Ионно обменные смолы для очистки воды: Ионообменная смола — Каталог статей

Содержание

Ионообменная смола — Каталог статей

Начнем с того, что у вас возникла необходимость в умягчении воды. По косвенным признакам или путем проведения химического анализа, что является более правильным, вы определили, что у вас жёсткая вода, которая требует умягчения.

Изучая фильтры для жесткой воды, вы обнаружили, что в большинстве своем они умягчают воду за счет использования ионообменных смол.

Что же это такое — ионообменная смола?

Первый секрет, который мы откроем, это то, что собственно к смоле ионообменные смолы никакого отношения не имеют. Ионообменные смолы изготавливаются из твердых, нерастворимых в воде синтетических полимеров. Внешне ионообменная смола очень похожа на икру щуки, так как состоит из гранул-«шариков» диаметром от 0,2 до 1,2 мм.

Ионообменная смола может быть монодисперсной, то есть «шарики» в ней будут одного размера и полидисперсной с различным размером гранул. Этот фактор влияет на скорость и степень очистки воды, а так же спектр удаляемых загрязнений.

Ионообменные смолы применяются для удаления из воды солей жесткости, растворенных металлов и органических соединений с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х — в 90-х годов.

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол — «ионообменные» или же «иониты»*.
*Свойства ионитов задерживать и заменять ионы так же использованы в ионитном субстрате ЦИОН.

Виды ионообменных смол

Видов ионообменных смол огромное множество: для удаления железа, марганца, для удаления органики с помощью МИКСОВ (смесей), селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.

д.).

В бытовых условиях ионообменные смолы в основном применяются для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Этот процесс называется умягчением воды или ионным обменом, катионированием.

Именно на этих смолах мы остановимся подробнее, так как они работают за счет регенерации солью NaCl, что возможно сделать в бытовых условиях. Другие смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах. Есть смолы для глубокой очистки воды. Они работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

Суть процесса умягчения

В первую очередь нужно понять, что умягчение принципиально отличается от обезжелезивания. При обезжелезивании происходит окисление и перевод растворенных веществ в твердую форму для последующего фильтрования. При умягчении ионообменная смола (Na-катионит) забирает из раствора положительно заряженные ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.

д. и замещает их на катионы натрия.

Таким образом мы избавляемся от проблем, которые возникают при использовании жёсткой воды:

  • Белые следы от высохших капель и белый налет на сантехнике.
  • Сухость, ощущение стягивания кожи после мытья, ломкость волос, ногтей.
  • Накипь на нагреваемых поверхностях — известковый осадок в виде песка, известковые наросты, камни различной степени прочности, от которых страдает бытовая техника: чайники, стиральные машины, паровые приспособления, душевые лейки.
  • Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Хотя правильнее будет говорить не жёсткость, а концентрация жёсткости. Потому что в природной воде и в воде из-под крана (в любой воде, не прошедшей через специальные фильтры или специальную обработку) всегда есть какой-либо уровень жёсткости. Концентрацию жёсткости дают растворенные в ней соли.

Накипь на чайнике — это отложения именно тех самых растворенных солей.

Как работает ионообменная смола?

  1. На поверхности каждой гранулы сосредотачивают электрический заряд с отрицательным и положительным знаком. Катионит имеет на поверхности большое количество отрицательно заряженных точек.
  2. Согласно уравнению равновесия ионообмена, эти отрицательно заряженные точки уравновешиваются положительно заряженными ионами раствора воды.
  3. При прохождении раствора воды через ионообменные смолы соли кальция и магния улавливаются ионитом и задерживаются на нём.
  4. Положительно заряженные ионы отсоединяются и уступают им место. Этот процесс лимитируется количеством удержанных ионов.
  5. Далее происходит перезарядка ионов- регенерация, основанная на обратимости ионообменного процесса. Теперь через ионообменную смолу пропускается регенерирующий раствор, который снимает ионы с гранулы и уносит их.
  6. Ионообменная смола вновь готова к работе. Ионообменный процесс на анионите отличается только знаками заряда ионов и химическими соединениями.

Емкость ионообменной смолы

По своей сути, емкость ионообменной смолы сродни емкости аккумуляторной батарейки.

Ионообменная смола имеет некий запас натрия, который в процессе ионообменного обмена замещается ионами растворенных солей, тем самым снижая способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы, не изменяя своих свойств.

Собственно этот запас натрия и определяет емкость смолы. Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

Скорость фильтрации и производительность

На то, чтобы произошел ионообменный процесс необходимо время. Чем грязнее вода, чем больше в ней растворенных веществ, тем медленнее она должна проходить через смолу для хорошей очистки.

Казалось бы, гранулы ионообменной смолы — это гладкие шарики, но на самом деле их поверхность пористая. Стенки этих пор тоже являются рабочей поверхностью, на которой закреплен натрий, способный к обмену с кальцием и другими катионами. Чем мельче фракция смолы — тем больше ее рабочая поверхность и, соответственно, скорость обмена больше. А значит большее количество ненужных нам растворенных веществ задержится в смоле. Но при этом, чем смола мельче, тем хуже ее дренажные свойства, а значит скорость фильтрации воды будет ниже.

Фильтроцикл

Выбирая фильтр для очистки жесткой воды, нужно обязательно обратить внимание на ресурс умягчающего фильтроэлемента. Производители фильтров рассчитывают работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенерацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Последовательность стадий насыщения и регенерации ионообменной смолы называется фильтроциклом. Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.
Например, фильтроэлементы Барьер Эксперт Смягчение и Барьер Профи Смягчение имеют ресурс 500 литров и производительность 2л/мин.

Производитель предупреждает о необходимости полной замены фильтроэлемента не реже, чем 1 раз в год и обязательном учёте жёсткость исходной воды.

Так, например при исходной жёсткости воды 5 мк-экв/л и среднесуточном потреблении питьевой воды 5 литров, вам нужно будет регенерировать фильтроэлемент 1 раз в два месяца. Если же исходная жесткость воды 10 мк-экв/л, то 1 раз в месяц.

Вот почему так важно перед покупкой фильтра сделать анализ воды, которую необходимо очищать. Информация о составе воды позволит вам подобрать оптимальный вариант очистки и избавит от ненужных трат.

Регенерация ионообменной смолы

В процессе эксплуатации фильтров для жёсткой воды, ионообменная смола начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс регенерации.

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). 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.

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

Средний срок службы фильтроэлементов, содержащих ионообменную смолу, определяется производителем. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

Выберите оптимальную систему очистки воды для вашего дома!

Готовы ответить на все вопросы, касающиеся фильтров для очистки воды, по тел. +7 (499) 398-02-35, через форму обратной связи или в комментариях к статье.

Ионообменные смолы для воды: применение и советы по эксплуатации

Для снижения концентрации солей тяжелых металлов и предотвращения появления накипи на посуде и бытовой технике применяют умягчители воды, из которых самыми распространенными умягчителями являются ионообменные смолы для воды. В статье мы разберем принципы их работы, разновидности и предназначение в очистительной системе.


Как выглядят ионообменные смолы для очистки воды

Применение ионообменных смол в фильтрующих системах частного жилого сектора давно считается необходимым условием для получения качественной питьевой воды. Пик популярности этого способа очистки приходится на конец ХХ века.

С виду, ионообменная смола – это скопление мелких шариков (до 1 мм в диаметре), которые производят из полимерных материалов.


Тот, кто никогда не сталкивался с этим материалом, с легкостью может перепутать смолу с рыбьей икрой.

Пользу и его уникальные характеристики нельзя игнорировать. Использование ионообменных смол для умягчения воды позволяет задерживать ионы примесей металлов и солей жесткости. Но такой фильтр не просто накапливает в себе все эти вещества, а заменяет ионы вредных веществ на абсолютно безопасные. Эта процедура замены ионов и закрепила существующее название фильтрующей среды (ионообменные смолы).

В химии ионообменные смолы относят к ионитам (высокомолекулярное соединение, имеющее функциональные группы, которые, в свою очередь, способны вступать в реакцию обмена с ионами какой-либо жидкости). Отдельные группы ионитов способны также вступать в окислительные реакции, процессы восстановления и физической сорбции.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:

  • Виды фильтров для воды и их характеристики

  • Как установить фильтр для воды — полезные советы

  • Как пить воду правильно: практические рекомендации

По своей структуре ионообменные смолы бывают пористыми, гелевыми или промежуточными.

Смолы с гелевой структурой не содержат пор. Обмен ионами в такой структуре возможен лишь в тот момент, когда смола набухает и становится похожей (по консистенции) на гель.

Пористая структура получила свое название благодаря огромному количеству пор на поверхности смолы. Эти поры как раз и позволяют произвести ионный обмен.

В промежуточной структуре ионообменных смол соединены свойства как пористой, так и гелевой структуры.

Все эти разновидности смол имеют принципиальные различия. У гелевых – наибольшая обменная емкость, тогда как смолы с пористой структурой обладают высокой стойкостью к химическим и термическим воздействиям. Такая стойкость позволяет смолам с пористой структурой поглощать больше примесей независимо от температуры воды.

Кроме этого, ионообменные смолы для очистки воды разделяют по заряду ионов. При обмене катионов (положительно заряженных ионов) смолу называют катионитом. В случае обмена анионами (отрицательно заряженными ионами) – анионитами. На практике суть различия по этому признаку сводится к способности обмена ионов в водной среде с разным уровнем pH. У анионитов «рабочей» считается среда с рН от 1 до 6, в то время как у катионитов процессы протекают в среде с рН от 7 и более. Конечно же, пользователям необязательно разбираться в таких тонкостях работы фильтров. В выборе необходимого типа фильтрующего устройства вам должны помогать специалисты в этой области.

В большинстве случаев ионообменная смола, находящаяся в фильтрующих системах, содержит большое количество ионов солей хлора или натрия. В некоторых случаях такая смола состоит из смеси солей с другими элементами (натрий-водород, гидроксил-хлорид и др.).

В зависимости от параметров, ионообменные смолы для умягчения воды могут отличаться друг от друга. Одним из таких показателей является влажность. Оптимально, когда влажность сведена к минимуму. Поэтому производители стараются извлечь влагу из смолы еще до момента ее упаковки. Для этого используют специальные центрифуги.

Ионообменные смолы оценивают также по уровню их емкости. Эта характеристика показывает, сколько ионов в исходной среде приходится на единицу массы (объема смолы). Сравнивая смолы по этому признаку, выделяют три вида емкости: рабочую, объемную и весовую. Объемная, как и весовая, являются стандартными величинами, то есть их параметры определяют в лаборатории, а полученные данные записывают в характеристики готовых продуктов.

В отличие от двух предыдущих, рабочая емкость не подлежит измерениям, поскольку имеет много условностей (степень чистоты воды, толщина слоя смолы, сила потока воды и др.). Со временем ионы рабочей среды полностью заменяются ионами примесей, содержащихся в воде. В таком случае рабочая емкость подлежит восстановлению.

Для чего нужны ионообменные смолы

По поводу основной цели использования ионообменных смол для воды существует много мифов. Согласитесь, применять эти смолы в составе бытовых фильтров лишь для улучшения вкуса жидкости – достаточно затратное решение. Сомнения вызывает и необходимость в изменении ионного состава воды, так как некоторые вредные примеси в ней все равно остаются.

Тем не менее целей, которые достигаются путем использования ионообменных смол для воды, немало. И, пожалуй, главной из них является смягчение воды. Эта способность ионообменных смол позволяет рекомендовать их для применения с приборами бытовой техники и других домашних устройств, имеющих непосредственный контакт с водой.

Кроме прямой пользы для здоровья (использование воды для питья или приготовления пищи), смягченная жидкость позволяет продлить срок использования бытовой техники, имеющей непосредственный контакт с водой. Это стиральные и посудомоечные машины, водонагреватели, утюги, отопительные котлы, водоочистительные фильтры, увлажнители, очистители воздуха и другие приборы. Особенно важно использование смягченной воды с приборами, которые нагревают саму жидкость. Жесткая вода – самая главная причина появления накипи и последующего выхода прибора из строя.

Можно ли пить воду после ионообменной смолы

Важно понимать, что основное назначение ионообменных смол – это смягчение воды. В процессе фильтрации происходит замена ионов кальция и магния, способных создавать нерастворимые соединения, на ионы хлора, натрия и другие элементы, которые создают легкорастворимые соединения.

На протяжении всей своей истории человечество вполне успешно училось приспосабливаться к новым природным источникам воды. Различия химического состава жидкости и большое количество этих источников покрывались отличной адаптацией организма человека ко всем внешним факторам.

Организм сам выводил все «лишнее». Несмотря на большое количество информации о накоплении нерастворимых солей магния и калия в нашем организме и причиняемом ими вреде, каких-либо реальных доказательств этих данных не существует. Это подтверждается еще и тем фактом, что для людей с нарушенными обменными процессами в организме полностью очищенная вода критически опасна. Все необходимые нам элементы относительно здоровый организм способен был извлечь из потребляемой нами воды и пищи.

Но это правило было актуально до всеобщей индустриализации общества, до появления так называемой техногенной среды. Даже природные источники воды в большинстве своем имеют повышенное содержание ионов тяжелых металлов, различные нежелательные органические примеси и даже изотопы радиоактивных элементов. Было бы здорово иметь такой фильтр, который смог бы заменять подобные примеси на ионы естественного происхождения. Но, к сожалению, ионообменные фильтры на такое неспособны.

В большинстве случаев изготовители ионообменных фильтров за счет рекламных слоганов предлагают заменить одни ненужные нам микроэлементы на другие.

Определить, насколько действительно важно менять ионный состав воды с помощью ионообменных фильтров, не так уж и просто. Посмотрите на ситуацию с посудомоечными и стиральными машинами. Для длительной эксплуатации этих приборов очень важна степень жесткости воды. Чем она меньше, тем меньше и вероятность появления накипи на тэне, и, соответственно, выхода прибора из строя. Но производители этих бытовых приборов давно уже нашли простой выход – применение химического способа смягчения воды путем добавления умягчителей в состав моющих средств.

Можно вспомнить о чайниках и кастрюлях, в которых кипятится вода, благополучно нами потребляемая. Но степень воздействия «жесткой» воды на наш организм досконально не изучена, чтобы говорить о каких-либо выгодах применения фильтров с ионообменными смолами.

Но давайте обсудим, на что же способны фильтры, содержащие ионообменные смолы для очистки воды. Не будем останавливаться на химических процессах, происходящих в этой жидкости, после прохождения через такой фильтр. То, что реально беспокоит потребителей, – это присутствие в воде ионов тяжелых металлов. Большинство трубопроводов в настоящее время состоит не из пластиковых труб (о которых лет 30–40 назад у нас мало кто слышал), а из металлических. Раньше при поломке одного из участков такой трубы или целой секции производили замену трубы на стальную оцинкованную.

Эти трубы до сих пор являются основным «поставщиком» ионов цинка и свинца в наш дом. Если проанализировать степень очистки воды бытовыми ионообменными фильтрами от ионов этих металлов, то окажется, что эта степень близка к нулю. По-настоящему действенные элементы, задерживающие эти вредоносные ионы, существуют, но они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях, цель которых уловить дорогостоящие химические соединения. Из-за большой дороговизны подобного оборудования вероятность его применения в бытовых фильтрах очень низка.

Замена ионообменной смолы в умягчителе воды

Не стоит забывать, что любая система очистки воды со временем для обеспечения безотказной работы нуждается в активном вмешательстве человека. Мы говорим не о систематических сменах малоэффективных картриджей или постоянной подсыпке регенерационной соли. Такие меры нельзя назвать трудозатратными, но и их эффективность не так высока. Речь идет о процедуре полной смены фильтрующей массы в обезжелезивателе или смягчителе воды. Такой процесс может потребовать много усилий.

Использование различных засыпных фильтров для собственного коттеджа предполагает процедуру периодической дозасыпки фильтрующего элемента и полной его замены по истечении нескольких лет эксплуатации. О необходимости такой замены вы узнаете по ухудшению органолептических показателей поступаемой воды.

Это выражается в увеличении количества двухвалентного железа, когда регенеративные способности засыпки исчерпываются (нет должного эффекта). Похожая ситуация наблюдается и со смягчителями воды. Через определенный период система очистки начинает давать сбои, и вода снова становится жесткой, со всеми вытекающими последствиями.

В этом случае пользователи стоят перед выбором: сделать все самостоятельно или вызвать компанию, которая на этом специализируется.

Конечно, просто засыпать подложку из гравия и фильтрующую загрузку не так уж и сложно, но выгрузить отработанный наполнитель – занятие не из простых.

Многие популярные засыпные фильтры, используемые владельцами загородных коттеджей, основаны на использовании емкостей из стеклопластика. И это неудивительно, поскольку этот материал не гниет, не ржавеет, он легок и прочен. Но в то же время в таких емкостях не предусмотрены ни система слива, ни какие-либо транспортировочные отверстия для ее переноски. Отключив эту емкость от трубопровода и сняв управляющий клапан, нужно будет приложить невероятные усилия по переносу отяжеленного фильтра из дома во двор.

