Регенерации катионита

Третьей стадией ионирования является Н-катионирова-ние в фильтрах второй ступени (Н2). Они предназначены для улавливания катионов (преимущественно натрия), присутствие которых в воде на данной стадии очистки возможно по следующим причинам: 1) несвоевременное (с опозданием) отключение на регенерацию Н-катионитных фильтров первой ступени (Ht), т. е. отключение спустя некоторое время после начала проскока иона натрия; 2) неудовлетворительное проведение операции отмывки после регенерации анионитных фильтров первой ступени (АД заключающееся в недостаточно полной отмывке анионита от остатков реге-нерационного раствора едкого натра, в результате чего в фильтрат проникают остатки невымытой щелочи; 3) приобретение слабоосновным анионитом амфотерных свойств, в результате чего он становится способным не только к анионному, но и частично к катионному обмену. Эта способность анионита может в процессе его эксплуатации постепенно возрастать вследствие так называемого «старения» анионита, приводящего к некоторым изменениям его структуры и вызывающего кроме амфотерности снижение обменной емкости. При пропускании через амфотерный истощенный анионит регенерационного раствора едкого натра наряду с заменой ранее поглощенных им анионов гидрок-сильным ионом ОН ~ происходит частичное поглощение катиона натрия. При последующем включении анионйтного фильтра в работу он будет попадать в фильтрат вследствие вытеснения его ионами Н +, содержащимися в Н-катионированной воде.

Как было отмечено выше, необходимым условием повышения эффективности химического обессоливания является снижение удельных расходов как кислоты на регенерацию Н-катионитных фильтров, так и щелочи для регенерации анионитных фильтров. С целью выявления оптимальных условий регенерации и обработки воды в анионитных фильтрах необходимо исследовать влияние основных факторов на весь процесс анионирования. К основным факторам следует отнести: тип и концентрацию щелочи, используемой для регенерации, скорость пропускания раствора.

3. С уменьшением концентрации едкого натра от 4 до 0,5% достигается некоторое, хотя и весьма незначительное повышение эффективности регенерации, но при этом почти в 2 раза увеличивается срок службы низкоосновных анионитов при одновременном уменьшении расхода воды на собственные нужды [99]. Последнее связано с тем, что с изменением концентрации раствора под влиянием осмотических процессов ионообменные смолы изменяют свой объем, причем в тем большей степени, чем существеннее разность концентраций обрабатываемого и регенерирующего растворов [100], что приводит к их быстрому износу и увеличению расхода воды на отмывку. Это подтверждает целесообразность осуществления регенерации анионитных фильтров 0,5—1%-ным раствором едкого натра.

Таким образом, можно сделать вывод, что для регенерации анионитных фильтров, кроме последней ступени, где поглощаются анионы слабых кислот, целесообразно применять растворы NaHCO3 или Na2CO3. При этом регенерируемость АВ-17-8 получается достаточно эффективной, а обменная емкость его настолько увеличивается, что в некоторых случаях этот анионит может конкурировать даже с более низкопрочным анионитом АН-31, при том, что цены на них почти одинаковы (АН-31 3000 руб./т, а АВ-17-8 — 3150 руб./т, годовой износ АВ-17-8 меньше, чем АН-31, и составляет соответственно 20 и 30% [19, 102].

Известь является наиболее распространенным и дешевым реагентом. Однако низкая растворимость извести в воде, составляющая 44—47 мг-экв/л, не позволяет эффективно использовать ее для регенерации анионитных фильтров. При использовании раствора извести для регенерации анионитов увеличивается расход воды для приготовления раствора, образуется большой объем сточных вод и происходит загрязнение водоемов.

Автором разработана и исследована эффективная технология регенерации анионитных фильтров раствором извести, при которой отсутствуют сточные воды и продукты регенерации удаляются из системы в виде суспензии сульфата кальция [103].

Для проверки разработанной технологии регенерации анионитных фильтров проведены исследования на лабораторном стенде. Анионитный фильтр представлял собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 20 мм, загруженную слабоосновным анионитом АН-31. Высота загрузки анионита составляла 1,5 м. В качестве аппарата для загрузки суспензии извести была использована стеклянная трубка с внутренним диаметром 56 мм и высотой 4 м. Трубка была заполнена 8%-ной суспензией извести на высоту 1,9 м.

