Монодисперсные ионообменные смолы: технологические преимущества

На базе анализа свойств ионообменных смол с однородным (монодисперсным) гранулометрическим составом и аспектов их применения в технологиях водоподготовки сделан вывод о существенных выгодах использования таких ионообменных смол.

Около 15 лет назад компания DOW CHEMICAL первой среди компаний, выпускающих ионообменные смолы, предложила своим потребителям новое поколение ионитов - ионообменные смолы с однородным гранулометрическим составом зерен (с монодисперсным распределением зерен ионообменной смолы по размерам), полученным по о собой технологии производства, а не методами тривиального рассева.

В настоящее время DOW выпускает монодисперсные ионообменные смолы трех основных классов; DOWEX MARATHON , DOWEX MONOSPHERE и DOWEX JPCORE MONOSPHERE .

Специальная технология синтеза монодисперсных ионообменных смол, разработанная DOW , позволяет:

• получить зерна с любым средним медианным размером в диапазоне от 300 до 1000 мкм;
• лимитировать максимальное отклонение диаметра зерна ионообменной смолы от среднего медианного размера для 95 % общего числа зерен в любой выборке пределами от -30 до +30 мкм;
• исключить присутствие разрушенных и треснувших зерен в синтезированной ионообменной смоле;
• обеспечить близкие к абсолютно возможным гомогенность структуры и изомерность свойств зерна ионообменной смолы;
• значительно повысить механическую прочность зерен, определяемую тестами на раздавливание и истирание;
• существенно улучшить осмотическую стабильность зерен ионообменной смолы;
• повысить химическую стойкость (устойчивость ионообменной смолы к окислению);
• повысить устойчивость ионообменной смолы к отравлению органикой и другими веществами.

На рис. 1 представлены микрофиши внешнего вида обычной и монодисперсной ионообменной смолы, полученные при помощи микроскопа, на рис. 2 - характерный вид кривых распределения зерен ионообменной смолы по размерам. Анализ последних позволяет с высокой степенью вероятности предсказать, была ли рассматриваемая ионообменная смола получена посредством применения специальной технологии или путем отсева мелких и крупных фракций: как правило, наличие острого пика свидетельствует о "технологической" природе монодисперсности, а пологий характер кривой - об использовании рассева. Однако объективное заключение о происхождении ионообменной смолы, обладающей однородным гранулометрическим составом, может быть получено только на основе комплексного анализа ее структуры и свойств.

Примечание. г - гель, мп - макропористая структура

В таблице приводятся типичные значения показателей механической прочности и осмотической стабильности обычной и монодисперсной ионообменной смолы, характеризующихся одинаковыми значениями содержания дивинилбензола в структуре матрицы. Приведенные данные свидетельствуют о существенном повышении механической прочности и осмотической стабильности монодисперсных ионообменных смол по сравнению с аналогичными характеристиками ионитов, получаемых методом стандартного синтеза в емкостных аппаратах с перемешивающим устройством.

Рис. 2. Распределение зерен ионообменной смолы по размерам (грануло метрический состав). а - обычная смола; б - DOWEX MARATHON.

Следствием монодислерсного гранулометрического состава является более низкое значение гидравлического сопротивления слоя монодисперсной ионообменной смолы по сравнению со стандартной полидисперсной, характеризуемой тем же значением эффективного диаметра зерна. Кроме того, средний эффективный диаметр зерна для стандартных ионообменных смол полидисперсного гранулометрического состава лежит в пределах 700 - 800 мкм, в то время как DOW выпускает подавляющее большинство монодисперсных ионитов с диаметром зерна в диапазоне 500 - 650 мкм. Благодаря этому существенно увеличивается площадь поверхности межфазного контакта при осуществлении ионообмена, а также значительно улучшается его кинетика, обусловленная резким возрастанием скорости процессов диффузии, которая находится в обратнопропорциональной зависимости от диаметра зерна. Сочетание указанных факторов обуславливает существенные преимущества монодисперсных ионообменных смол в условиях, когда требуется проводить обработку высокоскоростных потоков или потоков с широким диапазоном измененирасходных характеристик.