Если эта задача вам удалась, то можно приступать к выгрузке:

  1. Изъятый фильтр боком укладывают на ровную, возвышенную поверхность.

  2. К горловине водоподъемной трубки хомутом присоединяют крепкий шланг, через который под определенным напором подается вода.

  3. Вместе с взрыхленной засыпкой вода вытекает из емкости фильтра.

  4. Для обеспечения чистоты вашего двора рекомендуют подставить под поток воды плотный полиэтилен (следует учесть, что этот полиэтилен не должен пропускать гранулы засыпки и подложку из гравия).

  5. После того как емкость будет освобождена, из смягчителя или фильтра достается водоподъемная трубка.

  6. Затем проводят повторную промывку емкости и заносят ее обратно в дом.

Но если вы не хотите тратить свое время и силы, то на российском рынке присутствует немало компаний, которые занимаются разработкой и обслуживанием систем водоочистки. Самостоятельно, без помощи профессионала, выбрать тот или иной вид фильтра воды довольно сложно. И уж тем более не стоит пытаться смонтировать систему водоочистки самостоятельно, даже если вы прочитали несколько статей в Интернете и вам кажется, что вы во всем разобрались.

Надежнее обратиться в компанию по установке фильтров, которая предоставляет полный спектр услуг – консультацию специалиста, анализ воды из скважины или колодца, подбор подходящего оборудования, доставку и подключение системы. Кроме того, важно, чтобы компания предоставляла и сервисное обслуживание фильтров.

Наша компания Biokit предлагает широкий выбор систем обратного осмоса, фильтры для воды и другое оборудование, способное вернуть воде из-под крана ее естественные характеристики.

Специалисты нашей компании готовы помочь вам:

  • подключить систему фильтрации самостоятельно;

  • разобраться с процессом выбора фильтров для воды;

  • подобрать сменные материалы;

  • устранить неполадки или решить проблемы с привлечением специалистов-монтажников;

  • найти ответы на интересующие вопросы в телефонном режиме.

Доверьте очистку воды системам от Biokit – пусть ваша семья будет здоровой!


Следующая статья:

Обратноосмотическая вода: вред или польза

Что такое обратноосмотическая вода? Обратноосмотическая вода приносит пользу или вред? Как работает обратноосмотический фильтр для воды?

Читать дальше

Ионообменные смолы в очистке воды

Технология ионного обмена позволяет использовать в качестве основы разные материалы. Раньше это были цеолиты, кремнеалюминаты, но ионообменные смолы по ряду причин получили наибольшее распространение.

Структура ионообменных смол

Ионообменные смолы — иониты в зернистой форме. Это синтетические органические соединения в форме гранул, небольших шариков, диаметр которых составляет от 0,3 до 1,5 мм. Основной материал для их производства: акрил, полистирол и фенолформальдегиды. Это полимерный каркас ионита, который образуется в ходе полимеризации (в первых двух случаях) или поликонденсации (в последнем случае).

В молекулярной структуре смолы находятся радикалы основного или кислого типа. Находящиеся на них ионы способны замещаться ионами одноименного знака из раствора, который контактирует с ионитом. При этом внешний вид смолы не изменяется, равно как и ее свойства — процесс при определенных условиях носит обратимый характер, смолу можно восстановить до первоначального состояния.

Именно радикалы определяют, какими свойствами будет обладать ионообменная смола:

  • анионит или анионообменная смола — обменивается анионами. Радикал NH3+;
  • катионит или катионообменная смола — обменивается катионами. Радикалы HCO2, HSO3.

Качественные характеристики

Ионообменные смолы обладают разными свойствами, что делает возможным их тонкий подбор для конкретных целей водоподготовки в зависимости от химического состава исходной воды. При рассмотрении характеристик ионообменников оперируют следующими терминами:

  • емкость ионита. Также встречается другой термин — ионообменная способность. Количество ионов, способных к обмену на единицу массы или объема ионообменной смолы. Различают полную и полезную емкости. Полная характеризует теоретический максимум, полезная — определяет предел практического применения материала в конкретных условиях с учетом допустимого количества проскоков ионов и т.п;
  • объемная нагрузка. Соотношение объема раствора к объему смолы за единицу времени. Позволяет определить периодичность регенерации;
  • поток ионов. Произведение объемной нагрузки на солесодержание раствора;
  • проскок ионов. Содержание извлекаемых ионов в воде, прошедшей обработку;
  • пробой ионита. Допустимый проскок ионов, после которого дальнейшая обработка нецелесообразна;
  • истирание ионообменной смолы. Износ частиц ионита вследствие трения друг о друга.

Рассматривая в качестве ионита несколько вариантов смол, отдавать предпочтение необходимо тем, которые соответствуют следующим требованиям:

  • механическая прочность частиц ионита. Под этим понимается стойкость к истиранию, образованию трещин и раскалыванию;
  • смола должна оказывать минимальное влияние на напор раствора. Для этого подбирают материал с микросферами диаметром 0,3-1,2 мм. Если режим работы станции противоточный, а слои смолы статичны, тогда предпочтение отдают сферам одинакового диаметра;
  • частицы смолы должны быть стойкими к высаливанию. Т.е. ионит не должен являться источником вторичного загрязнения раствора остатками полимеризации. Это особенно актуально для пищевой промышленности и в сферах, где необходима очень чистая вода.

Ионообменные смолы нельзя применять в случае присутствия в обрабатываемой воде следующих веществ:

  • эмульсий, коллоидов, суспензий;
  • растворенных органических веществ;
  • большого количества растворенных газов;
  • сильных окислителей, включая озон и хлор.

Разновидности смол

Как мы говорили ранее, в зависимости от знака ионов, участвующих в обмене, различают катиониты и аниониты. Остановимся на каждом из этих видов подробнее.

Катиониты

В зависимости от типа радикала катионообменники бывают сильнокислотными и слабокислотными.

В сильнокислотных катионообменных смолах важная роль отводится радикалам HSO3. Этот материал сегодня представлен преимущественно сульфополистирольными смолами. Сильнокислотные катиониты работают в отношении любых катионов.

Слабокислотные катиониты изготовлены на основе полиакрила. Радикалы — COOH-. Такие иониты находят широкое применение в станциях умягчения воды по следующим причинам:

  • связываются только с Ca2+, Mg2+ и Na+ в составе бикарбонатов. При этом взаимодействие с этими же катионами, но в равновесии с анионами сильных кислот невозможно. Речь о растворах с сульфатами, хлоридами и нитратами;
  • хорошо восстанавливаются с помощью растворов для регенерации.

Все вышеперечисленное также отличает слабокислотные катиониты от сильнокислотных.

Аниониты

Среди анионообменных смол также есть слабо- и сильноосновные. Первые способны связывать кислотные остатки только слабых кислот, например, борной или угольной. Тогда как сильноосновные аниониты могут связывать любые кислотные остатки.

Слабоосновные ионообменные смолы производят на основе полистирола или полиакрила. Это третичные амины. Такие иониты легко поддаются восстановлению.

Сильноосновные анионообменные смолы — четвертичные амины. В качестве базы для таких материалов используют полистирол или полиакрил. Различают 2 типа таких смол:

  • тип 1. Ионогенная группа — триметиламмоний. Отличается сильной основностью, имеет высокое сродство к CO2 и SiO2, имеет небольшую емкость и плохо восстанавливается при регенерации;
  • тип 2. Ионогенная группа диметилэтаноламмония. Менее основный и химически стойкий, чем тип 1, но более емкий и эффективный при восстановлении.

Для сравнения смол по полной емкости удобно использовать следующую таблицу.

Тип смолыОриентировочное значение полной емкости, мг*экв/дм3
Сильнокислотный катионит1400-2200
Слабокислотный катионит3500-4200
Сильноосновный анионит1200-1400 для типа 1 и 1300-1500 для типа 2
Слабоосновный анионит1400-2000

Нужна ионообменная смола с конкретными характеристиками? Мы поможем определиться с выбором. Также подберем станцию водоочистки с разной степенью автоматизации по доступной цене. Обращайтесь за помощью в чат или по телефонам, указанным в шапке сайта.

Фильтр для воды с ионообменной смолой

В число наиболее популярных способов очистки воды входят различные виды ионообменных фильтров. Ионообменные фильтры — это работающие в автоматическом режиме системы водоподготовки, основным назначением которых является снижение уровня жесткости воды.

Употребление жесткой воды с повышенным содержанием солей различных металлов (в первую очередь — кальция и магния) наносит существенный вред как организму человека, так и сантехническому или нагревательному оборудованию. Поэтому нет ничего удивительного в большой востребованности ионообменных фильтров для воды, заслуженно считающихся одним из самых эффективных и выгодных методов умягчения воды.

Сфера применения фильтров с ионообменной смолой

На сегодняшнем отечественном рынке представлены самые разнообразные модели фильтров на ионообменной смоле, выступающих основным рабочим элементом различных систем водоподготовки. Большой выбор оборудования для очистки — это одна из главных причин обширной сферы практического применения фильтров ионного обмена.

Вторым фактором, обусловившим востребованность системы ионообменных фильтров, выступает необходимость умягчения воды, особенно актуальная для автономных систем водоснабжения частных жилых домов и промышленных предприятий. Вместе с тем, рассматриваемое оборудование нередко применяется в квартирах, офисных и общественных зданиях, что наглядно демонстрирует его универсальность и эффективность. Часто фильтр с ионообменной смолой используется для увлажнителей и систем кондиционирования.

Принцип действия ионообменных фильтров

Очистка воды на ионообменных фильтрах основана на свойствах ионообменных смол. Это активное вещество при контакте с водой забирает отрицательные ионы магния и кальция, делающих жидкость жесткой, заменяя их на безвредные и не влияющие на характеристики воды натрий или водород.

Такой принцип действия установок водоподготовки позволяет реализовать еще одну важную функцию фильтров на воду с ионообменной смолой. Она состоит в возможности промывки фильтра и его насыщение ионами натрия путем обработки раствором обычной поваренной соли. Эта процедура в большинстве современных моделей выполняется в автоматическом режиме. Она обеспечивает длительный срок службы системы очистки без необходимости замены фильтра или других комплектующих.

Конструкция ионообменного фильтра

Немаловажным достоинством блока ионообменных фильтров выступает простая и потому надежная конструкция. Фильтр для воды с ионообменной смолой включает несколько обязательных элементов:

  • корпус устройства, который изготавливается в виде армированной колбы из высокопрочного углепластика;
  • клапан управления, с помощью которого настраивается и регулируется работа ионообменного фильтра;
  • ионообменная смола, представляющая собой фильтрующую загрузку, которая помещается внутрь колбы;
  • система трубопроводов, обеспечивающая подвод и отвод воды;
  • комплект трубок, клапанов и реле, предназначенный для распределения потоков жидкости внутри оборудования.

Типы ионообменных фильтров

Популярность и широкое применение ионообменных фильтров для очистки воды в значительной степени связаны с их разнообразием. Для классификации фильтров для воды на ионообменных смолах используются различные критерии. Например, по месту установки и мощности различают промышленные ионообменные фильтры и бытовые. Первые монтируются в отдельном подсобном помещении и предназначены для обслуживания системы водоснабжения частного дома (ионообменные фильтры для частного дома), отдельно стоящей постройки или промышленного здания. Второй вариант ионообменного фильтра для воды питьевой устанавливается непосредственно перед точкой водоразбора и очищает воду, поступающую в кран, нагревательный прибор или бытовую технику.

Другими классифицирующими признаками фильтров для очистки воды с ионообменной смолой выступают: функциональное назначение, тип фильтрующей среды и принцип действия установки. В соответствии с перечисленными критериями можно выделить несколько наиболее популярных разновидностей ионообменных фильтров, каждую из которых целесообразно рассмотреть подробнее.

Ионообменные фильтры для жесткой воды (фильтры умягчения)

Наиболее распространенный вид рассматриваемых систем водоподготовки — фильтры умягчения. Это стандартный способ очистки воды, предназначенный для уменьшения жесткости и обычно используемый в сочетании с обратным осмосом. Оборудование комплектуется фильтром с ионообменной смолой. Как работают ионообменные фильтры можно узнать из описанного выше традиционного принципа.

Основными достоинствами обычных фильтров очистки воды с ионообменной смолой выступают:

  • эффективность выполнения прямых функций по снижению жесткости воды;
  • наличие на рынке большого количества фильтров для воды на основе ионообменной смолы, различающихся по мощности, производительности, степени очистки, габаритам и множеству других параметров, включая возможность автоматической промывки фильтра или его замены;
  • простота технического обслуживания и минимальные требования в уходе;
  • сравнительно низкий уровень эксплуатационных расходов, который объясняется длительным сроком службы фильтра и небольшим энергопотреблением.

Ионообменные фильтры от железа и жесткости

Главным отличием этой разновидности ионообменных фильтров от обычных установок умягчения является использование в качестве фильтрующего вещества многокомпонентной смолы. Она представляет собой высокоэффективную ионообменную среду, позволяющую удалить из жидкости не только кальций и магний, но и соли других металлов — марганца, железа и т.д., а также органические примеси. Удаление железа и жесткости на ионообменных фильтрах позволяет использовать эти установки для воды из скважины.

Результатом становится более высокая степень очистки воды и, как следствие, возможность самостоятельного применения ионообменного фильтра без обратного осмоса или других дополнительных систем водоподготовки. Логичным следствием настолько впечатляющего набора эксплуатационных и технических характеристик становится удорожание ионообменных фильтров для очистки воды от железа и жесткости. Оно особенно заметно при сравнении с обычными фильтрами умягчения, комплектуемыми однокомпонентной ионообменной смолой, и компенсируется за счет роста производительности, а также отсутствия необходимости применения других способов очистки.

Фильтрация воды на фильтрах со специальными селективными смолами

Еще одной разновидностью фильтрующего вещества выступают так называемые селективные смолы. Они предназначены для очистки воды от конкретных примесей, например, солей бора или нитратов.

Ионообменные фильтры для смягчения воды кабинетного типа

В отдельную категорию систем водоподготовки выделены кабинетные умягчители. Их отличительные особенности заключаются в следующем:

  • компактные размеры;
  • небольшая производительность, обеспечивающая обслуживание 1-2 точек водоразбора;
  • подключение напрямую к крану, бойлеру, стиральной или посудомоечной машине;
  • бюджетная стоимость, которая является основной причиной востребованности ионообменных фильтров для воды кабинетного типа.

Ионообменные фильтры смешанного действия (регенерируемые и нерегенерируемые)

Основное назначение ионообменных фильтров для водоподготовки смешанного действия — получение на выходе деминерализованной воды с требуемым уровнем жесткости. Регенерируемые установки водоподготовки предусматривают возможность регенерации фильтра путем насыщения его ионами натрия. Нерегенерируемые установки предполагают необходимость замены ионообменной смолы после исчерпания емкости.

Купить фильтр для воды с ионообменной смолой

В каталоге нашей компании представлены различные виды ионообменных фильтров, включая промышленные и бытовые установки. Грамотные менеджеры предприятия помогут подобрать подходящий вариант оборудования и оперативно оформить заказ на его поставку. В качестве приятных и полезных бонусов — доставка в любой регион РФ, монтаж под ключ, а также сервисное и гарантийное обслуживание. Также Вы можете получить консультацию по вопросу, как установить ионообменный фильтр по телефону 8-499-391-39-59 или по электронной почте [email protected]

Ионообменная смола для умягчения воды — СМОЛЫ

Производство

Поставка

В этой статье мы рассмотрим почему и как применяются ионообменные смолы для умягчения воды. Купить ионообменные смолы можно на нашем сайте, достаточно пройти по ссылке. Теоретически разработаны и применяются практически следующие методы умягчения:

* термический метод. (кипячение, дистилляция или замораживании-размораживании)

* реагентный. (ионы кальция  (II) и магния (II) деактивируются и связываются различными химическими реагентами в труднорастворимый осадок

* ионный обмен. (фильтрация водных растворов через ионообменные материалы, при котором происходит замена ионов Na (I) или Н (I) в ионите (катионит, анионит или сульфоуголь) на ионы водного раствора кальция (Са II) и магния (Mg II)

* диализ.

* комбинация различных методов.

Выбор метода умягчения определяется качеством воды, задаваемой степенью очистки, техническим потенциалом установки и технико-экономическим обоснованием выбора методики водоочистки.

История открытия и разработки метода ионного обмена был рассмотрен в этой статье.

 

Ионообменные смолы номализуют жесткость воды

Сразу нужно определиться какой параметр воды в теории водоподготовки в данном случае нас интересует прежде всего. Очевидно это ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ. Жесткость воды как параметр, а также другие —  как цветность и нормальность рассматривалось в этой статье. Здесь мы будем понимать под жесткостью то количество миллиграмм-эквивалентов ионов кальция Са2+ или магния Mg2+, которое содержится в 1 литре воды.

