Безреагентные методы восстановления ионообменной фильтрующей загрузки

17.10.2019, 00:01   |   Новые статьи   |   Автор: АЗРАПКИН Александр Петрович

УДК 621.187.12

Целью данной работы является исследование применения безреагентных методов восстановления ионообменной загрузки в фильтре смешанного действия на основе процессов электродеионизации.

Ключевые слова: безреагентные методы, ионообменная загрузка, электродеионизация.

Ионообменная технология - самая применяемая сегодня для умягчения и деминерализации воды. Она позволяет добиться качества воды, соответствующего нормам разных промышленных и энергетических объектов.

Под ионообменной фильтрующей загрузкой понимаются ионообменные смолы, используемые в промышленной водоподготовке для деминерализации воды. Положительные стороны фильтра смешанного действия всем давно известны. В частности, совмещение в одном аппарате катионита и анионита позволяет достигать высокой степени очистки: из воды за один проход извлекаются почти все находящиеся в растворе ионы.

Очищенная вода имеет нейтральную реакцию и низкое солесодержание. Но, как известно, после насыщения ионами смесь ионитов необходимо регенерировать, что имеет свои сложности. Первое, что необходимо, это предварительно разделить смесь на катионит и анионит, имеющие различную плотность. Разделение проводится гидродинамическим методом (водный поток снизу вверх) или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-м раствором реагента. Второе, что необходимо, - непосредственная процедура регенерации растворами кислоты и щелочи. Для регенерации фильтров смешанного действия необходимо иметь большой запас химических веществ, а также оборудование для разделения/перегрузки смолы.

Разберем способ, при котором попытаемся избавиться от перечисленных недостатков. В основе его лежит процесс непрерывной деминерализации воды с использованием ионообменных смол, ионселективных мембран и постоянного электрического поля (принцип электродеионизации, далее ЭДИ).

Основной движущей силой процесса является разность потенциалов постоянного электрического поля по обе стороны мембранного канала, заполненного ионообменной смолой. Именно разность потенциалов обеспечивает перенос растворенных ионов из потока воды через ионселективные мембраны и непрерывную регенерацию ионита (рис. 1).

Теоретически можно создать установку для электрорегенерации ионитов. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:
- ионный обмен, при котором растворенные в исходной воде ионы, проходя через слои ионообменных смол, адсорбируются на зернах катионита и анионита, в соответствии с условиями термодинамического равновесия и массопереноса;
- непрерывный отвод ионов через слои ионита и ионселективные мембраны в зону концентрата;
- непрерывная регенерация ионита ионами водорода и гидроксила, полученными в результате электролиза молекул воды под воздействием постоянного тока.

Это главные процессы в технологии ЭДИ, они являются непрерывными и должны продолжаться, даже если в исходной воде отсутствуют растворенные ионы. На рис. 2. приведена схема организации процесса ЭДИ.

Проточные каналы заполняются смешанными слоями катионита и анионита, на которых происходят обменные электрохимические реакции. ЭДИ модуль содержит три типа проточных каналов: деминерализации (каналы), концентрата (C-каналы) и электролита (E-каналы). Исходная вода поступает в D-каналы со слоями ионита, который сорбирует растворенные ионы в обмен на ионы гидроксила и водорода, перемещая их к соответствующим по заряду мембранам. Прошедшие через мембрану ионы попадают в канал C и выносятся потоком концентрата.

Основными параметрами регулирования ионных трансмембранных потоков являются: величина электрического потенциала, скорость потока в DD-канале и соотношение потоков в D- и СD-каналах, которое не должно допускать слишком высокого солесодержания в концентрате (концентрационной поляризации) и, как следствие, образования кристаллических осадков на поверхности мембран. Один D-канал, одна катионная мембрана, один С-канал и одна анионная мембрана вместе образуют ЭДИ-ячейку.

