Оптимизация ионообменной технологии водоподготовки: фильтрование с противоточной регенерацией

Оптимизация ионообменной технологии водоподготовки: фильтрование с противоточной регенерацией

Современная водоподготовительная станция — это большой завод со сложной химической технологией. И технология эта все усложняется по мере углубления наших знаний о воде и ее примесях, по мере увеличения требований потребителей к качеству воды.

В этих условиях понятно всеобщее желание упростить технологию, малыми средствами добиться больших результатов. И стали применяться, активно развиваться технологии водоподготовки, использующие физические методы: магнитная, ультразвуковая, радиочастотная, электрохимическая обработка воды. К ним этим методам условно можно отнести и баромембранные методы и электродиализ. Конечно, лишь обманывая самих себя, можно утверждать, что, внедряя эти методы, инженеры избавляют общество от «химии» и соответствующих сточных вод. Один из экологических законов Б. Коммонера утверждает: все должно куда-то деваться. «Куда-то», добавим от себя, это значит: в окружающую среду. То есть «грязь», сточные воды переносятся от предприятий, использующих мембраны, магниты и другие материалы и устройства к тем предприятиям, где эти материалы производятся.

И всегда нужно помнить о тех ограничениях, которые сопутствуют применению этих методов. В частности, вероятно, из-за малой мощности магнитных, электромагнитных, ультразвуковых, электрохимических устройств не удается применить их в качестве умягчителей или деминерализаторов воды для теплогенераторов и теплоиспользующих аппаратов с большими значениями тепловых потоков.

Серьезные ограничения связаны также с необходимостью учитывать требования упомянутых устройств и аппаратов к качеству поступающей в них исходной воды, особенно это значимо для баромембранных методов, в частности, для обратного осмоса. Следовательно, опять возникает «предочистка» со своими сточными водами и т. д. Еще один экологический закон Б. Коммонера: природа знает лучше (лучше, чем мы часть природы). Никогда не удастся достигнуть идеала: и волки сыты, и овцы целы! Еще один и все более расширяющийся раздел водоподготовки обработка воды комплексообразователями. Метод, соблазняющий все теми же удобствами: действительно, вместо огромного завода водоподготовки бак с раствором реагента и дозатор. К сожалению, и здесь (может быть, только пока?!) ограничения по температуре воды и тепловому потоку, по качеству сточных вод. водоподготовительный деминерализация ионообменный идеальный В условиях «конкурентной борьбы» с перечисленными методами водоподготовки давно известный ионообменный метод усилиями поколений исследователей и изобретателей также успешно развивается, его технологические показатели улучшаются.

Наиболее распространенный сегодня метод умягчения или деминерализации (опреснения) воды в промышленности всех стран ионообменный метод. Несмотря на широкое распространение метод этот сравнительно молодой. И востребованность его все более увеличивалась с увеличением требований промышленных объектов, особенно энергетических, к качеству потребляемой воды.

Ионообменный метод имеет и свой набор недостатков: нужны реагенты для регенерации ио-нитов, возникают сточные воды, отнюдь не идентичные качеству природной воды. Если помечтать о несбыточном, можно перечислить условия, при которых ионообменный метод мог бы стать идеальным:

• · если бы ион натрия (при умягчении воды) был бы двухвалентным, как ионы кальция и магния; если бы гранула (зерно) ионита представляла собою молекулу;
• · - если бы горизонтальное сечение ионитного фильтра было бы как можно меньше — по размерам желательно, как молекула;
• · если бы регенерационный раствор (при умягчении воды — раствор хлорида натрия) не содержал бы никаких примесей, в том числе кальция и магния;
• · если бы…(кажется, достаточно).

После того, как в 1935 г. были впервые установлены ионообменные свойства некоторых полимерных смол, технология водоподготовки начала принимать современный вид. И примерно за 80 лет до этого англичане Г. Томпсон и Д. Уэй установили, что при пропускании растворов солей через слой почвы, содержащий гумус, происходит обмен между ионами металлов, находящихся в растворах и почве. Еще раньше название «щелочноземельные» (то есть выделяемые из земли щелочами) для кальция и магния было принято после опытов пропускания растворов хлорида натрия через почву.

Найдено много ионообменных материалов природного происхождения, например, гумусовые и бурые угли, торф, древесина, крахмал, глауконит, волконскоит, бентонит и другие алюмосиликаты (цеолиты), созданные по типу натурального цеолита — искусственный цеолит — пермутит и др.