Как определить жесткая вода или мягкая без абстрактных цифр? Скажем так: единица жесткости — 1 мг/экв/л эквивалентна 20,03 мг кальция Са2+ или 12,15 мг магния Mg2+. Количественное содержание солей жесткости в мг в водном растворе теперь можно измерить и посчитать. По количественному содержанию соответственно по жесткости разделяем:

* очень мягкая вода (0–1,5 мг/экв/л)

* мягкая вода (1,5–3 мг/экв/л)

* вода со средней жесткостью (3–6 мг/экв/л)

* жесткая (6–9 мг/экв/л)

* очень жесткая (более 9 мг/экв/л).

Последняя даже не вода, а скорее рассол. Лучшими органолептическими свойствами обладает с показателями жесткости от 1,65 до 2,90 мг/экв/л, но требования СанПиН 2.1.4.1116–02 регламентируют жесткость как полноценной и физиологической с показателями от 1,6 до 6,9 мг/экв/л. Тут нужно пресечь спекуляции, что чем мягче вода, тем она полезнее для организма. Совсем не так. Если употреблять исключетильно деминерализованную воду, например, полученную с помощью установки глубокого обессоливания воды , то можно заработать неустранимые проблемы со здоровьем, это связано с дефицитом магния и кальция.

Однако, при существенной минерализации (жесткость от 4,5 мг/экв/л) вода начинает приносить вред не организму человека, а его окружению, так или иначе связанному с водоснабжением. Накипь в чайнике, утюге, стиральной машине, водонагревательных приборах — вот неполный список устройств, подверженных вредному воздействию солей жесткости в водоснабжении.

Нормальным умягчением, на которое настроено подавляющее количество данных водоподготовительных систем — это нормализация жесткости на уровне 1,0–1,6 мг/экв/л. Ну а что с экстримально мягкой водой, с показателем ниже 0,5 мг/экв/л? Британские ученые доказали, что такая вода является активной и способной вымывать отложения в трубах систем водоснабжения, правда это может повлечь появление неприятного цвета и запаха воды.

Принцип умягчения воды ионообменными смолами

Умягчение воды или ее деминерализация с помощью ионообменных материалов основана на ионном обмене. Принцип состоит в возможности ионообменных засыпок для фильтров (катионитов и анионитов) улавливать из воды ионы в обмен на соответствующее количество ионов катионита или анионита. Ионообменная смола будь то катионит или анионит характеризуется показателем обменной емкости. Это характеризуется определенным количеством или положительных или отрицательных ионов, которые ионит может обменять с водным раствором в фильтроцикле. Обменную емкость ионитов измеряют в грамм-эквивалентах задержанных ионов на 1 метр кубический. Ионит при этом находится в набухшем состоянии после отмокания в воде. В этом состоянии ионит засыпан в фильтре. Стоит различать полную и рабочую обменную емкость ионообменной смолы.

Полная обменная емкость — количество ионов солей жесткости, которое может задержать 1 куб. метр ионообменной смолы, находящегося в набухшем — рабочем состоянии, вплоть до того момента, когда жесткость отфильтрованой (исходящей) воды сравнивается с жесткостью входящей в фильтр воды. Рабочей обменной емкостью ионитов называют то количество ионов жесткости, которое задерживает 1 куб. метр ионообменной смолы до момента «проскока» в фильтрованной воде ионов солей жесткости. Обменную емкость, соотнесенную к полному объему ионита в фильтре обычно называют емкостью поглощения.

В объем фильтра засыпается ионообменная смола. Это катионит или анионит. Отличие этих смол заключается в «знаке» обмениваемых ионов при водоподготовке. Катионит обменивается положительными ионами. Анионит обменивается отрицательными ионами. По временном снижении рабочей обменной способности ионита его подвергают процессу регенерации. Этот можно сравнить с аккумулятором телефона. При снижении заряда он требует подзарядки. Эта подзарядка ионообменной смолы и называется регенерацией. Но это проходит не от электрической розетки, а с помощью растворов солей или кислот, которые возвращают иониты в первоначальное состояние. Восстановление обменной емкости катионита как правило происходит пропуском 8% раствора поваренной соли через фильтрующий слой.

Но емкость аккумулятора не бесконечна. Ионит тоже рассчитан на определенное количество циклов регенерации. После этого ионообменная смола подлежит замене в фильтре и процесс водоподготовки — регенерации начинается снова.

 

*** Вы всегда можете купить ионообменные смолы для умягчения воды. Для оформления заказа перейдите на эту страницу.

 

Ионообменный метод очистки воды | ООО ТЭХ-Групп: всё для промышленной водоподготовки и водоочистки

Ионообменный метод очистки воды считается наиболее результативным для водоподготовки и умягчения воды. Он нашел широкое применение в промышленности.

Суть ионообменного процесса очистки воды заключается в замене ионов из раствора (жидкости) на ионы, находящиеся на поверхности ионитов. Иониты входят в состав ионообменного материала, который вносится в фильтр (колонну).


В зависимости от фильтрующего материала, ионообменные фильтры (колонны) могут применяться для удаления из жидкости солей жесткости (Ca и Mg), железа, марганца и тяжелых металлов, нитратов, кислот, солей кремния, органических соединений, радиоактивных отходов и прочих загрязнений.

Ионообменный способ очистки воды может применяться в случаях, когда требуется удалять только определенные взвеси или соли, оставляя все остальное, то есть селективно.

Исходя из состава поступающей на очистку воды применяют определенные фильтрующие материалы:

  • Ионообменные смолы. Одни обмениваются катионами (катионообменные смолы), другие — анионами (анионообменные смолы). Имеют пористую и проницаемую структуру, размер гранул составляет 0,3 – 0,8 мм. Аниониты бывают сильноосновные и слабоосновные, а катиониты — сильнокислотные и слабокислотные.

  • Волокнистые ионообменные материалы в различных текстильных формах. В основном применяют для дополнительной очистки питьевой воды от катионов тяжелых металлов, радионуклидов и железа.

Катионирование — процесс очистки жидкости ионообменным методом, когда происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), которые присутствуют в объеме катионита, различают две разновидности катионирования: Н-катионирование (смолы обменивают катионы из воды на ионы водорода) и Na-катионирование (смолы обменивают ионы из воды, на ионы натрия).

Анионирование — процесс очистки раствора ионообменным методом, когда происходит обмен анионов на ион гидроксида. Сочетание OH-анионирования и Н-катионирования приводит обессоливание воды.

  • Невысокой концентрации загрязнения жидкости.

  • На финальном этапе очистки, когда требуется высококачественная вода. 

  • Использования в установках обессоливания и умягчения воды. Такая вода необходима для работы котельных, ТЭЦ и АЭС.

Очистка воды ионообменными смолами используется для умягчения воды. Вода, проходя сквозь ионообменный материал, заменяет ионы электролитов на иониты, при этом изменяется химическая структура и жидкости, и реагента, уходит жесткость.  

В зависимости от необходимого количества умягченной жидкости, используют разное число колонн и их размеры.

  • При 1-ступенчатой очистке требуется 2 колонны. Жесткость воды уменьшается до 0,05–0,1 г-экв/м3.

  • При 2-ступенчатой очистке уже нужно 2 большие и 2 малые колонны. Жесткость воды достигает 0,01 г-экв/м3.

Такая вода нужна в энергетике, на металлургических, фармакологических производствах, пищевой и электронной промышленности.

На базе колонн (фильтров) проектируются ионообменные установки очистки воды. Они бывают ручные, автоматические и комбинированные. 

Промышленная ионообменная установка обычно включает:

  • Насосы для подачи, дозировки и циркуляции воды.

  • Вертикальные фильтрующие элементы с дренажно-распределительными системами снизу и сверху корпуса.

  • Ионообменные смолы.

  • Блок восстановления (регенерации). 

  • Запорная арматура с трубопроводом обвязки

  • Блок управления и контроля, отвечающий за забитость фильтрационного материала

  • Электрическая и гидравлическая “обвязка”.

При засорении фильтрующего материала, требуется их регенерация раствором в виде хлорида натрия или др.

Ионообменная система очистки воды может работать периодически и непрерывно.

Установки периодического действия. При этом происходит ионообмен, промывка ионита примесей, восстановление ионита, промывка ионита от восстанавливающего раствора. Недостатки этого метода — большие объемы установки, большое количество использованных реагентов, единовременно требуется большое количество засыпки ионообменного материала, сложность автоматизации.

Установки непрерывного действия. Применяется для снижения жесткости воды для паровых и водогрейных котлов, на предприятиях с бесперебойным производственным циклом:

  1. Когда в рабочем режиме один фильтр, второй фильтр находится в режиме восстановления/ожидания. Работая непрерывно, производительность ее не больше, чем у установки периодического действия.

  2. Когда в рабочем режиме оба фильтра, производительность увеличивается в 2 раза. Если одна колонн на восстановление, то вторая работает в форсированном режиме, подача отфильтрованной воды не останавливается.

Обозначения основных моделей ионообменных установок: 

УИ – (S, A, D, MB, SP)(R, K, C) – (М1….Мn)/K – (T, V, Q, R),  например УИ – SK(2510) – M1 – 0817V,  где

  • S,A,D,MB,SP — установки умягчения, декарбонизации, деминерализации, ионообменники со смешанными слоями, специальные технологии соответственно.

  • Тип управления установкой — R ручное, К автоматизированный клапан управления, С центральный контроллер.

  • Кол-во фильтров в установке (М1…Мn).

  • К — размер корпуса.

  • Тип управления по сигналу к регенерации (Т-по времени, V – по объему обработанной воды, Q – по качеству воды, R – по требованию оператора).

Преимущества системы очистки воды ионообменной смолой.

  • Очистка жидкости на самом высоком уровне.

  • Различные иониты, отличающиеся по составу и конструкции. 

  • Невысокие затраты на эксплуатацию. Фильтрующий материал меняют не реже через 2 года, в некоторых случаях через 7 лет, все зависит от вида материала и условий работы.

  • Все процессы автоматизированы.

  • Высокое качество материалов и оборудования, имеют необходимые сертификаты.

  • Невысокая цена установки.  

Ионообменные смолы и их применение

Технология ионообменных (IX) смол широко используется в качестве практичной и эффективной формы очистки воды в течение многих лет. IX часто используется для умягчения воды, что является его наиболее распространенным применением. Однако смолы IX имеют множество других применений. Загрязнение воды является важной проблемой во всем мире, и были введены новые правила качества питьевой воды для таких загрязнителей, как побочные продукты дезинфекции, мышьяк, нитраты, перхлораты и уран. Специализированные смолы IX решают эти проблемы.

Процесс IX удаляет из воды растворимые ионизированные примеси, такие как жесткость и щелочность, посредством обратимого ионного обмена между твердой фазой (шарики смолы) и жидкой фазой (вода). Две основные категории смол IX — это катионы и анионы. Смолы с катионом IX включают сильный/слабый катион (H+ и Na+). Смолы с анионом IX включают сильный/слабый анион, такой как ОН- и Cl-. Действуя вместе или по отдельности, эти типы удаляют из воды многие ионные загрязнители. Ни один из типов не удаляет неионогенные загрязнения, такие как бензол.

Катиониты

Положительно заряженные катиониты удаляют положительно заряженные ионные загрязнители воды. В эту категорию смол входят смолы с сильной кислотой/сильным катионом (SAC) и смолы со слабой кислотой/слабым катионом (WAC).

Удаление жесткости

Смола SAC эффективна для смягчения воды, удаляя ионы жесткости. Он используется в жилых, коммерческих и промышленных помещениях уже более 100 лет. Подобно крошечным магнитам, гранулы смолы SAC удаляют образующий накипь кальций (Ca 9).0013 2+ ) и магния (Mg 2+ ) путем обмена их на ионы натрия. Уровень жесткости снижается, а уровень натрия увеличивается.

Все смолы имеют конечную обменную емкость. Отдельные места обмена на шариках смолы в конечном итоге заполнятся и не смогут обмениваться дополнительной твердостью, поэтому смолу необходимо перезарядить. Поскольку гранулы смолы SAC имеют более высокое сродство к ионам кальция/магния, чем к ионам натрия, для вытеснения накопленных ионов жесткости из гранул смолы используется концентрированный раствор соли хлорида натрия (обычно от 8 до 12 процентов).

Смягчение и удаление щелочи

Слабокислотный катион (WAC) смола может одновременно удалять жесткость и щелочность. Он также обеспечивает некоторую степень удаления общего количества растворенных твердых веществ (TDS). Как правило, смола WAC удаляет около 80 процентов временной жесткости (жесткости, связанной с растворенными бикарбонатными минералами). TDS снижается примерно на 17,1 частей на миллион (частей на миллион) на каждое удаленное зерно твердости. Поскольку смола WAC обменивает ионы жесткости и щелочности на ионы водорода, очищенная вода будет кислой (или с более низким pH). Степень снижения TDS и pH во многом зависит от поступающих уровней жесткости.

Удаление бария и радия

Барий и радий, два двухвалентных катиона, регулируются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) для национальных стандартов первичной питьевой воды и могут быть удалены стандартной смолой SAC. Однако при регенерации смолы эффективность снижается из-за медленной диффузии их большей атомной массы вглубь матрицы смолы. Специальные типы смолы SAC со свойствами, которые улучшают снижение бария и радия, имеются в продаже и протестированы/сертифицированы Национальным научным фондом (NSF).

Аниониты

Отрицательно заряженные аниониты удаляют из воды отрицательно заряженные ионы. В эту категорию смол входят сильноосновные/сильные анионные (SBA) и слабоосновные/слабые анионные (WBA) смолы. Эти анионные смолы можно использовать для удаления загрязняющих веществ, описанных в этом разделе.

NO
3

Смола SBA может удалять нитраты (NO 3 -). Если отношение сульфата к концентрации NO 3 – в воде высокое, смолу необходимо регенерировать раньше, чтобы избежать действия аниона сульфата в качестве регенеранта и выделения NO 9.0033 3 -. В ситуациях с повышенными концентрациями сульфатов также можно использовать селективную смолу SBA.

ClO
4

Существуют смолы SBA, которые селективно удаляют перхлораты (ClO 4 -). Эти смолы могут быть одноразовыми и/или регенерируемыми.

Мышьяк

В воде мышьяк связан с арсенатом As(V) и арсенитом As(III). С помощью смол SBA можно удалить только отрицательно заряженные арсенат-анионы (HAsO 4 2-). Арсенит (H 3 AsO 3 ) обычно нейтрален в водном растворе. Поэтому для превращения As(III) в анион As(V) необходимо предварительное окисление. После того, как это окисление завершено, остаток необходимо удалить перед контактом со смолой SBA.

TOC

Общий органический углерод (TOC) или встречающиеся в природе органические вещества могут быть окислены вторичной дезинфекцией хлором и создавать DBP, такие как THM и HAA. Эти DBPs являются подозреваемыми канцерогенами и регулируются EPA в питьевой воде. Муниципальные очистные сооружения иногда удаляют TOC, чтобы ограничить образование DBP. TOC обычно заряжен отрицательно и удаляется с помощью смолы SBA.

Уран

Смола SBA может использоваться для удаления урана, который обычно существует в виде анионных комплексов уранилкарбонат/сульфат.

Деминерализация/деионизация

Смолы SAC и SBA, используемые в комбинации по отдельности или вместе, могут использоваться для снижения содержания минералов и TDS в воде. Минералы в воде обмениваются с катионами водорода (H + ) и анионами гидроксида (OH ) из шариков смолы с образованием высокоочищенной воды (H 2 О).

Дезинфекция

Смола SBA используется для ионного связывания галогенов в качестве антимикробного дезинфицирующего средства и коммерчески доступна для использования в различных лечебных целях.

Заключение

Для удаления многих растворенных ионных загрязнителей из воды доступен широкий спектр катионных и анионных смол IX. Общим свойством всех смол IX является способность обменивать в воде специально предназначенные ионы на другие, предположительно более желательные ионы, которые «загружаются» в гранулы смолы в процессе регенерации. Смолы IX более широко используются для деминерализации/деионизации, декальцинации и дезинфекции.

 

Кан Ли является директором по исследованиям и разработкам/контролю качества и развитию международного бизнеса в Selecto Inc. Он занимается разработкой и тестированием материалов для фильтрации, разделения и очистки питьевой воды, предназначенных для контроля качества/нормативных требований, производства и технического обслуживания клиентов. С ним можно связаться по адресу [email protected]

Стив Николич (Steve Nicolich) — вице-президент по развитию бизнеса в Selecto Inc. Он разрабатывает и реализует стратегии роста для увеличения проникновения на рынок и ключевых клиентов в сегменте общественного питания и фильтрации воды в гостиничном бизнесе. С ним можно связаться по адресу [email protected]

Справочник по воде – Ионный обмен и деминерализация воды

  • История
  • Классификация ионообменных смол
  • Смягчающий цеолит натрия
  • Горячий цеолит для умягчения
  • Деминерализация
  • Декалализация
  • Противоточная и смешанная деионизация
  • Другие процессы обессоливания
  • Полировка конденсатом
  • Общие проблемы системы ионного обмена
  • Загрязнение и деградация смолы
  • Тестирование и анализ смолы

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов. Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами. Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы. Перегрев, вызванный образованием накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам труб, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям. Ионы жесткости, такие как кальций и магний, должны быть удалены из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для котлов. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая двуокись углерода и кремнезем. Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники заменяют один ион на другой, временно удерживают его, а затем выпускают в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в воде заменяются более приемлемыми ионами. Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных умягчителях воды. Хотя алюмосиликатные материалы в настоящее время редко используются, термин «цеолитный умягчитель» обычно используется для описания любого процесса катионного обмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен природным материалом под названием Greensand. Greensand имеет более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его более высокая физическая стабильность делает его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество способных к обмену ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора. Он обычно выражается в килограммах на кубический фут в пересчете на карбонат кальция.