На рис. 3 представлена зависимость рабочей обменной емкости от удельного расхода, выраженного в количестве обработанной воды, кратном объему слоя ионообменной смолы в единицу времени для стандартного катионита и для DOWEX MARATHON С.

Применение монодисперсных ионообменных смол в обессоливающих воду установках в зависимости от конкретных условий позволяет снизить удельный расход реагентов на регенерацию на 10-20 % без снижения качестве обработанной воды или сокращения фильтроцикла.

Очень важным представляется то обстоятельство, что монодисперсные ионообменные смолы проявляют более высокую устойчивость к отравлению органикой и другими потенциально вредными соединениями, содержащимися в обрабатываемой воде. Объяснением служат приводившиеся выше доводы об увеличении удельной площади поверхности ионообменной смолы в единице объёмной загрузки и, как следствие, о снижении удельного количества сорбируемых загрязнений в единице поверхности смолы, равно как и фактор более полной и быстрой регенерируемости более мелких зерен.

Несмотря на изложенное, некоторые отечественные специалисты склонны считать, что преимущества монодисперсных ионообменных смол становятся существенными только в условиях высокоинтенсивных технологий водоподготовки (к которым относят процессы противоточной регенерации, конденсатоочистку, применение ФСД и др.) и практически никак не проявляются в стандартных прямоточных (параллельноточных) схемах установок водоподготовки, предназначенных для обессоливания или умягчения воды. Чтобы убедиться в обратном достаточно обратиться к отечественным нормативам ежегодной досыпки катионитов и сильноосновных анионитов (исключим из рассмотрения этот показатель для слабоосновных анионитов, чтобы не делать картину совсем трагичной). В зависимости от конкретных условий эксплуатации этот показатель колеблется в среднем в пределах 7-10%. Для стандартных полидисперсных ионообменных смол срок эксплуатации не превышает 10 лет. Таким образом, в обычных условиях за десятилетний период, принимая во внимание объем досыпки и процесс естественного старения ионообменной смолы, требуется, как минимум, произвести полную замену всего объема первоначальной загрузки. В соответствии с данными эксплуатации монодисперсных ионообменных смол производства DOW на западных установках водоподготовки, в течение 8-12 лет не производилось никаких досыпок вообще! Другими словами, благодаря комплексу механических, осмотических и химических характеристик срок службы этих ионитов оказывается не менее чем в 2 раза выше, чем срок службы их стандартных аналогов!

Одной из важных стадий для нормального проведения процесса регенерации является взрыхляющая промывка. Очевидно, что для повышения эффективности очистки слоя ионообменной смолы от загрязнений скорость взрыхляющего потока должна быть максимальной, но не превышающей определенного значения, чтобы не вынести из фильтра относительно мелкую часть рабочей фракции смолы (примем в качестве ограничивающего диаметр зерен, равный 350-400 мкм). При этом надо иметь в виду, что при взрыхлении происходит практически псевдоожижение (взвешивание) слоя ионообменной смолы. Причем для материалов полидисперсного гранулометрического состава сначала происходит взвешивание мелких фракций, которые способствуют более быстрому (т.е. при относительно меньшей скорости несущего потока) переходу во взвешенное состояние крупных фракций посредством передачи им части своего импульса. Как указывалось выше, предел существования взвешенного слоя ионообменной смолы в фильтре определяется скоростью уноса, рассчитанной для наиболее мелкой фракции

Очевидно, что для фракции смолы со средним медианным размером 500 мкм, скорость потока, при которой может наблюдаться унос, оказывается на 20 % выше (а для фракции 600 мкм - на 26 % выше!), чем для смолы, включающей фракцию 350 мкм.

Таким образом, применение ионообменной смолы монодисперсного состава позволяет существенно увеличить линейную скорость потока при взрыхлении, повышая тем самым эффективность удаления из слоя смолы имеющихся загрязнений.

Рассматривая всю совокупность преимуществ, которые могут быть получены при эксплуатации монодисперсных ионообменных смол, можно сделать вывод о целесообразности их применения и в стандартных отечественных установках промышленной водоподготовки.