Однако все эти ионообменные материалы характеризуются небольшой обменной емкостью недостаточными для интенсивного промышленного использования ионообменными «способностями». Решающий этап развития ионообменной водоподготовки начался, как упомянуто выше, с созданием в 1935 г. Б. Адамсом и Е. Холмсом полимерных ионитов.

Были предложены и введены в действие многообразные конструкции ионообменных фильтров, и, как правило, все они были параллельно-точные: обрабатываемая вода и регенерирующий раствор протекают в фильтре в одном направлении — сверху вниз. По мере продвижения регенерационного раствора сверху вниз через слой ионита концентрационный напор — разность концентраций между ранее задержанными ионитом ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора (например, натрия) становится все меньше и меньше.

В конце своего пути «слабый» регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содержащего некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вытеснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходимого качества.

Выход из положения был найден технологами, предложившими двухступенчатое для натрий-катионирования и трехступенчатое для деминерализации ионированием — фильтрование. Разновидностью двухступенчатого умягчения можно считать параллельноточное-противоточное фильтрование: несмотря на название, в каждом из пары фильтров осуществляется параллельноточное фильтрование. Преимущества противоточного фильтрования были известны давно, но промышленное применение оно нашло лишь с появлением специальных конструкций фильтров и развитого производства разнообразных высокоэффективных ионитов. При противоточной технологии ионирования наиболее хорошо отрегенерированный катионит расположен в том слое, который находится на выходе из фильтра. Обрабатываемая вода проходит слои ионита со все более увеличивающейся глубиной регенерации, т. е. концентрированный напор сохраняется по всему пути воды. Тем самым обеспечивается высокое качество умягчения и деминерализации, наиболее полно используется рабочая обменная емкость ионита, уменьшается расход реагентов, воды на собственные нужды и сточных вод. В настоящее время известно несколько конструкций противоточного фильтрования. Принципиально они различаются по направлениям потоков: поток воды снизу вверх, регенерация — сверху вниз, поток воды — сверху вниз, регенерацияснизу вверх.

В шутку можно упомянуть курьезные предложения осуществить противоточное фильтрование, переворачивая фильтр для регенерации вверх днищем.

Одной из первых запатентованных противоточных технологий (60-е годы XX века) была технология Швебебет (разновидности: Лифтбет, Ринзебет, Мультистеп) фирмы «Байер АГ». Обрабатываемая вода в фильтре направляется снизу вверх, регенерационный раствор — сверху вниз. Этой технологии присущи принципиальные недостатки:

• · слой ионита очень чувствителен к изменению расхода обрабатываемой воды, к перерывам в работе в этих случаях наблюдается внутрислойное перемешивание, что уменьшает эффект противоточного ионирования (требуется усиленная регенерация);
• · необходимо регулярно производить взрыхляющие промывки, т.к. «мелочь» и загрязнения, скапливающиеся в верхней части слоя, могут быть унесены во время рабочего цикла в следующий фильтр или потребителю, если предварительно не взрыхлить и не отмыть слой ионита;
• · взрыхление вынужденно проводится в специальной емкости, т. е. неизбежно увеличение капитальных затрат;

· при желании осуществить в одном фильтре и катионирование, и анионирование, т. е. двухслойное фильтрование, требуется секционировать фильтр распределительными тарелками. Следовательно, еще увеличиваются капитальные затраты.

Технология противоточного ионирования со взвешенным (плавающим) слоем ионита в восходящем потоке обрабатываемой воды также воплощена в конструкциях системы АМ БЕРПАК фирмы «Ром и Хаас». Этой технологии присущи примерно те же достоинства и недостатки, как и технологии Швебебет.

Противоточное фильтрование с блокировкой слоя ионита воздухом или — чаще водой (так, например, устроена конструкция ВНИИАМа) сохра няет основные преимущества этого вида ионирования: хорошее качество обработанной воды, малый расход реагентов. В этой конструкции обрабатываемая вода проходит слой ионита сверху вниз.

Однако в фильтре требуются большие объемы воды для удерживания регенерируемого зажатого слоя ионита в восходящем потоке раствора реагента. Фильтр нельзя заполнить полностью иони-том: нужно свободное пространство над средним распределительным устройством, т.к. это пространство заполняется ионитом во время взрыхления слоя.