Рис. 8-1. Микроскопический вид шариков ячеистой смолы (20-50 меш) сильнокислотного катионообменника сульфированного стирола-дивинилбензола. (Предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды на основе сульфированного угля, называемой углеродистым цеолитом, расширила применение ионного обмена до операции водородного цикла, позволив снизить щелочность, а также жесткость. Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новая анионная смола использовалась с катионитом с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить из воды все растворенные соли). Однако ранние анионообменники были нестабильны и не могли удалять такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации стирола, сшитого с дивинилбензолом. Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола-дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это новшество сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы до сих пор используются в большинстве приложений ионного обмена. Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы во многих отношениях, чтобы соответствовать требованиям конкретных приложений и обеспечить более длительный срок службы смолы. Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макросетчатой ​​или макропористой структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на рис. 8-1, имеют структуру проницаемой мембраны. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства применений. Однако в некоторых применениях физическая прочность и химическая стойкость, требуемые от структуры смолы, выходят за рамки возможностей типичной гелевой структуры. Макросетчатые смолы имеют дискретные поры в высокосшитой полистирол-дивинилбензольной матрице. Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и действию окислителей. Макросетчатые анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. В дополнение к полистирол-дивинилбензольным смолам (рис. 8-3) существуют более новые смолы с акриловой структурой, что повышает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы. Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только один из ионных видов подвижен. Другая ионная группа присоединена к структуре шарика. Рисунок 8-4 представляет собой схематическое изображение шарика сильнокислотного катионита, который имеет ионные центры, состоящие из неподвижных анионных (SO 3 ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na + ). Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы. Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, присоединенные к гранулам смолы, определяют функциональные возможности смолы. Промышленные смолы для обработки воды подразделяются на четыре основные категории:

  • Сильнокислотный катион (SAC)
  • Катион слабой кислоты (WAC)
  • Сильноосновный анион (SBA)
  • Слабоосновный анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в соответствующие им кислоты. Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие основания. Эти смолы используются в большинстве приложений для умягчения и полного обессоливания. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для декальцинации, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

Смолы SAC получают свою функциональность от сульфокислотных групп (HSO 3 ¯). При деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена является обратимой. Когда ее емкость исчерпана, смолу можно регенерировать избытком минеральной кислоты.

Сильнокислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий как подвижный ион) для умягчения и в водородном цикле для декатионирования.

Слабокислотные катионообменные смолы получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть израсходованную смолу WAC в регенерированную форму. Смолы WAC не способны удалить все катионы из большинства источников воды. Их основным преимуществом является высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, необходимой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы с утилизацией.

Слабокислотные катиониты используются в первую очередь для умягчения и удаления щелочи из высокожестких и высокощелочных вод, часто в сочетании с системами полировки натриевого цикла SAC. В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

Смолы SBA получают свою функциональность от функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа групп четвертичного аммония, называемые Типом I и Типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой. Смола типа I обладает большей стабильностью, чем смола типа II, и способна удалять большее количество слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую производительность при том же количестве используемого регенерирующего химиката.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае с катионными смолами, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода. , чтобы вернуть смолу в гидроксидную форму.

Слабоосновная функциональность смолы возникает из первичных (R-NH 2 ), вторичных (R-NHR’) или третичных (R-NR’ 2 ) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, что представлено следующей реакцией:

СМЯГЧЕНИЕ ЦЕОЛИТОМ НАТРИЯ

Умягчение цеолитом натрия является наиболее широко применяемым применением ионного обмена. При умягчении цеолитом вода, содержащая образующие накипь ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме. В смоле происходит обмен ионов жесткости с натрием, и натрий диффундирует в объемный водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, затем может использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы умягчения цеолитом

Удаление жесткости воды с помощью процесса умягчения цеолитом описывается следующей реакцией:

Вода из правильно работающего умягчителя цеолита почти не имеет заметной жесткости. Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

Рис. 8-5 представляет собой типичный профиль жесткости стоков цеолитного умягчителя во время рабочего цикла. После окончательного ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не истощится. При истощении жесткость стоков резко возрастает, требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% раствором хлорида натрия, и регенерация протекает по следующему уравнению:

При регенерации используется большой избыток регенеранта (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле). Вымываемая жесткость удаляется из блока умягчения в отработанном солевом растворе и путем промывки.

После регенерации в смоле остаются небольшие остаточные количества твердости. Если оставить смолу в стоячем сосуде с водой, некоторая жесткость будет диффундировать в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, выходящая из цеолитного умягчителя, может иметь жесткость, даже если она недавно регенерировалась. Через несколько минут потока жесткость вымывается из умягчителя, а очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от расхода умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В Таблице 8-1 показано влияние уровня регенеранта на смягчающую способность гелеобразной сильной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается по мере увеличения дозы регенеранта, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Таким образом, эксплуатационные расходы умягчителя увеличиваются по мере увеличения уровня регенерации. Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение количества регенерирующей соли на 150 % обеспечивает увеличение рабочей мощности только на 67 %.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность умягчения сильнокислотных катионитов.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на смягчающую способность сильнокислотной катионитовой смолы .
Соль (фунт/фут 3 ) Вместимость (г/фут 3 )
6 18 000
8 20 000
10 24 000
15 30 000

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из резервуара для замены умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы. Обычно бак умягчителя представляет собой вертикальный стальной сосуд высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на рис. 8-6. Основные характеристики резервуара умягчения включают входную распределительную систему, надводное пространство, систему распределения регенерата, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора подземных стоков.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это препятствует тому, чтобы вода выдавливала проточные каналы в слое смолы, что могло бы снизить пропускную способность системы и качество сточных вод. Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора/ступицы с распределительными боковыми/радиальными или простыми перегородками, которые равномерно направляют поток воды по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на дно или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт обеспечивает расширение смолы во время обратной промывки регенерации без потери смолы. Он должен составлять не менее 50% от объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерата обычно представляет собой систему коллектор-боковик, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхней частью слоя смолы предотвращает разбавление регенеранта водой в свободном пространстве. Это также снижает потребность в воде и времени для вытеснения и быстрой промывки. Распределитель регенерата должен быть закреплен на конструкции бака, чтобы предотвратить поломку и последующее попадание реагента в канал.

Вода смягчается слоем сильнокислотного катионита в натриевой форме. Требуемое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Для всех систем рекомендуется минимальная глубина слоя 24 дюйма.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению или потере смолы.

Несмотря на то, что используется несколько конструкций подземных водостоков, существует два основных типа – заполнение и удерживание смолы. Система подзасыпки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, фракционированного гравия или антрацита), которые поддерживают смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подзасыпки. Пока опорные слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из сосуда. Коллектор, удерживающий смолу, такой как сетчатый боковой или профильный сетчатый фильтр, дороже, чем система с засыпкой, но защищает от потери смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляет поток воды и реагента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапана включает в себя шесть основных клапанов: сервисный вход и выход, вход и выход обратной промывки, вход регенеранта и слив регенерата/промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды. В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многоходовой клапан. По мере того, как клапан вращается через ряд фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток таким же образом, как гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить ошибки в работе, вызванные открытием не того клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения портов.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли/рассола и оборудования для контроля разбавления, обеспечивающего желаемую силу регенерации. Растворяющее/измерительное оборудование предназначено для подачи правильного количества концентрированного солевого раствора (примерно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенных солей в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления заполнением и сливом расходного бака, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эжекторной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной регенерирующей концентрации (8-10% NaCl). Рассол также можно перекачивать из резервуара с концентрированной солью и смешивать с водой для разбавления, чтобы обеспечить желаемую силу регенерации.

Работа умягчителя

Умягчитель на основе цеолита натрия работает в двух основных циклах: рабочий цикл, который производит мягкую воду для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при истощении.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную распределительную систему и проходит через слой. Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и сбрасывается. Поток технической воды к умягчителю должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить внезапные скачки напряжения и частое включение-выключение.

Из-за требований к смоле и конструкции резервуара операция умягчения наиболее эффективна, когда поддерживается рабочий расход от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при расходе 15-20 галлонов в минуту/фут². Непрерывная эксплуатация выше пределов, рекомендованных производителем, может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному скачку твердости и утечке жесткости. Эксплуатация значительно ниже рекомендуемой производителем скорости потока также может отрицательно сказаться на работе умягчителя. При низких расходах вода распределяется недостаточно, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда смягчитель израсходован, смола должна быть регенерирована. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы. Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодические отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители перед их истощением, исходя из заданного периода времени или количества переработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Они часто работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие блоки работают. Это обеспечивает бесперебойную подачу мягкой воды. Перед вводом резервного умягчителя в эксплуатацию его необходимо промыть, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время простоя.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленная промывка) и быстрая промывка.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды вызывает накопление взвешенных веществ на слое смолы. Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через вышестоящее фильтрующее оборудование. Этап обратной промывки удаляет накопленный материал и реклассифицирует слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из поддонного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы, а также классифицировать смолу. Классификация смолы приводит к тому, что более мелкие гранулы оказываются наверху устройства, а более крупные оседают на дне. Это улучшает распределение регенерирующей химической и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сточные воды из выпускного отверстия обратной промывки не станут прозрачными. Поток обратной промывки должен быть достаточным для увеличения объема слоя смолы на 50% или более, в зависимости от доступного надводного слоя. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению слоя и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока обратной промывки обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячее обслуживание) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует следовать рекомендациям каждого производителя. Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения слоя с холодной водой требуется меньший поток, чем с теплой водой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока регулировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки представляет собой отфильтрованную сырую воду. Вода, выходящая из выпускного отверстия обратной промывки, не изменяется по химическому составу, но может содержать взвешенные вещества. В целях экономии воды сточные воды обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтровать сточные воды для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий раствор. Поток солевого раствора поступает в установку через распределитель регенерата и течет вниз через слой смолы с небольшой скоростью (обычно от 0,5 до 1 гал/мин на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через дренаж и направляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между соляным раствором и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола крепость раствора должна составлять 10% при вводе рассола.

Смещение (медленная промывка). После введения регенерирующего солевого раствора медленный поток воды продолжается через систему распределения регенерирующего агента. Этот поток воды вытесняет регенерант через слой с желаемой скоростью потока. Стадия вытеснения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенеранта с нижней частью слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно равен расходу, используемому для разбавления концентрированного рассола. Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной для того, чтобы через устройство прошел приблизительно один объем воды из слоя смолы. Это обеспечивает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрое полоскание. После завершения вытесняющей промывки вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет остатки рассола, а также любую остаточную жесткость из слоя смолы. Скорость потока быстрой промывки обычно составляет от 1,5 до 2 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью обслуживания умягчителя.

Первоначально промывочные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость вымывается из умягчителя перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель можно вернуть в эксплуатацию, как только жесткость достигнет заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока содержание хлоридов в сточных водах или проводимость не будут близки к уровням входящих. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время сервисного обслуживания. Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое полоскание, известное как сервисное полоскание, для удаления любой жесткости, которая попала в воду во время ожидания.

СМЯГЧЕНИЕ ГОРЯЧИМ ЦЕОЛИТОМ

Умягчители на основе цеолитов можно использовать для удаления остаточной жесткости в сточных водах горячей технологической извести или известково-натриевых умягчителей. Горячие технологические стоки проходят через фильтры, а затем через слой сильнокислотного катионита в натриевой форме (рис. 8-7). Оборудование и работа умягчителя на горячем цеолите аналогичны умягчителю с температурой окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и контрольно-измерительные приборы должны быть рассчитаны на высокую температуру (220-250°F). Стандартную сильную катионитную смолу можно использовать при температурах до 270°F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после умягчителя горячего процесса важно спроектировать систему таким образом, чтобы исключить скачки потока в установке для производства горячей извести. Общие конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для производства горячей извести и расширенные медленные промывки для цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Области применения и преимущества

Накипь и отложения в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога в процессе промывки привели к большому спросу на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны экономически удовлетворить этот спрос, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов. Умягчение цеолитом натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

  • обработанная вода имеет очень низкую склонность к образованию накипи, поскольку умягчение цеолитом снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
  • операция проста и надежна; автоматические и полуавтоматические средства управления регенерацией доступны по разумной цене
  • Соль
  • недорогая и простая в обращении
  • не образуется отработанный шлам; обычно утилизация отходов не представляет проблемы
  • в определенных пределах изменения расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
  • , так как эффективная работа может быть обеспечена в установках практически любого размера, умягчители на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают жесткость воды, общее содержание твердых веществ, щелочность и кремнезем в воде остаются неизменными. Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой умягчителю с горячей известью и содой. Заводы, которые заменили свои умягчители горячего процесса только умягчителями на основе цеолита, столкнулись с проблемами с уровнем кремнезема и щелочностью в своих котлах.

Поскольку смола является таким эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия не действуют эффективно на мутных водах. Продолжительная работа с мутностью входящего потока, превышающей 1,0 JTU, приводит к загрязнению слоя, сокращению интервалов обслуживания и плохому качеству сточных вод. Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные источники должны быть очищены и отфильтрованы перед использованием.

Смола может быть загрязнена примесями тяжелых металлов, таких как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе обычной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Всякий раз, когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными умягчителями, надлежащая работа оборудования и тщательный контроль рН осветлителя необходимы для хорошей работы умягчителя.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных материалов, является сильным окислителем и должен быть удален до умягчения цеолита фильтрацией с активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательной воды котлов высокого давления и для многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. В дополнение к удалению жесткости эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, кремнезем, щелочность и анионы минералов (Cl¯, SO 4 ²¯, № 3 ¯).

Деминерализация воды – это удаление практически всех неорганических солей путем ионного обмена. В этом процессе сильнокислотный катионит в водородной форме превращает растворенные соли в соответствующие им кислоты, а сильноосновной анионит в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, по качеству аналогичную дистилляции, но с меньшими затратами для большинства пресных вод.

Принципы обессоливания

Система деминерализации состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают в себя блок сильнокислотного катиона и блок сильноосновного аниона. Катионит обменивает водород на катионы сырой воды, как показывают следующие реакции:

Мерой общей концентрации сильных кислот в катионных стоках является свободная минеральная кислотность (FMA). Как показано на рис. 8-8, при типичном запуске службы содержимое FMA остается стабильным большую часть времени. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA от теплообменника был бы равен теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник. Величина утечки натрия зависит от уровня регенерации, расхода и доли натрия по отношению к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается по мере увеличения отношения натрия к общему количеству катионов.

По мере того, как катионообменная установка приближается к истощению, FMA в сточных водах резко падает, что указывает на необходимость вывода теплообменника из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать раствором кислоты, который возвращает обменные центры в водородную форму. Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Чтобы предотвратить это, серная кислота обычно применяется при высокой скорости потока (1 галлон в минуту на квадратный фут смолы) и начальной концентрации 2% или менее. Концентрацию кислоты постепенно увеличивают до 6-8% до полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота. Это требует использования специальных конструкционных материалов в регенерирующей системе. Как и в случае установки с цеолитом натрия, требуется избыток регенеранта (серной или соляной кислоты), в три раза превышающий теоретическую дозу.

Для завершения процесса обессоливания воду из катионитной установки пропускают через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на сильно ионизированные минеральные ионы, так и на более слабо ионизированные угольную и кремниевую кислоты, как показано ниже:

Приведенные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды. В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными реакциями, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионитов приходится на натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионном блоке. Таким образом, рН выходящего потока двухслойной катионно-анионной системы деминерализации является слабощелочным. Щелочь, образующаяся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозы регенерирующего средства.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет диоксид кремния, а также другие растворенные твердые вещества. Выходящий кремнезем и электропроводность являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. Как показано на рис. 8-9, в конце быстрой промывки как диоксид кремния, так и электропроводность низкие.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко возрастает. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает. Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормального обслуживания большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид становится недоступным, а натрий из катионита превращается в силикат натрия, проводящий гораздо меньше, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионита прорываются ионы минералов с большей проводимостью, что приводит к последующему увеличению проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора устройство должно быть немедленно выведено из эксплуатации. Если деминерализатору позволяют продолжать работу после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрации кремнезема, которая происходит в анионообменной смоле во время работы.