Сборка ЭДИ-модуля делается кратной числу параллельно работающих ЭДИ-ячеек. Электроды совместно с последней мембраной образуют Е-канал. Проходя через Е-каналы, поток концентрата обогащается трансмембранным ионным потоком от замыкающей мембраны. В катодный E-канал попадает также небольшое количество газообразного водорода, образующегося в результате восстановления протонов на катоде: 2H+ + 2eD = Н. В анодный E-канал попадает небольшое количество газообразного кислорода и хлора, образующихся в результате окисления гидроксил и хлорид ионов: ОНD = 4eD + 2H2О + О2; 2ClD = 2eD + Cl2. Поток из E-каналов отводится в дренаж, чтобы предотвратить хлорную и кислородную деструкцию мембран.

Мембраны должны обладать высокой электропроводностью, селективностью (способность пропускать ионы с зарядом одного знака) и высоким диффузионным сопротивлением, отличаться достаточной прочностью и стойкостью в воде и рассолах. Ионитовые мембраны разделяются на катионо- и анионоактивные. Первые пропускают в электрическом поле катионы, но практически не пропускают анионов, вторые пропускают анионы, но не пропускают катионов.

Селективность ионитовых мембран обусловлена наличием в них фиксированных ионогенных групп, электрическое поле которых препятствует прохождению через мембрану ионов с зарядом того же знака, что и заряд иона, фиксированного в полимерной матрице мембраны. Ионитовые мембраны изготовляются из ионообменных смол-ионитов, представляющих собой нерастворимые в воде органические высокомолекулярные кислоты (катиониты) или основания (аниониты), активные группы которых способны к ионному обмену в растворах. Чем больше в единице объема или массы ионита содержится фиксированных активных групп, тем больше обменная способность ионита и тем труднее проникнуть внутрь ионита с зарядом, одноименным заряду фиксированных групп. Поэтому, чем выше удельная обменная способность материала ионитовой мембраны, тем выше ее селективность.

Так как из описания процесса ЭДИ следует непрерывная регенерация ионита ионами водорода и гидроксила, полученными в результате электролиза молекул воды под воздействием постоянного тока, то значит можно спроектировать такую установку, с помощью которой основной задачей будет не деминерализация воды, а регенерация ионита. На основе схемы организации ЭДИ процесса, строится схема регенерационной ячейки. Ячейка практически аналогична схеме, представленной на рис. 2.

Основной отличительной чертой является подача в камеру истощенной смеси специальным насосом по мере ее восстановления. Показатели восстановления можно отслеживать по приборам (кондуктометр). Также при необходимости можно автоматизировать процесс: при достижении заданного порогового значения задать работу запорно-регулирующей арматуры, которая открывает по показанию КИПа и отводит часть восстановленных ионитов.

Эффективность работы ЭДИ-модуля определяется двумя рабочими режимами: скоростью переноса ионов в поперечном сечении слоя и непрерывной электрорегенерацией ионита. Смещение от оптимума этих режимов может привести к образованию солевого осадка на поверхности зерен ионита. Скорость ионного массопереноса лимитируется диффузией противоионов из потока воды к поверхности зерен ионита и катионов от ионита в ядро потока воды. Влияние диффузионных процессов можно уменьшить, снизив силу тока.

Рассматривая электрорегенерацию ионитов, можно отметить как очевидные достоинства этого метода, так и недостатки. К основным плюсам относятся:
- отсутствие необходимости разделения ионитов;
- отсутствие применения концентрированных реагентов для регенерации, также отсутствие опасности их применения.

Основным недостатком можно считать высокое электропотребление.

В России первые поисковые работы в этой области начались в 50-х годах в ВНИИ ВОДГЕО и продолжались затем в ВИЭСХ.

В институте пластических масс (НИИПМ) под руководством К. М. Салдадзе разработаны первые в стране мембраны МА-40 и МК-40, которые в настоящее время выпускаются Щекинским химическим комбинатом. Там же созданы новые мембраны МА-100 и МК-ЮО, которые обладают низким сопротивлением и высокими электрохимическими свойствами. Кроме того, в этом же институте ведется разработка конструкций электродиализных аппаратов и на их базе опреснительных установок.