Аналогично катионированию здесь применялась развитая регенерация для процессов анионирования. Поскольку отработавший раствор первой ступени содержит в своем составе ионы SO4 и С1, являющиеся противоионами для рассматриваемых условий работы анионитных фильтров, то представляет интерес определить влияние их на регенерируемость анионита отработавшим раствором. С этой целью были проведены опыты с раствором, содержащим противоионы. Опыты со смесью растворов NaOH и Na2SO4, концентрации которых составили соответственно 250 и 100 мг-экв/л, показали, что регенерируемость анионита в этом случае почти не отличается от регенерируемости его только раствором NaOH. Объясняется это высокой селективностью низкоосновных анионитов к щелочным, в данном случае ионам ОН. Таким образом, можно сделать вывод, что содержание противоионов в регенерационном растворе не оказывает влияния на регенерируемость АН-31. На основе этого свойства анионита была разработана технология развитой регенерации анионитных фильтров (рис. 6.18). Сначала через анионитный фильтр первой ступени пропускается отработавший щелочной раствор предыдущей регенерации. Затем через первую ступень пропускается отработавший раствор щелочи второй ступени анионирования, если обе ступени регенерируются одновременно, или свежий раствор — если раздельно. При регенерации вначале фильтрат получается нейтральным, содержащим смесь только солей натрия, которая утилизируется. С появлением в фильтрате щелочи он направляется в бак отработавшего раствора (БОР). Если регенерация второй и третьей ступеней осуществляется не одновременно с первой ступенью, то их отработавшие растворы собираются в БОР, а затем используются для регенерации первой ступени. Таким образом, анионит, загруженный в первой ступени, каждый раз регенерируется избыточным количеством щелочи, что обеспечивает увеличение его обменной емкости.

Рис. 6.18. Схема развитой регенерации анионитных фильтров

Для повышения ценности этих отходов целесообразно раздельное получение сульфата и хлорида натрия, что может быть осуществлено раздельным концентрированием H2S04 стоков анионитных фильтров. Сто-—«•— ки Н-катионитных фильтров, представляющие собой раствор сульфата натрия, подлежат также отдельному концентрированию, либо совместно с сульфатом натрия, полученным при регенерации анионитных фильтров.

Применение описанной технологии для регенерации анионитных фильтров, а также одна из технологий, позволяющих с избытком регенерировать Н-катионитные фильтры обессоливающих установок, существенно упрощают схему обессоливания даже для вод с относительно высоким солесодержанием (до Лс.к=Ю-г-15 мг-экв/л и выше).

тимальная концентрация раствора соли для регенерации катионита КУ-2 (ШС=0,083 мг-экв/л) составляет 8%. В табл. 8.1 даны результаты расчета оптимальной концентрации реагента для всех исследуемых значений int С, которые свидетельствуют об устойчивости оптимума.

Расчет стадии регенерации катионита КУ-2 проводили для двух реге-нерационных растворов — с примесью двух ионов (Mg2+ — 6, Са2+ —9 мг-экв/л) и без примеси этих ионов [202]. На рис. 8.5 приведена зависимость qp/Ф от расходов 8%-ного рас-створа NaCl (чистого и технического, содержащего жесткость. Точки А и Б соответствуют минимально необходимым расходам регенерационного раствора (<7рА)мин= 1,5041 с жесткостью и (q р)мин= 1,5757 без жесткости, обеспечивающим получение фильтрата заданного качества. Малое отличие значений qpA и qPB обусловливает схожие закономерности послойного распределения ионов в сорбенте после регенерации раствором NaCl различной чистоты [203].