Сильноосновные анионообменники регенерируются 4% раствором едкого натра. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации. Чтобы улучшить удаление кремнезема из слоя смолы, регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120°F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление кремнезема также улучшается за счет предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплой щелочи.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионно-анионного обессоливания, похоже на оборудование, используемое для умягчения цеолитом. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионностойких материалов (или облицованы ими). Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации для деминерализаторов более сложны, чтобы обеспечить такие усовершенствования, как ступенчатая регенерация кислотой и теплой щелочью.

Деминерализаторы аналогичны по действию цеолитным умягчителям. Рекомендации по скорости потока для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с некоторыми видами воды. Анионит намного легче катионита. Следовательно, скорость потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионообменных смол, и на расширение анионита больше влияет температура воды, чем на расширение катионита. Вода, используемая для каждой стадии регенерации анионита, не должна быть жесткой, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочного анионита.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы диоксида кремния обычно используются для контроля качества сточных вод с анионами и определения необходимости регенерации. В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над дренажными коллекторами для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет прорыв кремнезема в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого применения. Деминерализованная вода широко используется в качестве питательной воды для котлов высокого давления и для многих технологических вод. Качество произведенной воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть стоимости. Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонн, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие системы ионного обмена, для эффективной работы деминерализаторов требуется фильтрованная вода. Перед деминерализацией следует избегать смолистых загрязнений и разлагающих агентов, таких как железо и хлор. Аниониты очень восприимчивы к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды. Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или нереакционноспособные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котельная вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, подобные тем, которые поступают в котел в растворимом виде. Как таковые, они могут образовывать отложения на поверхности труб и улетучиваться в пар.

ДЕЩЕЛОЧЕНИЕ

Часто рабочие условия котла или процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых веществ. Умягчение цеолитом не снижает щелочность, а деминерализация слишком затратна. Для таких ситуаций используется процесс дезактивации. Наиболее часто используемыми процессами являются декальцинация цеолитом натрия/водородным цеолитом (разделенный поток), дещелочная декальцинация хлорид-анионом и слабокислотным катионитом.

Натрий-цеолит/водородный цеолит (разделенный поток) Обесщелачивание

В декальцинаторах с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия. Остаток проходит через катионит сильной кислоты в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяют с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды установки цеолита водорода содержат угольную кислоту, полученную за счет щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислота в выходящем потоке цеолита водорода преобразует щелочность карбоната натрия и бикарбоната в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота неустойчива в воде. Он образует углекислый газ и воду. Смешанные стоки направляются в декарбонизатор или дегазатор, где двуокись углерода удаляется из воды противотоком воздуха. На рис. 8-10 показана типичная система дещелализации с разделенным потоком.

Желаемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать, контролируя процентное содержание цеолита натрия и цеолита водорода в смеси. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с цеолитом водорода снижает щелочность.

В дополнение к снижению щелочности декальцинатор с разделенным потоком уменьшает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для воды с высокой щелочностью, потому что проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрирования котла.

Цеолит натрия/хлоридный анион Декальцинация

Сильноосновная анионитная смола в форме хлорида может использоваться для снижения щелочности воды. Вода проходит через умягчитель на основе цеолита, а затем через анионный блок, который заменяет ионы карбоната, бикарбоната, сульфата и нитрата ионами хлорида, как показано в следующих реакциях:

Средство для удаления щелочи с анионом хлорида снижает щелочность примерно на 90%, но не уменьшает общее содержание твердых веществ. Когда смола приближается к истощению, щелочность очищенной воды быстро увеличивается, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитовый умягчитель регенерируется, как описано выше. Кроме того, анионная смола также регенерируется соляным раствором хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий солевой раствор добавляют небольшое количество каустической соды для улучшения удаления щелочности.

Слабокислотное катионитирование

В другом методе декальцинирования используются слабокислотные катиониты. Слабокислотные смолы по действию аналогичны сильнокислотным катионитам, но обмениваются только на катионы, связанные с щелочностью, как показывают следующие реакции:

, где Z представляет смолу. Образовавшуюся угольную кислоту (H 2 CO 3 ) удаляют декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный входной поток для слабокислотной катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба значения выражены в частях на миллион как CaCO 3 ). В водах с более высокой щелочностью, чем жесткость, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, содержащих большую жесткость, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать смягчителем на основе цеолита натрия для удаления жесткости. Во время начального периода работы слабокислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы, связанные с минеральными анионами, обмениваются, образуя небольшое количество минеральных кислот в сточных водах. По мере прохождения рабочего цикла в стоках появляется щелочность. Когда щелочность сточных вод превышает 10 % щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5 % раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна поддерживаться ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабокислотный обмен катионита очень эффективен. Таким образом, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных во время рабочего цикла.

Если конструкционные материалы последующего оборудования или процесса в целом не выдерживают минеральной кислотности, присутствующей во время начальных частей рабочего цикла, перед окончательной промывкой через регенерированную слабокислотную смолу пропускают соляной раствор. Этот раствор удаляет минеральную кислотность без существенного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для слабокислотного декальцинатора, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном варианте стандартной конструкции используется слой слабокислотной смолы поверх сильнокислотной катионитной смолы. Поскольку он легче, слабокислотная смола остается сверху. Слоистая система смолы регенерируется серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия. Солевой раствор переводит сильнокислотную смолу в натриевую форму. Затем эта смола действует как полирующий смягчитель.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием двуокиси углерода и воды, и двуокись углерода удаляется в декарбонизаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, потому что избыточная подача кислоты или неисправность в системе контроля pH может привести к образованию кислоты питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов. Требуется надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача щелочи после декарбонизации.

Преимущества и недостатки систем дещелочной очистки

Системы дещелочной очистки с помощью ионного обмена производят малощелочную воду без жесткости по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и слабокислые катиониты также снижают общее количество растворенных твердых веществ. В дополнение к этим преимуществам необходимо учитывать следующие недостатки:

  • декальцинаторы не полностью удаляют щелочность и не влияют на содержание кремнезема в воде
  • Декальцинаторы
  • требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
  • вода, полученная системой декальцинации с использованием декарбонизатора с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально вызывает коррозию

ПРОТИВОТОЧНАЯ И СМЕШАННАЯ ДЕИОНИЗАЦИЯ

Из-за повышения рабочего давления в котлах и производства продуктов, требующих незагрязненной воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут обеспечить катионно-анионные деминерализаторы. Поэтому возникла необходимость модификации стандартного процесса обессоливания для повышения чистоты очищаемой воды. Наиболее значительные улучшения чистоты деминерализованной воды были достигнуты при использовании противоточных катионитов и теплообменников смешанного действия.

Противоточные катиониты

В традиционной системе деминерализации поток регенерирующего агента течет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как прямоточная работа и является основой для большинства конструкций систем ионного обмена. Во время регенерации прямоточной установки загрязняющие вещества вытесняются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя была подвергнута воздействию свежего регенеранта, она сильно регенерирована. По мере того, как вода проходит через смолу во время работы, обмен катионов сначала происходит в верхней части слоя, а затем перемещается вниз через смолу по мере истощения слоя. Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионированную воду до того, как она покинет сосуд. Эта утечка натрия поступает в анионную установку, где при анионном обмене образуется щелочь, повышающая pH и проводимость деминерализованной воды.

В противоточном регенерируемом катионите регенерат течет в направлении, противоположном направлению рабочего потока. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой. В результате наиболее регенерируемая смола находится там, где техническая вода выходит из сосуда. Смола с высокой степенью регенерации удаляет небольшое количество загрязняющих веществ, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем могут обеспечить прямоточные конструкции. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенеранта. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

  • используется блокирующий поток воды или воздуха
  • поток кислоты разделяется, и кислота вводится как сверху, так и снизу слоя смолы (рис. 8-11)

Теплообменники со смешанным слоем

В теплообменнике со смешанным слоем катионит и анионит смешаны вместе в одном сосуде. Когда вода течет через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные катионные и анионные фракции, как показано на рис. 8-12. Смола отделяется обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола оседает поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь – через распределители над слоем смолы. Потоки регенерата встречаются на границе между катионитом и анионитом и выводятся через коллектор, расположенный на границе раздела смолы. После введения реагента и вытесняющей промывки воздух и вода используются для смешивания смол. Затем смолы промываются, и установка готова к эксплуатации.

Противоточные системы и системы смешанного действия производят более чистую воду, чем обычные катионно-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Особенно это касается смешанной кровати.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный катионно-анионный процесс был модифицирован во многих системах для сокращения использования дорогостоящих регенерантов и образования отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабоосновных смол, отходов сильноосновного анионного каустика (для регенерации слабоосновных анионообменников) и утилизации части отработанного каустика для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на рис. 8-13.

Декарбонизаторы и дегазаторы

Декарбонизаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они уменьшают количество щелочи, необходимой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капли с помощью распылителей и лотков или набивается в декарбонизатор. Затем вода течет через поток воздуха, идущего в противоположном направлении. Углекислота, присутствующая в выбросах катионов, диссоциирует на углекислый газ и воду. Углекислый газ удаляется из воды воздухом, что снижает нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонизаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонку, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает содержание углекислого газа до уровня менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды. Однако приобрести и эксплуатировать вакуумные дегазаторы дороже, чем декарбонизаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабоосновные смолы

Смолы со слабыми функциональными свойствами обладают гораздо более высокой эффективностью регенерации, чем их аналоги с сильными функциональными свойствами. Слабокислотные катиониты, как описано в разделе о снижении щелочности, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабоосновные смолы обмениваются с анионами неорганических кислот (SO 4 ¯, Cl¯, NO 3 ¯) в растворе сильной кислоты. Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрична, для удаления 1 кг ионов (как CaCO 3 ) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO 3 ). Прочные смолы требуют в три-четыре раза больше регенеранта для того же удаления загрязняющих веществ.

Слабоосновные смолы настолько эффективны, что общепринятой практикой является регенерация слабоосновного обменника с помощью части «отработанного» каустика после регенерации сильноосновной анионита. Первую фракцию каустика из сильноосновной единицы отправляют в отходы, чтобы предотвратить загрязнение кремнеземом слабоосновной смолы. Оставшаяся щелочь используется для регенерации слабоосновной смолы. Дополнительным свойством слабоосновных смол является их способность удерживать природные органические материалы, загрязняющие сильноосновные смолы, и высвобождать их во время цикла регенерации. Благодаря этой способности слабоосновные смолы обычно используются для защиты сильноосновных смол от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенерата

Из-за высокой стоимости каустической соды и растущих проблем с утилизацией отходов многие системы деминерализации в настоящее время оснащены функцией регенерации каустика. Система регенерации использует часть отработанного каустика от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. После повторного использования каустика следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик используется для следующей регенерации. Как правило, серная кислота не регенерируется, поскольку она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

ПОЛИРОВКА КОНДЕНСАТА

Применение ионного обмена не ограничивается подпиткой технологической и котловой воды. Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызывать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему из-за утечек конденсатора и уплотнения насоса или переноса котловой воды с паром. Полировщики конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство машин для полировки конденсата на бумажных фабриках работают при температурах, приближающихся к 200°F, что исключает использование анионита. Катионит, который стабилен до температуры выше 270°F, используется для глубокой полировки конденсата в этих применениях. Смола регенерируется раствором хлорида натрия, как и в цеолитовом умягчителе. В ситуациях, когда утечка натрия из полировщика неблагоприятно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или пар снижает чистоту воды, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Рабочий расход для полировщика с глубоким слоем (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высок по сравнению с обычным умягчителем. Допустимы высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо в виде частиц и медь удаляются фильтрацией, а количество растворенных загрязняющих веществ снижается за счет обмена на натрий или амин в смоле.

Регенерация конденсата катионитовой смолы глубокого слоя регенерируется с помощью 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы, аналогично тому, как это используется для обычной регенерации цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для облегчения удаления железа. Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается непосредственно под поверхностью слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления создаются высокими скоростями рабочего потока и загрузками твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам. Гелеобразную или макропористую смолу высшего качества следует использовать для полировки конденсата в глубоком слое.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140°F, что является максимальной продолжительной рабочей температурой для анионита. Кроме того, расход через устройство обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту/фут².

Ионообменные смолы также используются как часть системы предварительной фильтрации, как показано на рис. 8-14, для очистки конденсата. Смола измельчается и смешивается в суспензию, которая используется для покрытия отдельных септ в емкости фильтра. Порошкообразная смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения путем ионного обмена. Когда фильтрующий материал засоряется, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрывают свежей суспензией порошкообразной смолы.

ПРОБЛЕМЫ ОБЩЕЙ СИСТЕМЫ ИОНООБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, в системах ионного обмена все же возникают проблемы. Проблемы обычно приводят к плохому качеству сточных вод, уменьшению продолжительности обслуживания или увеличению потребления регенеранта. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при каждом обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, длины цикла или расхода регенеранта.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких циклов (Рисунок 8-15) и некачественных стоков (Рисунок 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы обессоливания. Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды оказывают существенное влияние как на длину цикла, так и на качество сточных вод, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод сильно меняется с течением времени. Увеличение жесткости воды на 10 % для умягчителя на основе цеолита натрия приводит к сокращению срока службы на 10 %. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализации. Для выявления таких отклонений необходимо регулярно проводить химический анализ воды, поступающей в ионообменники.

Другие причины проблем в работе ионного обмена включают:

  • Неправильная регенерация, вызванная неправильными потоками, временем или концентрацией реагента. При регенерации ионообменных смол необходимо соблюдать рекомендации производителя.
  • Каналирование, возникающее в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки. Это вызывает преждевременное истощение, даже когда большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
  • Загрязнение или разрушение смолы, вызванное некачественным регенерантом.
  • Неудачное удаление диоксида кремния из смолы, что может быть вызвано низкой температурой регенерирующей щелочи. Это может привести к увеличению утечки кремнезема и сокращению сроков службы.
  • Избыточное количество загрязняющих веществ в смоле из-за предыдущей эксплуатации после истощения. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем может удалить обычная регенерация, после продолжительного обслуживания требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

К типичным механическим проблемам, связанным с системами ионного обмена, относятся:

  • Протекающие клапаны, которые вызывают низкое качество сточных вод и длительные промывки.
  • Сломанный или засоренный распределитель, что приводит к засорению.
  • Потери смолы из-за чрезмерной обратной промывки или выхода из строя дренажного экрана или опорной среды.
  • Катионная смола в анионном блоке, что приводит к увеличению времени промывки и утечке натрия в деминерализованную воду.
  • Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. Инструментарий в зоне деминерализации следует регулярно проверять.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ И РАЗЛОЖЕНИЕ СМОЛЫ

Смола может быть загрязнена загрязнителями, которые препятствуют процессу обмена. На рис. 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение. Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем с течением времени разлагают смолы. Это наиболее распространенная причина загрязнения и деградации ионообменных систем, и она обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может находиться в воде в виде неорганической соли двухвалентного или двухвалентного железа или в виде секвестрированного органического комплекса. Двухвалентное железо переходит в смолу, а трехвалентное нерастворимо и не растворяется. Трехвалентное железо покрывает катионит, предотвращая обмен. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионит и загрязняет анионит. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в воде некоторых колодцев, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия в результате использования квасцов или алюмината натрия для осветления или смягчения осадков. Алюминиевый флок, если он проходит через фильтры, покрывает смолу в умягчителе на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой либо кислотой, либо щелочью. Обычно алюминий не загрязняет систему деминерализации, поскольку он удаляется из смолы во время обычной регенерации.

Осадки жесткости . Осадки жесткости выносят через фильтр из умягчителя осадков или образуются после фильтрации путем доосаждения. Эти осадки загрязняют смолы, используемые для умягчения цеолита натрия. Их удаляют кислотой.

Сульфаты Осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в сильнокислотной катионной установке, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если в качестве регенеранта используется серная кислота и ее вводят в слишком высокой концентрации или при слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняющего смолу. После образования сульфата кальция его очень трудно растворить; поэтому смола, загрязненная сульфатом кальция, обычно выбрасывается. Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным вымачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария еще менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислотой.

