I ступени. Отмывка Н-катионитового фильтра II ступени осуществляется частично обессоленной и декарбонизованной водой. Н-катионитовые фильтры II ступени отмывают до кислотности фильтрата 0,15 мг-экв/кг.
Длительность предварительной подготовки фильтра к эксплуатации зависит от качества катионита и может колебаться от нескольких часов до суток.
В течение I-2 суток после ввода фильтра в эксплуатацию после регенерации вода может быть слегка опалесцирующей (мутной); примерно через 2 суток после включения фильтра в работу вся катионированная вода должна выходить совершенно прозрачной.