Сокращение расхода реагентов при обессоливании воды на ионообменных смолах

Ионный обмен до настоящего времени остается одним из основных методов очистки воды от загрязнений, глубокого ее обессоливания. Наличие разнообраз ных ионообменных материалов позволяет решать задачи очистки вод различного химического состава с высокой эффек тивностью.

Из-за введения дополнительных реагентов на стадии регенерации ионообменных смол образуется большой объем вторичных отходов. В частности, традиционное применение сильнокислотных катионитов требует использования 2-3-кратного избытка кислоты. Вследствие чего образуется значительное количество кислых регенератов. Это существенно увеличивает объем отходов и требует их нейтрализации.

Перспективным методом сокращения расхода реагентов на регенерацию ионитов и, соответственно, снижения объема вторичных отходов представляется применение ионообменных смол нового поколения со слабодиссоциированными функциональными группами, обладающих повышенной сорбционной емкостью и возможностью регенерации практически стехиометрическим количеством кислоты или щелочи.

Всероссийским научно-исследовательским институтом неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара разрабатывается технология послойного противоточного Н-катионирования воды. Она предусматривает послойное расположение слабокислотного катионита над сильнокислотным в одном фильтре, регенерацию в противоточном режиме UPCORE и фракционирование регенератов.

Использование слабокислотных катионитов совместно с сильнокислотными в технологии обессоливания воды позволяет снизить солевую нагрузку на сильнокислотный катионит и уменьшить его количество, более полно использовать емкость ионообменных смол, значительно снизить расход регенерирующих растворов и, как следствие, уменьшить количество вторичных отходов. Схема с противоточной регенерацией позволяет уменьшить количество эксплуатируемыхтируемых фильтров, сократить расход реагентов, увеличить рабочую обменную емкость фильтра за счет свойств ионитов и возможности почти полностью заполнять фильтр ионообменной смолой, уменьшить расход воды на собственные нужды и, следовательно, минимизировать количество сточных вод.

На первом этапе работы были исследова ны сорбционные характеристики слабокислотных катионитов, а также зависимость величины обменной емкости и вида выходгой кривой от условия регенерации ионообменной смолы (рис. 1, 2)

Рис . 1. Выходные кривые сорбции слабокислотного катионита на водопроводной воде ( РОЗ = 2 г - экв / л ); Жисх и Щисх - жесткость и щелочность исходной воды ; Жобр и Щобр - жесткость и щелочность обработанной

Рис . 2. Выходные кривые регенерации катионита 2 н азотной кислоты с избытком 5 % теоретического расхода ( Жо - общая жесткость ; Chnos - концентрация HN03 в регенерате )

По результатам длительных испытаний было выявлено, что слабокислотный катионит действительно обладает повышенной (2-3 г-экв/л) обменной емкостью, для достижения которой достаточно проводить регенерацию 5-процентным избытком кислоты от теоретического расхода. При этом регенерат на выходе практически нейтрален. Для лучшего использования всех преимуществ послойного Н-катионирования, необходимо исключить перемешивание слоев катионитов в процессе работы. Поэтому следующим этапом работы было исследование гидродинамических характеристик сильно- и слабокислотных катионитов различных производителей и выбор пары несмешивающихся катионитов.

Все стандартные товарные ионообменные смолы имеют широкий фракционный состав, размеры частиц находятся в интервале от 0,3 до 1,2 мм, а средний диаметр - от 0,5 до 0,8 мм. Таким образом, не все смеси ионитов могут быть разделены. Значит, пару катионитов следует подбирать так, чтобы самые мелкие и легкие частицы «сильного» катионита не перемешивались с самыми крупными и тя желыми частицами «слабого» катионита. Для исследования были выбраны следующие марки катионитов: Purolite С-100, Purolite С-105, Purolite C - lOOPurofine , Monosphere 600 C , Monosphere 650 C , Monosphere 750 C , MAC -3 LB .

По результатам эксперимента построены дифференциальные кривые распределения частиц ионообменных смол по диаметрам и дифференциальные кривые распределения частиц ионитов по скоростям (рис. 3,4).

Рис . 3. Дифференциальные кривые распределения частиц катионитов по диаметрам

Рис. 4. Дифференциальные кривые частиц катионитов по скоростям

Рис . 5. Оценка степени смешения различных пар катионитов

Рис . 6. Выходные кривые сорбции катионов на послойной загрузке

Рис . 7. Выходные кривые регенерации послойно загруженного фильтра 2 н азотной кислоты

На основании результатов, полученных по методу оценки характеристической скорости частиц ионитов, проведены исследования степени смешения пар ионитов и выбра на пара марок MAC -3 LB - Monosphere 750 C (рис. 5). Поскольку возникли сложности с приобретением катионита Monosphere 750 C , в качестве катионитов были выбраны ионообменные смолы производства компании Rohm & Haas (США): слабокислотный катионит Amberlite
IRC 86 SB и сильнокислотный - Amberjetl 500. В настоящее время ведется работа по исследованию послойного противоточного Н-катионирования на установке, производительностью 500 л/ч. Результаты первых экспериментов на установке представлены на рис. 6,7.