Масляное загрязнение . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к местам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу. Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое загрязнение. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезной закупорке слоя смолы и даже к механическому повреждению из-за чрезмерного перепада давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных блоках представляет собой проблему, следует использовать постоянный поток рециркуляционной воды, чтобы свести к минимуму проблему. Тяжелые условия могут потребовать применения подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Кремнеземное обрастание . Загрязнение диоксидом кремния может происходить в сильноосновных анионных смолах, если температура регенерации слишком низкая, или в слабоосновных смолах, если выходящий каустик из установки SBA, используемый для регенерации слабоосновного элемента, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH в слабоосновной смоле может происходить полимеризация кремнезема. Это также может быть проблемой в исчерпавшей себя сильноосновной анионообменной смоле. Загрязнение кремнеземом удаляется длительным вымачиванием в теплой (120 ° F) каустической соды.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окислители, такие как хлор, разрушают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают поперечные связи дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения атаки катионит начинает терять свою сферическую форму и жесткость, что приводит к его уплотнению во время эксплуатации. Это уплотнение увеличивает перепад давления на слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора сырой воды анионит не подвергается прямому воздействию, поскольку хлор поглощается катионитом. Однако последующие сильноосновные анионные смолы загрязняются некоторыми продуктами разложения из окисленных катионитов.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом с помощью фильтрации с активированным углем или сульфита натрия. Приблизительно 1,8 промилле сульфита натрия требуется для потребления 1 промилле хлора.

Насыщенная кислородом вода, такая как вода после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение мест сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Это также ускоряет деградацию из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическая деградация происходит, если анионит перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100°F, и сильноосновных анионных смол типа II, которые имеют температурный предел 105°F в форме гидроксида.

Органическое загрязнение

Органическое загрязнение является наиболее распространенной и дорогостоящей формой загрязнения и разрушения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживаются только низкие уровни органических материалов. Однако поверхностные воды могут содержать сотни частей на миллион природных и искусственных органических веществ. Природные органические вещества получают из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплексы с тяжелыми металлами, такими как железо. Эти загрязняющие вещества включают дубильные вещества, дубильные кислоты, гуминовые кислоты и фульвокислоты.

Изначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Эта блокировка приводит к длительному заключительному полосканию и снижает способность к расщеплению соли. По мере того, как загрязнитель продолжает оставаться на смоле, он начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы расщеплять соли. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую базу и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения обладает высокой общей емкостью, но пониженной способностью к расщеплению солей. На этом этапе очистка смолы еще может вернуть часть, но не всю утраченную работоспособность. Потеря способности расщеплять соли снижает способность смолы удалять диоксид кремния и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионита свидетельствует цвет стока из анионита во время регенерации, который варьируется от цвета чая до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую электропроводность и более низкий рН.

Профилактика . Следующие методы используются по отдельности или в комбинации для уменьшения органического загрязнения:

  • Предварительное хлорирование и осветление. Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью добавки для удаления органических веществ.
  • Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность по удалению органических материалов и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
  • Макропористая смола на слабой основе опережает смолу на сильной основе. Слабое основание или макропористая смола поглощают органический материал и вымываются во время регенерации.
  • Специальные смолы. Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам программа регулярного осмотра и очистки ионообменной системы помогает сохранить срок службы анионита. В большинстве процедур очистки используется одно из следующих средств:

  • Теплый (120°F) рассол и щелочь. Для улучшения очистки можно добавить мягкие окислители или солюбилизирующие агенты.
  • Кислота соляная. Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
  • Растворы 0,25-0,5% гипохлорита натрия. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно ухудшает качество смолы. Чистка гипохлоритом считается крайней мерой.

Важно очистить смолу, загрязненную органическими веществами, прежде чем произойдет чрезмерная необратимая деградация участков сильного основания. Очистка после необратимой деградации удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает производительность устройства. Необходимо внимательно следить за состоянием смолы, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛЫ

Чтобы отслеживать состояние ионообменной смолы и определять наилучшее время для ее очистки, следует периодически брать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровень загрязняющих веществ и способность проводить требуемый ионообмен. обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Таким образом, образцы должны быть собраны на разных уровнях в пределах слоя, или для получения «кернового» образца следует использовать поглотитель зерна или полую трубу. Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенерата, а также отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, растрескивания или поломки шариков. Также необходимо проверить физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Следует определить уровень органических и неорганических загрязнений в смоле и сравнить с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы. Наконец, следует измерить расщепление соли и общую емкость образцов анионита, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рис.

8-1. Микроскопический вид шариков ячеистой смолы (20-50 меш) сильнокислотного катионообменника сульфированного стирола-дивинилбензола. (Предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Рис. 8-2. Микроскопический вид макропористой сильноосновной анионита. (С разрешения Dow Chemical Company.)

Рис. 8-3. Химическая структурная формула сульфосильнокислотного катионита (Амберлит IR-120), (XL): поперечная связь; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Рис. 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (Предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Рис. 8-5. Типичный профиль сточных вод умягчителя на основе цеолита натрия.

Рис. 8-6. Смягчитель на основе цеолита натрия. (Любезно предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Рис. 8-7. Комбинированная система умягчения горячей известью/горячим цеолитом. (Предоставлено Отделом водоподготовки Envirex, Inc.

)

Рис. 8-8. Типичный профиль сточных вод для сильнокислотного катионита.

Рис. 8-9. Профиль проводимости/кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Рис. 8-10. Разделительный умягчитель потока на основе цеолита натрия/цеолита водорода.

Рис. 8-11. Катионный профиль противотока, показывающий метод блокировки двойного потока кислоты.

Рис. 8-12. Важные шаги в последовательности регенерации теплообменника смешанного действия.

Рис. 8-13. Системы деминерализации.

Рис. 8-14. Средство для полировки конденсата в виде порошка смолы. (Предоставлено Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Рис. 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких циклов в системе деминерализации с двумя слоями.

Рис. 8-16. Диаграмма причин и следствий плохого качества сточных вод в системе деминерализации с двумя слоями.

Рис.

8-17. Загрязненная железом смола.

Рис. 8-18. Анионит загрязнен органическим материалом.

Рис. 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Что такое смола ионного обмена и как он работает?

Хотя многие из нас слышали об ионообменных (IX) смолах, немногие из нас имеют представление о том, как на самом деле работает эта технология. Если вы взвешиваете потенциальные стратегии лечения, ищете способы максимально эффективно использовать существующие смолы IX или просто интересуетесь химией IX, вы можете спросить «Что такое ионообменная смола и как она работает?»

Независимо от ваших целей, эта статья поможет вам принять более взвешенное решение в отношении правильных стратегий водоподготовки для вашего предприятия, помогая вам лучше понять технологию смолы IX и то, как она служит различным потребностям водоподготовки и разделения.

Что такое ионообменные смолы?

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой растворенные ионы удаляются из раствора и замещаются другими ионами с таким же или подобным электрическим зарядом. Не химический реагент сам по себе, 9Вместо этого смола 0133 IX представляет собой физическую среду, которая способствует реакциям ионного обмена . Сама смола состоит из органических полимеров, образующих сеть углеводородов. По всей полимерной матрице расположены центры ионного обмена, где так называемые «функциональные группы» либо положительно заряженных ионов (катионы), либо отрицательно заряженных ионов (анионов) присоединены к полимерной сетке. Эти функциональные группы легко притягивают ионы противоположного заряда.

Каковы физические свойства смол IX?

Геометрическая форма, размер и структура смол IX могут варьироваться от одного типа к другому. В большинстве систем обмена IX используется слой смолы, состоящий из крошечных пористых микрогранул, хотя в некоторых системах, например, используемых для электродиализа, используется сетчатая смола в виде листа. Бусины смолы IX обычно маленькие и сферические, с радиусом всего от 0,25 до 1,25 миллиметра. В зависимости от применения и конструкции системы гранулы смолы могут иметь одинаковый размер частиц или распределение по размерам по Гауссу. В большинстве приложений используются шарики гелевой смолы, которые имеют полупрозрачный вид и обладают высокой емкостью и химической эффективностью. Макропористые смолы, узнаваемые по их непрозрачному белому или желтому цвету, обычно предназначены для сложных условий, поскольку они обладают сравнительно большей стабильностью и химической стойкостью.

Из чего состоят смолы IX?

Матрица смолы IX образуется путем сшивания углеводородных цепей друг с другом в процессе, называемом полимеризацией. Сшивание придает полимеру смолы более прочную, более эластичную структуру и большую емкость (по объему). Хотя химический состав большинства смол IX представляет собой полистирол, некоторые типы изготавливаются из акрила (либо акрилонитрила, либо метилакрилата). Затем полимерная смола подвергается одной или нескольким химическим обработкам для связывания функциональных групп с центрами ионного обмена, расположенными по всей матрице. Именно эти функциональные группы придают смоле IX ее способность к разделению, и они будут значительно различаться от одного типа смолы к другому. Наиболее распространенные композиции включают в себя:

  • Сильнокислотные катионообменные смолы (SAC). Смолы SAC состоят из полистирольной матрицы с сульфонатной (SO 3 ) функциональной группой, которая либо заряжена ионами натрия (Na 2+ ) для применения в целях смягчения, либо ионами водорода (H + ) для обессоливания
  • Слабокислотные катионообменные смолы (WAC). Смолы WAC состоят из акрилового полимера, гидролизованного либо серной кислотой, либо каустической содой с образованием функциональных групп карбоновой кислоты. Из-за их высокого сродства к ионам водорода (H + ), смолы WAC обычно используются для селективного удаления катионов, связанных с щелочностью.
  • Сильноосновные анионообменные смолы (SBA). Смолы SBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию и аминированию для фиксации анионов в центрах обмена. Смолы SBA типа 1 получают путем применения триметиламина, который дает ионы хлорида (Cl ), тогда как смолы SBA типа 2 получают с применением диметилэтаноламина, который дает ионы гидроксида (OH ).
  • Слабоосновные анионообменные смолы (WBA). Смолы WBA обычно состоят из полистирольной матрицы, подвергнутой хлорметилированию с последующим аминированием диметиламином. Смолы WBA уникальны тем, что не содержат способных к обмену ионов и поэтому используются в качестве поглотителей кислот для удаления анионов, связанных с сильными минеральными кислотами.
  • Хелатирующие смолы. Хелатообразующие смолы являются наиболее распространенным типом специальных смол и используются для селективного удаления определенных металлов и других веществ. В большинстве случаев матрица смолы состоит из полистирола, хотя для функциональных групп используются различные вещества, в том числе тиол, триэтиламмоний, аминофосфоновая кислота и многие другие.

Как работает ионообменная смола?

Чтобы полностью понять, как работают смолы IX, важно сначала понять принципы реакции ионного обмена. Проще говоря, ионный обмен — это обратимый обмен заряженными частицами — или ионами — с частицами с таким же зарядом. Это происходит, когда ионы, присутствующие в матрице нерастворимой смолы IX, эффективно меняются местами с ионами с аналогичным зарядом, присутствующими в окружающем растворе.

Смола IX действует таким образом благодаря своим функциональным группам, которые представляют собой фиксированные ионы, постоянно связанные с полимерной матрицей смолы. Эти заряженные ионы легко связываются с ионами противоположного заряда, которые доставляются за счет применения раствора противоиона. Эти противоионы будут продолжать связываться с функциональными группами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Во время цикла IX обрабатываемый раствор добавляют в слой смолы IX и пропускают через шарики. Когда раствор проходит через смолу IX, функциональные группы смолы притягивают любые противоионы, присутствующие в растворе. Если функциональные группы имеют большее сродство к новым противоионам, чем уже присутствующие, то ионы в растворе вытеснят существующие ионы и займут их место, связываясь с функциональными группами за счет общего электростатического притяжения. В общем, чем больше размер и/или валентность иона, тем большее сродство он будет иметь с ионами противоположного заряда.

Давайте применим эти концепции к типичной системе умягчения воды IX. В этом примере механизм умягчения состоит из катионообменной смолы, в которой функциональные группы сульфонатного аниона (SO 3 ) закреплены на матрице смолы IX. Затем на смолу наносят раствор противоиона, содержащий катионы натрия (Na + ). Na + удерживаются фиксированными анионами SO 3 за счет электростатического притяжения, что приводит к нейтральному заряду смолы. Во время активного цикла IX поток, содержащий ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ) добавляют в катионообменную смолу. Поскольку функциональные группы SO 3 имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к ионам Na + , ионы жесткости вытесняют ионы Na + , которые затем вытекают из IX блока в составе обработанный поток. Ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ), с другой стороны, удерживаются смолой IX.

Что такое регенерация смолы?

Со временем загрязняющие ионы связываются со всеми доступными местами обмена в смоле IX. Как только смола израсходована, ее необходимо восстановить для дальнейшего использования посредством так называемого цикла регенерации. Во время цикла регенерации реакция IX по существу реверсируется за счет применения концентрированного раствора регенеранта. В зависимости от типа смолы и области применения регенерант может представлять собой раствор соли, кислоты или щелочи. По мере прохождения цикла регенерации смола IX высвобождает загрязняющие ионы, заменяя их ионами, присутствующими в регенерирующем растворе. Загрязняющие ионы будут выходить из системы IX вместе с регенерирующим выходящим потоком, и их необходимо будет надлежащим образом удалить. В большинстве случаев смолу промывают для удаления остатков регенеранта перед следующим активным циклом IX.

Как SAMCO может помочь

SAMCO имеет более чем 40-летний опыт в определении подходящих технологий смол IX, которые помогают снизить затраты и объемы отходов при одновременном повышении качества продукции. Чтобы получить дополнительную информацию или связаться с нами, свяжитесь с нами здесь, чтобы договориться о консультации с инженером или запросить расценки. Мы можем провести вас через этапы разработки правильного решения и реалистичной стоимости для ваших потребностей в системе лечения IX.

Чтобы узнать больше об инновационных решениях SAMCO на основе смолы IX,  посетите нашу страницу о технологиях ионообменных смол здесь.

Если вы хотите узнать больше об ионообменных смолах, вам могут быть интересны следующие статьи:

  • Сколько стоит покупка, обслуживание и утилизация ионообменных смол?
  • Общие проблемы с ионообменными смолами и как их избежать
  • Каковы наилучшие (и самые дешевые) способы утилизации ионообменных смол?
  • В чем разница между катионообменными и анионообменными смолами?
  • Какие существуют типы ионообменных смол и для каких целей они служат?
  • Что нужно знать о регенерации ионообменной смолы
  • Каковы лучшие компании по производству и поставке ионообменных смол?

Ионообменные смолы и процессы для промышленной очистки воды

Об авторе: Уэйн Бернал является президентом W. Bernahl Enterprises, Ltd. Он работает на рынке промышленной очистки воды 37 лет. Большую часть этого времени занимала должность технического маркетолога и консультанта, связанная с ионным обменом и обратным осмосом.

Wayne E. Bernahl, W. Bernahl Enterprises, Ltd.

undefined Давайте более подробно рассмотрим технологию и работу ионообменных смол и процессы, используемые сегодня в промышленных системах очистки воды.

Рынок промышленной водоподготовки чрезвычайно широк как по размеру, так и по охвату и может иметь разное значение для разных людей. Некоторым слово «промышленный» может напомнить крупные бумажные фабрики, нефтеперерабатывающие заводы, электростанции, нефтехимические заводы или сталелитейные заводы. Другим на ум могут прийти образы текстильных фабрик, автомобильных сборок или заводов по переработке пищевых продуктов. Фармацевтика, полупроводники и огромное количество заводов по производству легкой техники — все они подходят под зонтик промышленного рынка.

Каждое из предприятий, подпадающих под промышленный зонтик, уникально, когда речь идет о таких вещах, как экономические факторы бизнеса или количество и качество очищенной воды, необходимые для производства и эксплуатации предприятия. Местоположение завода и источник сырой воды будут определять качество сырой воды и его изменчивость. Расположение также влияет на требования к очистке сточных вод и другие правила. Все эти факторы необходимо учитывать при выборе процесса ионного обмена для конкретного применения в промышленной очистке воды.

Другие факторы также важны на рынке промышленной очистки воды. Большинство промышленных предприятий сократили количество своих сотрудников. Это означает, что многие операторы, несущие ответственность за обслуживание оборудования для очистки воды, также имеют множество задач и обязанностей в других областях предприятия. Это сокращает время, необходимое для обслуживания и эксплуатации системы очистки воды. Кроме того, менеджеры и супервайзеры часто могут быть молодыми и менее опытными в современной бизнес-среде. Эти факторы привели к потребности в более высоких уровнях автоматизации управления оборудованием для очистки воды и повышенному спросу на услуги, связанные с системой ионного обмена. Экономические и бухгалтерские факторы увеличили спрос на тотальный аутсорсинг (контракты на строительство/владение/эксплуатацию). Эти факторы расширили деловые возможности для поставщиков систем и услуг по очистке воды.

В то время как возможности будут варьироваться в зависимости от конкретного местоположения, одно можно сказать наверняка: успешные поставщики для промышленных объектов будут вынуждены быть очень хорошо осведомлены во всех аспектах очистки промышленной воды и водоподготовки, поскольку это связано с конкретными промышленными объектами и приложениями. в пределах их рабочего региона. Им потребуется хорошо обученный и надежный персонал. Они также должны иметь хорошие общие знания, как технические, так и экономические, об отраслях, которые они намереваются обслуживать. Услуга должна быть одним из их продуктовых предложений и должна быть определена с точки зрения конкретного клиента. Часто региональные поставщики могут быть очень конкурентоспособны с крупными мировыми поставщиками, особенно в области предложения непрерывного и постоянного обслуживания системы очистки воды. Эта услуга может включать осмотр, ремонт, модернизацию системы, очистку смолы, замену смолы, утилизацию отработанной смолы или полную регенерацию. Имея это в виду, давайте подробнее рассмотрим технологию и работу ионообменных смол и процессы, используемые сегодня в промышленных системах очистки воды.