Институт химических наук АН Казахстана ведет работы как по синтезу ионообменных мембран, так и по разработке конструкций электродиализных аппаратов и установок. Все соединительные трубопроводы электродиализной опреснительной установки выполняют из полиэтиленовых труб, а арматуру - из коррозийно стойких материалов. Вентиляцию в помещениях электродиализных аппаратов проектируют так же, как и в хлораторных. Если производительность установки превышает 10 м3/час, то электросиловое оборудование и контрольно-измерительные приборы размещают в отдельном помещении, изолированном от помещения электродиализных аппаратов.

Оптимизация процесса ЭДИ направлена на создание условий, при которых активная поверхность зерен ионита, т.е. поверхность, омываемая потоком воды и образующая токопроводящую цепочку от зерен ионита к мембранам, будет максимальной. Конструктивно это достигается ограничением толщины канала. Непрерывная электрорегенерация ионита осуществляется ионами водорода и гидроксила, образующимися в процессе электролиза молекул воды. Высокая подвижность ионов водорода и гидроксила, их ориентированность в постоянном электрическом поле, а также значительная разность их рН обеспечивают им свободный доступ к зернам ионита, регенерируя их поверхность от адсорбированных ионов и обеспечивая их перенос к соответствующим ионоселективным мембранам.

Условия интенсификации режима электрорегенерации:
1. Интенсификация процесса гидролиза молекул воды. Сочетание ионитов и мембран должно быть подобрано таким образом, чтобы поддерживалась высокая скорость гидролиза молекул воды в слое ионита, которая определяется толщиной слоя ионита и поверхностными свойствами ионита и мембран.
3. Повышение химстойкости мембран в широком диапазоне рН, снижение их водопроницаемости, чтобы поддерживать высокую конверсию, увеличение их селективности по отношению к слабодиссоциирующим веществам.

Эти условия важны для потоков, содержащих как сильные электролиты, так и слабодиссоциирующие ионы.

 

Литература:
1. Гребенюк В.Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. М.: Химия, 1980.
2. Гребенюк В.Д. Электродиализ. Киев: Тэхника, 1976.
3. Ионообменные методы очистки веществ. Под ред. Г.А. Чикина, О.Н. Мягкого. Воронеж: Издательство ВГУ, 1984.
4. Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. Л.: Химия, 1980.

Alternative regeneration of ion exchange resins. Reagent-free methods of restoring an ion exchange filter download

The aim of this work is to study the use of reagent1free methods of restoring the ion mixed loading in the filter action on the basis of electroprocesses.

Keywords: chemical-free methods, download of ion exchange, electrodeionization.

Azrapkin Alexander Petrovich, head of water treatment and neutralization of chemical effluents. SSC JSC «NPO ORION».

 

Журнал «Вода Magazine», №7 (119), 2017 г.

Просмотров: 199
Оставьте ваш комментарий
Новости
От первого лица
Мирон Гориловский, генеральный директор Группы «ПОЛИПЛАСТИК»:
«В наших реалиях качество поставляемой продукции должен контролировать заказчик»
В последнее время предприятия водопроводно-канализационного хозяйства и теплоснабжения все активнее применяют при строительстве и реконструкции сетей водоснабжения, канализации и теплоснабжения...
Компании
20.11.2019
Магнитогорский металлургический комбинат построит новые механическую и биохимическую установки
УКС ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и АО «Восточный научно-исследовательский...
20.11.2019
Следователи проводят обыски по делу о контрактах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Группа оперативников Управления экономической безопасности и противодействия коррупции ГУ МВД и...
19.11.2019
В Ставропольском крае капитально отремонтирован участок водовода протяженностью 5 км
Специалисты ГУП СК «Ставрополькрайводоканал» заменили в Минераловодском городском округе...
Проекты
Новые статьи
Выставки/Конференции