/--ФСД; 2 — бак регенерации катионита; 3 — бак регенерации анионита; 4 — бак отрегенерированных смол; 5 — подача разбавленного раствора кислоты: 6 — подача разбавленного раствора щелочи; 7 — магистраль транспорта отработавших ионитов; 8 — магистраль возврата отрегенерированной смеси

Уплотненный слой загрязнений и мелких фракций ка-тионита обладает разным гидр авлическим сопротивлением на отдельных участках его поверхности. Ввиду этого при регенерации раствор соли поступает ;в катионит преимущественно на участках с малым сопротивлением уплотненного слоя (трещины, промоины и т. п.), что обусловливает неодинаковую полноту регенерации катионита по объему. Как следствие этого сокращается

На 'величину удельного расхода соли существенное влияние оказывают концентрация регенерационного раствора, скорость его пропускания и его жесткость. Степень использования соли при регенерации возрастает с разбавлением регенерационного раствора. Однако при этом ухудшается полнота регенерации катионита, а остаточная жесткость умягченной воды повышается. Поэтому обычно концентрацию регенерационного раствора поддерживают в пределах 6—8%. Эффективна ступенчатая регенерация, при которой примерно первая половина от общего 'количества соли готовится в виде 2—3%-ного раствора, а вторая 6—7%-ного. Вслед за пропуском слабого раствора в фильтр подают более концентрированный.

Восстановление РР дозированием соды с избытком и нейтрализация последнего кислотой (рис. 1.1,в), регенерации катионита сульфатом натрия (рис. 1.1,д)

При обработке морских и соленых вод Na-катионированием количества продувочной воды испарителей, работающих на умягченной воде, недостаточно для обеспечения необходимой глубины регенерации катионита.

На основании теоретического и экспериментального исследований установлено, что основной трудностью, усложняющей и удорожающей процесс умягчения морских и соленых вод, является обеспечение необходимой глубины умягчения [30]. Как показывают расчеты, произведенные по формуле В. А. Клячко [31, 32], для получения умягченной воды Каспийского моря и океана с остаточной жесткостью 50 мкг-экв/,л степень регенерации катиоиита должна быть 99,9 и 99,99 % соответственно, тогда как при умягчении пресной воды с общим солесодержа-нием 6 мг-экв/л для получения той же остаточной жесткости достаточно иметь степень регенерации катионита всего 60%.

Если для такой регенерации катионита КУ-2-8 требуемый расход соли составляет лишь 120 кг/м3 катионита, то для 99,9%-ной и 99,99%-ной регенерации требуется более 1000 и 1300 кг/м3 соответственно химически чистого хлористого натрия (см. § 2.4).

При этом на основе закона действующих масс концентрации ионов кальция, магния и натрия в отрегенерированном слое катионита будут определяться концентрациями этих ионов в регенерационном растворе. Если пропускать через такой катионит умягчаемую воду, то при выходе из защитного слоя катионита содержание ионов кальция и магния в обрабатываемой воде будет снижаться до определенного равновесного значения, однозначно связанного с концентрациями этих ионов в ионите при регенерации катионита. Это позволяет установить зависимость между концентрациями ионов кальция, магния, натрия в регенерационном растворе и фильтрате и, следовательно, определять жесткость фильтрата при известном содержании ионов кальция, натрия и магния в регенерационном растворе. Следует отметить, что в реальных условиях в катионитный фильтр подается значительно меньшее количество раствора, чем это требуется для установления равновесия по всей высоте слоя катионита. Однако при регенерации во входных слоях катионита устанавливается полное равновесие между ионами, находящимися в исходном растворе и в катионите. Высота этого слоя обычно превышает высоту защитного слоя при умягчении воды. Поэтому при про-тивоточном способе ионирования предложенный способ может быть успешно применен для определения остаточной жесткости фильтрата.

Как показали соответствующие исследования [41], для получения степени регенерации около 99,9%, т. е. для полной регенерации катионита, обеспечивающей необходимую остаточную жесткость умягченной морской воды, во второй ступени (по ходу обработки воды) ступенчато-противоточного фильтра объем катионита должен составлять 6—10% (а не 25—30%, как обычно) общего объема (рис. 2.10,г). При этом можно также вторую ступень ступенчато-противоточного фильтра загружать суль-фоуглем объемом 20—25%, а первую ступень — катионитом КУ-2-8.