Ионообменные смолы

Существует четыре основных класса смол, используемых в промышленной очистке воды: катион сильной кислоты, катион слабой кислоты, анион сильного основания и анион слабого основания. Каждый из этих основных классов смол имеет несколько физических или химических вариаций внутри класса. Вариации придают смоле различные эксплуатационные свойства. Хороший разработчик системы ионного обмена не только спроектирует систему в соответствии со всеми проектными спецификациями, но также будет использовать смолы, которые позволят системе работать с максимальной эффективностью и максимальной рентабельностью.

Структура смолы

Современные синтетические ионообменные смолы, которые в настоящее время используются для очистки воды, были разработаны и усовершенствованы во время Второй мировой войны. Большинство смол, используемых сегодня, имеют структуру гранул сополимера стирола и дивинилбензола. Эта структура придает гранулам ионообменной смолы определенные физические свойства. Другой важной структурой шариков смолы для смол для обработки воды является структура акриловой смолы. Эксплуатационные свойства акриловых смол отличаются от свойств эквивалентной стирол-дивинилбензольной смолы. Нельзя сказать, какая структура смолы «лучше», не зная конкретных условий эксплуатации. «Лучшей» смолой будет та, эксплуатационные свойства которой наилучшим образом соответствуют рабочим параметрам объекта, что обеспечивает максимальную эффективность работы и рентабельность.

Другое различие в структуре смолы – это различие между гелем и макропористыми смолами. Гелевые смолы являются наиболее широко используемыми смолами в Соединенных Штатах. При анализе образцов ионообменной смолы, отправленных на анализ в крупную лабораторию1, только приблизительно 2 процента были образцами макропористых смол. Гелевые смолы в целом можно охарактеризовать как имеющие меньшие поры в структуре смолы, более высокую начальную обменную способность и более низкую цену покупки, чем макропористые смолы того же типа. Макропористые смолы обычно рассматриваются из-за их способности легче элюировать загрязняющие вещества из-за более крупной структуры пор, и они часто могут лучше выдерживать более суровые условия эксплуатации.

Недавней разработкой в ​​области структуры смол стало появление смол с однородным размером частиц (UPS). В процессе производства смолы ранее шарики смолы изготавливались от маленьких до больших по гауссовой схеме распределения (колоколообразная кривая). Сегодня несколько производителей усовершенствовали производственные процессы, которые позволяют формировать гранулы смолы практически одного размера. Это обеспечивает несколько уникальных рабочих характеристик смолы и позволяет производителям предлагать смолы, лучше подходящие для данного применения. В целом, что касается деминерализации и умягчения, смолы UPS смываются меньшим количеством воды, обратная промывка

с меньшим потреблением воды и более низкими перепадами давления для заданной глубины слоя. Однако, если система не находится под пристальным наблюдением и контролем, эти преимущества могут остаться незамеченными и, следовательно, не могут быть использованы должным образом. Там, где системы, предназначенные для домашнего или коммерческого рынка, могут не иметь элементов управления или устройств контроля, необходимых для использования всех преимуществ смол ИБП, промышленные системы должны быть сконструированы с системами управления и контроля, которые позволяют пользователям использовать преимущества таких смол.

Сильнокислотные катиониты

Сильнокислотные катиониты (SAC), вероятно, являются наиболее распространенными смолами, используемыми сегодня. Они используются для умягчения и деминерализации. При умягчении смола используется в натриевой форме (регенерируется солью), а при деминерализации смола используется в водородной форме (регенерируется кислотой). Смолы SAC также можно использовать в процессе удаления щелочи с разделенным потоком. Смолы SAC можно приобрести с разным процентом сшивки. Обычная смола SAC сшита на 8 процентов. Однако смолы SAC доступны как с более высоким, так и с более низким уровнем сшивки. Часто 10-процентная сшитая смола используется в тех случаях, когда поступающая вода имеет более высокий уровень хлора или повышенную температуру воды. Хлор, а также кислород при повышенных температурах разрушают сшивку смолы. Наличие более высокого начального уровня сшивки часто обеспечивает более длительный срок полезного использования смолы. Смолы SAC с менее чем 8-процентной сшивкой могут использоваться для полировки конденсата коммунальных электростанций, где, как сообщается, они отлично справляются с удалением продуктов коррозии (шлама) из конденсата коммунальных предприятий.

Слабокислотные катиониты

Слабокислотные катиониты (WAC) могут использоваться в системах деминерализации и удаления щелочи. Они очень эффективны в сочетании с правильным химическим составом поступающей воды. В исследовании, упомянутом ранее, только 2,6 процента образцов, представленных для анализа, представляли собой смолы WAC, и из них 63 процента были получены из мест за пределами Соединенных Штатов. Поскольку многие источники воды в Соединенных Штатах имеют высокую жесткость и щелочность, эти цифры могут указывать на то, что разработчики систем в Соединенных Штатах в значительной степени игнорируют использование смол WAC. Разработчики промышленных систем очистки воды могут захотеть чаще использовать смолы WAC, чтобы улучшить производительность системы и снизить эксплуатационные расходы.

Смолы SAC удаляют все катионы, которые крепче удерживаются на смоле, чем используемый регенерирующий ион. Смолы WAC удаляют только катионы, связанные со щелочностью. В то время как смолы WAC могут удалять одновалентные ионы, такие как натрий, связанный с гидроксидной щелочностью, в большинстве применений для очистки воды они используются для удаления двухвалентных ионов, таких как кальций, связанный с карбонатной щелочностью. Когда отношение жесткости воды к щелочности составляет 1:1 или выше, они работают очень эффективно с очень высокой производительностью до 50 кг/куб. фут, а также эффективно регенерируются с использованием регенеранта только при приблизительно 110 процентах стехиометрии. Они настолько эффективны, что их часто регенерируют с отработанным регенерантом из резервуара SAC в приложениях деминерализации. Сравните это с рабочей мощностью SAC около 20-25 кг/фут3 и использованием регенерации около 250-300 процентов от стехиометрии.

Сильноосновные анионные смолы

Сильноосновные анионные смолы (SBA) используются в процессах ионообменной деминерализации. Они также используются для удаления щелочи, обескремнивания и улавливания органических веществ. Существует два типа смол SBA. Смолы SBA типа I используются там, где низкий уровень утечки кремнезема является важным эксплуатационным критерием, или в более теплом климате, где температура исходной воды может быть довольно высокой в ​​течение значительной части года. Они работают с повышенной эффективностью, когда для регенерации слоя смолы используется теплая щелочь (при 120ºF).

Смолы типа II SBA имеют обменный центр, который химически слабее, чем смолы типа I. Следовательно, они должны быть регенерированы при более низких температурах (95ºF) и обычно не используются в климате, где большую часть года наблюдается теплая вода. Однако смолы SBA типа II обладают преимуществом более высокой начальной обменной емкости. Они могут быть предпочтительными смолами в тех случаях, когда регенерирующий реагент не нагревается, или где низкий уровень содержания кремнезема не является критической рабочей характеристикой. Смолы SBA типа II также являются предпочтительными смолами для удаления щелочи с помощью регенерации солей.

Слабоосновные анионные смолы

Слабоосновные анионные смолы (WBA) на самом деле являются поглотителями кислот в такой же степени, как и ионообменными смолами. Они удаляют только анионы сильных минеральных кислот (сульфатов, хлоридов и нитратов). Они пропускают ионы карбоната/бикарбоната и кремнезема. Следовательно, их нельзя использовать для производства деминерализованной воды без слоя смолы SBA, следующего за слоем для удаления карбоната/бикарбоната и диоксида кремния. Преимуществом использования смолы WBA является ее эффективность. Он полностью регенерируется, используя только около 120 процентов стехиометрии. Как и их аналоги WAC, смолы WBA можно регенерировать с использованием отработанного каустика из слоя смолы SBA, что делает их использование очень эффективным, особенно при использовании в воде с высоким процентом содержания анионов из сульфатов, хлоридов или нитратов.

Смолы WBA могут различаться по рабочим характеристикам. У многих есть начальная мощная базовая функциональность. Существует также несколько гибридных смол, которые по своему дизайну сочетают в себе функциональность сильного и слабого основания. Многие смолы WBA также можно использовать для удаления органических веществ из воды до того, как они достигнут и загрязнят смолу SBA. Органические вещества лучше удаляются из смол WBA в процессе регенерации. При выборе смолы WBA для конкретного применения часто лучше проконсультироваться с производителями смолы для получения рекомендаций по выбору.

Как вы можете заметить, существует широкий спектр различных ионообменных смол, доступных для промышленного ионообмена. Основные исходные данные для проектных решений будут основываться на анализе сырой воды и спецификациях количества и качества готовой воды. По мере того, как системы становятся больше, все более важными факторами при проектировании становятся соображения эффективности эксплуатационных затрат, минимизации отходов, контрольно-измерительных приборов и автоматизации, ожидаемого срока службы системы ионного обмена и даже корпоративной культуры конечного пользователя. Большинство производителей смол предлагают компьютеризированные программы проектирования, которые помогают проектировать системы с использованием их смол. Программы помогают выбрать проекты систем, которые являются технически эффективными и экономичными. Однако компьютерные программы не всегда совершенны. Кто-то со знаниями и опытом эксплуатации всегда должен просматривать результаты, полученные с помощью компьютерных программ проектирования.

Учитывая большое количество типов смол, доступных на рынке, вполне вероятно, что существует более одного технически эффективного решения, которое будет соответствовать всем конструктивным требованиям системы. Именно здесь требуются опыт и знания, чтобы помочь выбрать конструкцию системы, которая будет выполнять работу, ожидаемую заказчиком, в условиях, существующих на объекте заказчика. Этот опыт будет включать в себя полное знание всех доступных типов смол, а также их различных преимуществ и недостатков, чтобы их можно было применять в ионообменных системах, которые являются технически надежными и экономически эффективными. Надежная конструкция оборудования, эффективное использование доступных смол и легкодоступные услуги, отвечающие всем ожиданиям промышленного потребителя, приведут к взаимовыгодным долгосрочным отношениям с клиентами, которые принесут пользу как поставщику, так и покупателю.

Ионный обмен | SSWM — Найдите инструменты для устойчивой санитарии и управления водными ресурсами!

24 мая 2019 г.

Автор/составитель:

Фелисьен Мазилль (Aquasis, cewas, международный центр услуг по управлению водными ресурсами)

Дороти Шпулер (seecon international gmbh)

Резюме

Ионный обмен – это метод очистки воды, при котором одно или несколько нежелательных ионных загрязнителей удаляются из воды путем обмена на другое приемлемое или менее нежелательное ионное вещество. И загрязняющее вещество, и обмениваемое вещество должны быть растворены и иметь одинаковый тип электрического заряда (положительный или отрицательный). Типичным примером ионного обмена является процесс под названием «умягчение воды», направленный на снижение содержания кальция и магния. Тем не менее, ионный обмен также эффективен при удалении токсичных металлов из воды.

Преимущества

Одна из наиболее подходящих технологий для эффективного удаления растворенных неорганических ионов

Возможность регенерации смолы

Относительно недорогие начальные капиталовложения

Недостатки

Неэффективно удаляет бактерии

3

Процесс регенерации ионообменных залежей сброса соленой воды в окружающую среду (регенерация)

В Выход

Пресная вода, очищенная вода

Очищенная вода

Введение

Информационный бюллетень Block Body

В 1850 году Томас и Уэй провели одно из первых научных исследований, которое показало существование процесса ионного обмена. В их эксперименте через почву пропускали раствор сульфата аммония. Собранный фильтрат состоял из сульфата кальция вместо сульфата аммония (KELLER 2005). Важность этого открытия (с точки зрения ионного обмена) не была полностью понята до конца того же десятилетия, когда было обнаружено, что эта реакция обратима. Затем ионный обмен использовался в первую очередь для смягчения воды.

Присутствие в воде кальция и/или магния приводит к тому, что вода считается «жесткой». Ионы кальция и магния в воде реагируют с теплом, металлической сантехникой и химическими веществами, такими как моющие средства, что снижает эффективность почти любой задачи по очистке. Жесткую воду можно смягчить с помощью процесса умягчения ионным обменом (SKIPTON 2008).

Ионообменные процессы могут также удалять из воды различные заряженные атомы или молекулы (ионы), такие как нитраты, фториды, сульфаты, перхлораты, ионы железа и марганца, а также токсичные металлы (радий, уран, хром и т.д.).

Наиболее типичным применением ионного обмена является подготовка воды высокой чистоты для промышленных целей, умягчение воды, извлечение или удаление металлов в химической промышленности.

Ионообменные смолы

Информационный бюллетень Block Body

(адаптировано из NEUMANN и FATULA 2009)

Синтетические и промышленно производимые ионообменные смолы состоят из мелких микропористых шариков, нерастворимых в воде и органических растворителях. Наиболее широко используемыми базовыми материалами являются полистирол и полиакрилат. Диаметр шариков находится в диапазоне от 0,3 до 1,3 мм. Гранулы состоят примерно на 50% из воды, которая диспергирована в гелеобразных частях материала.

Ионообменные смолы содержат много мелких пор, которые заполняются водой. Источник: NEUMANN and FATULA (2009)

 

Поскольку вода равномерно распределена по всему шарику, водорастворимые материалы могут свободно перемещаться внутрь и наружу. К каждому из мономерных звеньев полимера присоединены так называемые «функциональные группы». Эти функциональные группы могут взаимодействовать с водорастворимыми частицами, особенно с ионами. Ионы бывают либо положительно заряженными (катионы), либо отрицательно заряженными (анионы). Поскольку функциональные группы также заряжены, взаимодействие между ионами и функциональными группами проявляется через электростатические силы. Положительно заряженные функциональные группы взаимодействуют с анионами, а отрицательно заряженные функциональные группы взаимодействуют с катионами.

Сила связывания между функциональной группой и присоединенным ионом относительно слабая. Обмен может быть обращен другим ионом, проходящим через функциональную группу. Этот процесс может непрерывно повторяться, когда одна реакция обмена следует за другой.

Неподвижный и подвижный ион меняются местами в так называемой реакции ионного обмена. Источник: NEUMANN и FATULA (2009 г.)

Ионообменный процесс

Информационный бюллетень Корпус блока

(Адаптировано из SKIPTON 2008)

Основным компонентом ионообменного оборудования является микропористая смола, которая перенасыщена слабоудерживаемым раствором. Для умягчения воды это обычно делается с помощью слоев сульфированного полистирола, которые перенасыщены натрием, чтобы покрыть поверхность слоя. Когда вода проходит через этот слой смолы, ионы прикрепляются к шарикам смолы, высвобождая слабо удерживаемый раствор в воду.

Через некоторое время слои насыщаются, и обменную смолу необходимо регенерировать или перезаряжать. Для регенерации ионообменную смолу промывают соляным раствором. Ионы натрия в солевом растворе заменяются ионами, которые смываются сточными водами.

Процесс умягчения и подпитки воды. Источник: SKIPTON (2008)

Эксплуатация и обслуживание

Информационный бюллетень Корпус блока

(Адаптировано из SKIPTON 2008)

Техническое обслуживание оборудования для умягчения воды в некоторой степени зависит от типа умягчителя. Обычно требуется определенная степень мониторинга или управления процессом регенерации. Адекватная обратная промывка слоя смолы важна для обеспечения регенерации устройства. Однако при регенерации образуются сточные воды.

Расходы

Информационный бюллетень Корпус блока

Стоимость ионообменных систем сильно варьируется в зависимости от масштаба и региона. Кроме того, затраты зависят от требований к предварительной обработке, требований к сбросу и утилизации.

Аспекты здоровья

Информационный бюллетень Block Body

Люди, соблюдающие диету с ограничением натрия по состоянию здоровья, должны учитывать повышенное потребление через умягченную воду. Часто можно избежать питья и приготовления пищи на умягченной воде, если к кухонному крану подведена линия холодной воды, которая минует устройство для смягчения воды. Это обеспечивает жесткую воду для питья, приготовления пищи и других целей. Не рекомендуется повторно использовать умягченную воду для растений, газонов или садов из-за содержания натрия.

С одного взгляда

Информационный бюллетень Корпус блока

Принцип работы Нежелательные ионные загрязнители удаляются из воды путем замены на другое приемлемое или менее нежелательное ионное вещество.
Мощность/достаточность Относительно простая технология.
Производительность Эффективная технология удаления ионных веществ из воды и смягчения воды.
Затраты Относительно низкие затраты.
Совместимость с самопомощью Мониторинг необходим для управления процессом регенерации.
O&M Ионообменная смола должна регулярно регенерироваться.
Надежность Надежность при правильной регенерации ионообменной смолы.
Основная сила Эффективно удаляет растворенные неорганические вещества.
Основная слабость Не удалять частицы или бактерии.

