Результаты исследований процесса умягчения воды с помощью ионобменного реактора непрерывного действия

Процесс непрерывной ионообменной фильтрации [1, 2], осуществляемый на ионообменных реакторах непрерывного действия, по сравнению с аппаратами с неподвижным слоем сорбента оптимизирует технологию удаления солей жесткости из питательной воды. Для нужд энергетического хозяйства обычной технологической задачей является снижение содержания солей жесткости с 10-15 мг-экв/дм3 до 0,1-0,01 мг-экв/дм3 [3]. Главным недостатком процесса сорбции ионов в аппарате типовой конструкции является образование в стационарном слое смолы так называемых «паразитных» каналов, по которым технологическая жидкость движется с наименьшими гидравлическими потерями. Это приводит к преждевременному проскоку ионов, что обуславливает более раннюю необходимость регенерации ионообменной смолы, вызывает дополнительный простой аппарата и перерасход регенерирующего реагента. Вторым недостатком данной технологии является загрязнение фильтрующего слоя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и нарушению процессов сорбции – десорбции.

Целью исследования является изучение процесса умягчения воды на базе полупромышленной модели ионообменного реактора беспрерывного действия и определение технико-экономических преимуществ непрерывной ионообменной фильтрации в сравнении с аппаратами, работающими c фильтрующим слоем.
Принципиальная схема устройства ионообменного фильтра приведена на рис.1, внешний вид установки представлен на рис.2. Работа ионообменного фильтра заключается в следующем: технологическая жидкость, которая подлежит очистке, через входной патрубок 12 поступает в распределительный коллектор 5, затем в верхний рабочий слой сорбента 4, где происходит сорбция ионов жесткости ионообменным материалом. Рабочий слой сорбента 4 опускается навстречу движению технологической жидкости, ввиду того, что из лабиринтного канала 3 регенерированный сорбент падает сверху на рабочий слой сорбента. Отработанный сорбент поступает в зону регенерации сорбента 16. Очищенная от солей жесткости вода через сливной патрубок 15 поступает по назначению. Через входной патрубок 11 подается регенерирующий раствор, который через распределительный коллектор 6 поступает в зону регенерации. Регенерированный сорбент с помощью эрлифта 19 поступает в дренажный стакан 13, жидкость, содержащая ионы жесткости и механические примеси через дренажные патрубки 9, 10 сбрасывается в канализацию. Сетка дренажного стакана 14 служит для разделения механических примесей и раствора содержащего ионы жесткости. Обезвоженная масса сорбента пересыпается через край дренажного стакана 13 и падает вниз в лабиринтный канал 3, и так как уровень жидкости в промывном узле ниже уровня жидкости в корпусе фильтра, то осуществляется промывка сорбента очищенной жидкостью. Полученная данная дренажная жидкость сбрасывается через дренажный патрубок 11. Разница уровней осуществляется с помощью патрубков 9, 10, 11. Таким образом, реализуется противоточный процесс промывки регенерированного сорбента в лабиринтном канале 3, и затем сорбент поступает в верхнюю часть рабочего слоя сорбента и выполняется процесс одновременной противоточной сорбции ионов жесткости из технологической жидкости и регенерация сорбента и удаления механических примесей которые могут быть в подаваемой технологической жидкости.

Рис.1 Схема устройства  ионообменного фильтра

Рис.2 Внешний вид установки ионообменного фильтра

Новым техническим решением является размещение в нижней части фильтра дополнительного шлюзового устройства, назначение которого − обеспечение эффективного перемешивания сорбента и подаваемого регенерирующего раствора. Основные геометрические размеры фильтра: общая высота – 2,2 м, внутренний диаметр корпуса – 0,145 м, высота рабочего слоя сорбента – 1,0 м.
Для очистки воды использовался бывший в употреблении сильнокислотный катионит марки КУ − 2-8, а в качестве регенерирующих реагентов − растворы технического хлорида натрия различной концентрации. Жесткость входной воды (использовалась водопроводная вода), составляла 3,8-4,8 мг-экв/дм3. Общий максимальный расход подаваемой воды составлял 160 дм3/час.
Результаты исследований представлены в таблицах.

Таблица 1 − Результаты очистки технологичной воды от времени

Производительность по очищенной воде составляла: 30-50 дм3/час, при температуре воды 15 °С. Для определения общей жесткости был использован стандартный комплексонометрический метод. Полная обменная емкость катионита КУ−2-8 составляла 2,72 мг-экв/г. Максимальная производительность эрлифта по смоле была не выше 0,48 дм3/мин, количество дренажной воды не превышало 10-15 % от объема очищенной воды.

Таблица 2 − Результаты очистки технологической воды от времени для разных серий опытов без подачи регенерирующего раствора (на истощение смолы) отработанной ионообменной смолы; о возможности проводить концентрирование

Выводы
Предложенная конструкция ионообменного фильтра: 1 − позволяет получить умягченную воду с остаточной жесткостью не более 0,1 мг-экв/дм3, обеспечив при этом одновременность сорбции ионов жесткости и процесса регенерации смолы; 2 − использовать всю обменную емкость ионообменной смолы; 3 − в подвижном слое сорбента устранить образование нежелательных паразитных каналов, через которые происходит проскок адсорбируемых ионов;    4 − удалять механические примеси, присутствующие в очищаемой воде, при постоянной промывке смолы в лабиринтном канале, что устраняет их накопление в слое смолы и приводит к уменьшению и стабилизации гидравлических сопротивлений; 5 − при фиксированной дозировке регенерирующего раствора позволяет минимизировать количество реагента; 6 − при постоянстве концентрационного градиента реагента устраняет вероятность возникновения резких перепадов концентраций, что минимизирует осмотический удар на зерна катионита, а это в конечном итоге уменьшает общее количество треснутых гранул; 7 − позволяет производить концентрирование ценных компонентов из сточных вод, рассолов, шахтных и морских вод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Костыгин В.А. , Задвирнюк Т.О.,Гордиенко М.В., Столяренко Г.С .Иследование процесса умягчения воды с использованием ионообменного реактора беспрерывного действия // «Вісник ЧДТУ», 2006. –№1. – С.153-159.
• Костыгин В.А., Столяренко Г.С. Расчет изотермы сорбции ионообменной смолы КУ-2-8 и его интерпретация к процессу сорбции к ионообменному фільтру непрерывного действия // «Вісник ЧДТУ», 2009. – №2. – С. 95-96.
• Шкроб М.С., Вихрев В.Ф. Водоподготовка. – М.- Л.: издательство «Энергия», 1966. – 416 с.
• Патент №81920.Україна B01J 20/30. Спосіб проти точної сорбції іонів іонообмінним матеріалом і пристрій для його здійснення – Іонообмінний реактор безперервної дії./ Костигін В.О., Столяренко Г.С., Фрідрих В.М. та ін., публ.15.03.2006, Бюл. №3.

Результаты исследований процесса умягчения воды с помощью ионобменного реактора непрерывного действия [Електронний ресурс]  / [Костыгин В.А., Столяренко Г. С.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/content/rezultaty-yssledovanyy-processa-umyagchenyya-vody-s-pomoshchyu-yonobmennogo-reaktora