Кроме того, среднее распределительное устройство, испытывающее давление с двух сторонрегенерирующего и блокирующего потоков — может повреждаться. Требуются дополнительный расход воды для блокировки, расход воды для периодической промывки ионита от взвешенных примесей и «мелочи» ионита, дополнительный расход материалов для изготовления среднего распределительного устройства.

Есть и другие способы противоточного иони-рования, принципиально не отличающиеся от описанных выше.

Некогда автору этих строк под руководством Н. А. Мещерского на одном из металлургических заводов удалось показать, что даже в традиционной параллельноточной конструкции натрий-катионитного фильтра можно осуществить про-тивоточный ионообмен, если подводить регене-рационный раствор хлорида натрия снизу со скоростью 2−3 м/ч — слои катионита не перемешиваются (проводится не чаще одного взрыхления на 10 циклов умягчения).

Приблизительно 9−10 лет назад фирма «Дау Кемикал Компани» (США) по голландскому патенту разработала технологию противоточного иони-рования UP.CO.RE. (Upflow CourtercurrentRegeneration: Противоточная регенерация восходящим потоком) далее — АПКОРЕ.

В фильтре, работающем по этой технологии, обрабатываемая вода движется сверху вниз, ре-генерационный раствор — снизу вверх.

Эта технология обладает всеми преимуществами противоточных технологий и в то же время лишена недостатков описанных выше технологий (см. рисунок).

Так как во время рабочего цикла вода движется сверху вниз, то слой ионита остается зажатым при любых колебаниях нагрузки, даже при полном прекращении подачи воды. Таким образом, хорошо отрегенерированный слой ионита в нижней части фильтра не разрушается.

Перед подачей в фильтр регенерационного раствора слой ионита в течение нескольких минут большим потоком воды поднимается вверх — до соприкосновения с инертным материалом. Наличие этого материала — одна из принципиальных особенностей технологии. Верхнее дренажно-распределительное устройство прикрыто и как бы погружено в слой плавающего слоя инертного материала. Через этот слой свободно проходят вода, взвешенные примеси, ионитная «мелочь», а целые гранулы ионита, которые — в отсутствие «инерта» — поток мог бы унести из фильтра, задерживаются.

Регенерационный раствор пропускается снизу вверх с такой скоростью, что поднятый в предыдущей операции слой ионита остается прижатым к слою инертного материала.

Две эти операции, помимо своих прямых функций, отменяют необходимость взрыхляющей промывки.

Весьма важная особенность технологии АПКОРЕ: возможность осуществления послойной загрузки анионитов в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств. За счет специального подбора слабоосновного и сильноосновного анио-нитов с соответствующими значениями плотностей слой слабоосновного анионита всегда сохраняет свое положение над слоем сильноосновного анионита, защищая последний от отравления органическими веществами.

Наконец, простота технологии, универсальность конструкции позволяют использовать стандартные параллельноточные фильтры для проти-воточного фильтрования, заменяя только внутренние дренажно-распределительные устройства.

Специально для технологии АПКОРЕ фирма «Дау Кемикал Компани» разработала и поставляет на рынок серию ионообменных смол с прекрасными гранулометрическими (монодисперсные), физико-механическими и кинетическими свойствами. В частности, 90% гранул ионита имеют размеры не более ± 10% средних значений размеров. Особенно это значимо при двухслойной загрузке фильтров.

Тенденция замены гетеродисперсных ионитов монодисперсными сегодня преобладает. Ведущие мировые фирмы, производящие иониты (Байер, Пюролайт, Ром иХаас), расширяют производство таких ионитов.

В конечном счете, описанные свойства проти-воточных технологий и некоторые другие, здесь не упомянутые, свойства обеспечивают следующие показатели (по сравнению с параллельноточ-ной технологией):

• · - уменьшение количества эксплуатируемых фильтров в 1,5−2,5 раза (скорость фильтрования воды до 40−50 м/ч);
• · - уменьшение расхода реагентов примерно в 2 и более раз (удельный расход кислоты 1,3−1,6 моль/моль, щелочи 1,4−1,5 моль/моль, натрий хлорида 1,2−1,3 моль/моль);
• · - увеличение почти в два раза рабочей обменной емкости фильтра за счет свойств ионитов и возможности почти полностью заполнять фильтр ионитом;
• · - уменьшение расхода воды на собственные нужды примерно вдвое и, следовательно, уменьшение вдвое количества сточных вод; 4- нормативное качество обработанной воды, получаемое при одноступенчатом фильтровании, -не хуже (подчас и лучше), чем при двухступенчатом фильтровании.