Применимость

Наиболее распространенными областями применения ионообменников являются умягчение воды (удаление ионов кальция и магния), деминерализация воды (удаление всех ионов) и дещелочная обработка (удаление бикарбонатов). Катионообменные смолы также могут удалять из воды большинство положительно заряженных ионов, таких как железо, свинец, радий, барий, алюминий и медь. Анионообменные единицы могут удалять нитраты, сульфаты и другие отрицательно заряженные атомы (называемые анионами). Исследователи разрабатывают смолы для селективного удаления нитратов более эффективно, чем это возможно в настоящее время. Ионообменники также используются для удаления или извлечения ионов металлов из сточных вод в химической промышленности. Некоторые загрязнители (такие как мышьяк, фторид, ионы лития) трудно удалить с помощью ионного обмена из-за плохой селективности смол.

Ионообменники также используются для удаления или извлечения ионов металлов из сточных вод в химической промышленности. Некоторые загрязнители (такие как мышьяк, фторид, ионы лития) трудно удалить с помощью ионного обмена из-за плохой селективности смол.

Ссылки на библиотеку

Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях Часть 1

В этой серии статей предлагается общий обзор многих аспектов, связанных с ионным обменом для очистки воды в жилых помещениях. Среди прочего, рассматриваются исторические аспекты, производственный процесс, процесс умягчения, технические аспекты, применение для удаления ионов токсичных металлов.

КЕЛЛЕР, М.К. (2005): Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях. Часть 1. В: Кондиционирование и очистка воды: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Принципы ионного обмена при очистке сточных вод

NEUMANN, S. ; ФАТУЛА, П. (2009): Принципы ионного обмена при очистке сточных вод. В: Азиатская вода. Техно Фокус: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Очистка питьевой воды: умягчение воды (ионный обмен)

SKIPTON, S.O. ; ДВОРАК, Б.И. ; НИМЕЙЕР, М.Н. (2008): Очистка питьевой воды: смягчение воды (ионный обмен). В: Университет Небраски в Линкольне: URL-адрес [Дата обращения: 27.02.2012]

Дополнительная литература

Интегрированный процесс ионообменной регенерации перхлоратов в питьевой воде

В этом отчете описывается оценка интегрированного ионообменного процесса регенерации перхлоратов в питьевой воде. Интегрированный ионный обмен сочетает в себе: обычный ионный обмен с перхлорат-селективной смолой для очистки воды, загрязненной перхлоратами, регенерацию смолы с использованием аниона тетрахлорферрата (FeCl4-) и последующее возвращение смолы в эксплуатацию, а также разрушение или утилизацию перхлората, извлеченного из смолы.

Минобороны ; SERDP ; ESTCP (2010): Интегрированный процесс ионообменной регенерации перхлората в питьевой воде. Александрия (США): Министерство обороны США (DoD), Программа стратегических экологических исследований и разработок (SERDP), Программа сертификации технологий экологической безопасности (ESTCP) URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях Часть 1

В этой серии статей предлагается общий обзор многих аспектов, связанных с ионным обменом для очистки воды в жилых помещениях. Среди прочего, рассматриваются исторические аспекты, производственный процесс, процесс умягчения, технические аспекты, применение для удаления ионов токсичных металлов.

КЕЛЛЕР, М.К. (2005): Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях. Часть 1. В: Кондиционирование и очистка воды: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях Часть 2

В этой серии статей предлагается общий обзор многих аспектов, связанных с ионным обменом для очистки воды в жилых помещениях. Среди прочего, рассматриваются исторические аспекты, производственный процесс, процесс умягчения, технические аспекты, применение для удаления ионов токсичных металлов.

КЕЛЛЕР, М.К. (2005): Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях. Часть 2. В: Кондиционирование и очистка воды: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Основной ионообменник для очистки воды в жилых помещениях, часть 3

Эта серия статей предлагает общий обзор многих аспектов, связанных с ионным обменом для очистки воды в жилых помещениях. Среди прочего, рассматриваются исторические аспекты, производственный процесс, процесс умягчения, технические аспекты, применение для удаления ионов токсичных металлов.

КЕЛЛЕР, М.К. (2005): Основной ионный обмен для очистки воды в жилых помещениях. Часть 3. В кн.: Водоподготовка и очистка. [Дата обращения: 27.02.2012]: PDF

Процесс ионного обмена

В этом обзоре технологий ионного обмена особое внимание уделяется ионообменным материалам и процессам.

НАЛКО (1998): Ионообменный процесс. In: Очистка воды онлайн: URL-адрес [Дата обращения: 24.02.2019]

Магнитно-ионный обмен: есть ли потенциал для международного развития

Магнитно-ионный обмен (MIEX) представляет собой ионообменную смолу, разработанную в качестве добавки к существующим водоочистным сооружениям, где необходимо удалить дополнительные органические вещества. Меньший размер, магнитные свойства и простая регенерация с использованием NaCl отличают MIEX от обычных ионообменных смол. Его использование в международных приложениях для разработки исследуется в этой обзорной статье.

НИЛ, П.А. ; ШАФЕР, А. И. (2010): Магнитно-ионный обмен: есть ли потенциал для международного развития. В: Опреснение: Том 251 , 160-168. URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Ионообменная обработка питьевой воды

В этом информационном бюллетене обобщаются аспекты, связанные с ионным обменом для смягчения воды с акцентом на сокращение использования соли.

NHDES (2009): Ионообменная очистка питьевой воды. Нью-Гемпшир: Департамент экологических услуг Нью-Гэмпшира (NHDES) URL-адрес [Дата обращения: 27. 02.2012]

Тематические исследования

Ионообменная смола для удаления шестивалентного хрома из подземных вод на очистном сооружении С: данные о емкости удаления, эффективности регенерации и эксплуатации

Это исследование посвящено удалению хрома из подземных вод с помощью ионообменной смолы.

БАХОВИК, С. ; Доби, Д. ; КУМАМОТО, Г. (1993): Ионообменная смола для удаления шестивалентного хрома из подземных вод на очистном сооружении С: данные по способности удаления, эффективности регенерации и эксплуатации. В: Отдел восстановления окружающей среды, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. [Дата обращения: 27.02.2012]: PDF

В Западной Австралии будет установлена ​​первая в мире установка по очистке воды с помощью магнитного ионного обмена (MIEX)

В этой статье впервые описывается использование магнитно-ионного обмена для улучшения процесса очистки на установке по очистке подземных вод Ваннеру (Австралия).

КАДИ, К. ; О’ЛИРИ, Б. ; СМИТ, П. ; СЛУНЬСКИЙ, М. ; БУРК, М. (2000): Первая в мире установка по очистке воды с использованием магнитно-ионного обмена (MIEX) будет установлена ​​в Западной Австралии. В: miexresin.com: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Учебный материал

Ионный обмен

В этой презентации описываются различные аспекты технологии ионного обмена, такие как физический процесс, применение и теория.

АРМЕНАНТЕ, П.М. (н.у.): Ионный обмен. В: Технологический институт Нью-Джерси. [Дата обращения: 27.02.2012]: PDF

Руководство по выбору ионообменной смолы или обратного осмоса для обессоливания питательной воды

Технологии как обратного осмоса, так и ионного обмена хорошо зарекомендовали себя и достигли продвинутого уровня развития. Таким образом, можно надежно сравнить два процесса деминерализации воды и сравнить затраты в каждом конкретном случае. В этом документе рассматриваются важные факторы, которые следует учитывать при сравнении, и даются рекомендации по принятию решений.

ПЮРОЛИТ ИНТЕРНЕШНЛ (2003): Руководство по выбору ионообменной смолы или обратного осмоса для обессоливания питательной воды. В: Purolite.com: URL-адрес [Дата обращения: 24.05.2019]

Альтернативные версии

Процесс ионного обмена и его промышленное применение

Одним из наиболее эффективных способов очистки воды от загрязнений является процесс ионного обмена. Ионный обмен включает в себя удаление определенных загрязняющих веществ из воды путем замены загрязнителя ионным веществом, которое значительно безопаснее . Обмениваемое вещество и загрязнитель должны состоять из одного и того же электрического заряда и должны растворяться в воде, чтобы процесс работал должным образом.
Пример процесса ионного обмена включает другой процесс, известный как умягчение воды. Целью умягчения воды является эффективное снижение содержания магния и кальция в воде. Однако ионный обмен также может быть использован для удаления токсичных металлов из воды.
Благодаря эффективности метода ионного обмена этот метод очистки воды имеет множество промышленных применений, включая все, от отделки металлов до производства продуктов питания и напитков. В этой статье вы найдете более подробное объяснение процесса ионного обмена и многих промышленных применений, для которых он используется.

Ионообменные промышленные применения

Процесс ионного обмена обычно используется во многих промышленных применениях из-за множества преимуществ, которые дает этот процесс. К основным промышленным применениям ионного обмена относятся:

  • Вода очищенная для энергетики
  • Производство мягкой воды для производства мыла и стиральных порошков
  • Отделка металлов
  • Производство продуктов питания и напитков
  • Производство сахара
  • Фармацевтическая технология
  • Очистка промышленных вод
  • Гидрометаллургия
  • Полупроводниковые приложения
  • Очистка питьевой воды

Одно из стандартных применений ионного обмена включает в себя подготовку воды высокой чистоты, которую можно использовать в атомной, энергетической и электронной промышленности. Неорганические нерастворимые или полимерные ионообменники обычно используются для очистки воды, умягчения воды и обеззараживания воды. Многие бытовые фильтры основаны на процессе ионного обмена и производят мягкую воду. Мягкая вода, полученная из этих фильтров, эффективна при использовании в водонагревателе или в сочетании со стиральным порошком.
Вода может быть смягчена с помощью процесса ионного обмена, когда двухвалентные катионы, такие как магний и кальций, заменяются одновалентными катионами, которые хорошо растворяются. Процесс ионного обмена также регулярно используется для очистки воды для бытовых нужд путем удаления из воды природных органических веществ и нитратов.
Хотя процесс ионного обмена широко используется для очистки воды, он также имеет другие промышленные применения, не обязательно связанные с очисткой воды. Например, ионный обмен необходим для извлечения плутония и урана. С помощью этого процесса можно отделить уран и плутоний от других актинидов, таких как нептуний, америций и торий. Лантаниды также можно отделить друг от друга с помощью процесса ионного обмена.
Можно использовать ионный обмен, чтобы избавиться от жесткости воды, заменив ионы магния и кальция, создающие жесткость, на ионы натрия. Некоторые дополнительные промышленные применения включают:

  • Производство химически упрочненного стекла
  • Декалализация
  • Катионообменная емкость для почвоведения
  • Производство планарных волноводов
  • Геотехническая инженерия и устранение загрязнений

Перед использованием системы очистки воды, оснащенной технологией ионного обмена, обычно проверяют состав воды, чтобы определить, насколько необходима обработка. Хотя для тестирования любого образца воды можно использовать несколько различных типов датчиков, основными датчиками, которые могут помочь вам в этом процессе, являются датчики pH. рН воды может колебаться от 0 до 14. Любое измерение ниже 7,0 считается кислым. Все измерения выше 7,0 считаются щелочными.
Точный состав воды, которую вы ищете, зависит от типа применения, для которого используется вода. Хотя обычно считается, что щелочная вода содержит меньше загрязняющих веществ, чем кислая вода, щелочной раствор может содержать высокие уровни магния и кальция, что может привести к образованию жесткой воды . Этот тип воды может вызвать образование накипи в трубопроводах и другом промышленном оборудовании, поэтому процесс ионного обмена можно использовать для смягчения воды.
С другой стороны, кислая вода обычно возникает, когда в воде присутствуют высокие концентрации загрязнителей, таких как медь и железо. Эти загрязняющие вещества могут быть вредными для здоровья и могут даже вызвать неприятный запах воды. Если вы пытаетесь достичь более нейтрального баланса pH, вам следует сначала проверить воду, чтобы определить текущий уровень pH. Полученные показания могут затем информировать об оставшихся процессах ионного обмена и очистки воды.

Преимущества и недостатки ионного обмена в промышленности

Существует много преимуществ и недостатков использования процесса ионного обмена в промышленности. Понимание этих плюсов и минусов должно помочь вам определить, подходит ли вам этот метод и приложение, для которого вы хотели бы его использовать.

Преимущества ионного обмена

Основные преимущества процесса ионного обмена включают:

  • Может регенерировать использованную смолу
  • Первоначальные инвестиции значительно более доступны, чем другие методы очистки воды
  • Чрезвычайно эффективно удаляет неорганические ионы из воды

Недостатки ионного обмена

Следует также учитывать несколько недостатков, в том числе:

  • Высокие долгосрочные затраты, когда речь идет об эксплуатации ионообменного оборудования
  • Невозможно эффективно удалить бактерии из воды
  • Хотя ионообменные слои можно регенерировать, соленая вода во время этого процесса направляется непосредственно в окружающую среду

Процесс ионного обмена

Для проведения процесса ионного обмена оборудование должно содержать микропористую обменную смолу. Эта смола насыщена раствором, который очень слабо удерживается. Когда процесс используется для умягчения воды, в установку помещают слои сульфированного полистирола. Эти слои насыщаются раствором натрия, который покрывает поверхность слоя. Когда вода проходит через слой смолы, ионы прикрепляются непосредственно к шарикам, что приводит к высвобождению вышеупомянутого раствора в пробу воды.
Со временем слои будут насыщаться загрязняющими веществами, и тогда ионообменную смолу необходимо будет перезарядить или регенерировать. Для завершения процесса регенерации важно, чтобы для промывки ионообменной смолы использовался соляной раствор. Соляной раствор состоит из ионов натрия. Эти ионы заменят загрязнители, покрывающие слой смолы, после чего загрязнители будут вымыты со всеми сточными водами. Из-за того, как работает процесс ионного обмена, его можно использовать для смягчения жесткой воды с высоким содержанием магния и кальция, а также для процесса очистки воды.

Катионный, анионный и амфотерный обмены

Три типа ионного обмена, которые могут происходить в процессе ионного обмена, включают катионный, анионный и амфотерный обмены. Тип, который вы используете, во многом зависит от того, к какому приложению применяется обмен. Катиониты предназначены для обмена ионов, которые положительно заряжены . Эти ионы известны как катионы. Обмен анионами происходит при обмене любых отрицательно заряженных ионов. Эти ионы называются анионами. Что касается амфотерных обменов, то в них участвуют одновременный обмен анионов и катионов .
При одновременном обмене анионов и катионов этот процесс обычно происходит в смешанных слоях смолы. Однако раствор также можно пропускать через несколько ионообменных материалов. Одним из примеров амфотерного обмена является необходимость отделения электролитов от неэлектролитов.

Ионообменные смолы

Ионообменные смолы могут быть синтетическими или промышленно произведенными. Эти смолы состоят из крошечных микропористых шариков, которые, как известно, нерастворимы в органических растворителях и воде. Основными материалами, из которых состоят эти смолы, являются полиакрилат и полистирол. В большинстве случаев диаметр шарика будет колебаться в пределах 0,3-1,3 миллиметра. Эти шарики на 50% состоят из воды и имеют гелеобразную текстуру.
Поскольку вода проходит через эти шарики, вода может беспрепятственно входить и выходить из шариков. Ионы внутри шариков смолы могут быть заряжены как отрицательно, так и положительно. Положительно заряженные примеси в воде будут взаимодействовать с отрицательно заряженными анионами. С другой стороны, отрицательно заряженные загрязнители могут взаимодействовать с положительно заряженными катионами на гранулах смолы. Этот процесс также можно повернуть вспять.
Назначение шариков смолы при очистке воды состоит в улавливании загрязняющих веществ в воде . Независимо от того, пытаетесь ли вы смягчить жесткую воду или избавиться от загрязняющих веществ и загрязняющих веществ в кислой воде, процесс ионного обмена может быть полезным.

Вопросы ионного обмена

Процесс ионного обмена используется в течение многих лет на промышленных предприятиях всех типов. Всякий раз, когда вода нуждается в очистке, процесс ионного обмена доказал свою эффективность в избавлении от большинства загрязняющих веществ. Как и у большинства решений для очистки воды, у метода ионного обмена есть как положительные, так и отрицательные стороны. Положительным моментом является то, что используемую смолу можно регенерировать. Одна проблема с ионным обменом заключается в том, что долгосрочные затраты на эксплуатацию системы ионного обмена могут быть высокими.
Если вы думаете об использовании этого процесса, есть несколько факторов, которые вы, возможно, захотите принять во внимание. Затраты, связанные с использованием ионного обмена, могут различаться в зависимости от региона и масштаба. Требования к техническому обслуживанию также должны учитываться при принятии решения. Например, процесс регенерации создаст значительное количество сточных вод, которые сами по себе должны быть очищены перед повторным использованием или утилизацией. Если вашей основной целью является удаление из воды растворенных неорганических примесей, процесс ионного обмена может оказаться весьма эффективным.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.