Ионообменная смола это: Что такое ионообменная смола? | ТЕПЛОТА

Разное

Содержание

Что такое ионообменная смола? | ТЕПЛОТА

Применение ионообменной смолы, на сегодняшний день, весьма разнообразно. Но самая важная задача, с которой ионообменная смола способна справиться на отлично, — это смягчение воды. Благодаря своей смягчающей способности, использование ее в бытовых приборах, имеющих контакт с водой, просто необходимость. Давайте разберемся, чем уникальна  ионообменная смола, и возможно ли обойтись без нее.

ионообменная смола

Итак, мы определились, что ионообменная смола необходима для умягчения воды для бытовых нужд. То есть, увлажнитель воздуха, бытовой фильтр для очистки воды, стиральная машина, котлы для отопления. Список можно продолжить, но важно понять, что умягчение воды необходимо там, где она подвержена нагреву, вследствие чего может образовываться накипь, приводящая в негодность бытовые приборы, а также бытовые проточные фильтры.

Основные моменты, с которыми может столкнуться каждый:

• Жесткость воды способна не только выводить из строя Ваши бытовые приборы, но и нанести вред Вашему здоровью.

• Раздражение, сухость и зуд кожи, вследствие засорения кожных пор солями жирных кислот, которые, при реакции взаимодействии мыла с солями жесткости воды являются нерастворимыми.

• Ломкость, сухость волос и повреждение их естественной правильной структуры.

• Раздражение и пересушивание кожи головы, что приводит к появлению перхоти и неприятным ощущениям.

• Большой расход моющих средств (в среднем, 3 раза выше).

• Наличие налета на Вашей сантехнике в ванной комнате и на кухне

• Большой расход электроэнергии, так как наличие накипи на нагревательных элементах увеличивает потребляющую мощность приборов.

Что же представляет собой ионообменная смола?

Ионообменная смола– полимерные смоляные шарики, диаметр которых менее

картридж фильтра для воды с ионообменной смолой

миллиметра. Шарики смолы имеют способность к улавливанию из воды ионов различных веществ, и адсорбировать их в себя, обменивая на свои, смоляные, ионы. Таким образом, происходит ионный обмен, соответственно и смола – ионообменной.

Есть иное название ионообменной смолы – ионит. А именно, — нерастворимое высокомолекулярное соединение, которое способно вступать в реакции обмена с ионами загрязненной или жесткой воды. Иониты имеют гелевую основу, в связи с этим, способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Существуют также и макропористые иониты. Существенное отличие их в том, что они имеют поры по всей своей поверхности что означает — ионный обмен возможен как в набухшем, так и в не набухшем. Гелевые иониты обладают большей обменной емкостью, а макропористые, — лидируют в осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Иониты находят применение в пищевой, фармацевтической, медицинской отросли. Выпускаются, как правило, уже готовые смеси ионитов для использования в фильтрах (для увлажнителей, фильтров для воды как питьевых, так и специального назначения для бытовых приборов).

Принцип действия ионообменных смол.

Рабочее состояние ионообменной смолы – это набухание. При производстве смоляным

ионообменная смола для увлажнителей воздуха

шарикам придают воздушно-сухое состояние. Размеры смоляных шариков могут колебаться от 0,5 мм до 4мм. При взаимодействии с водой шарики набухают, напитываясь водой. Набухание шариков приводит, соответственно, к увеличению их в размере.

При прохождении воды сверху вниз через слой ионообменной смолы происходит её смягчение. Процесс прохождения воды через ионообменную смолу проходит в несколько этапов. Это обуславливается наличием нескольких слоев смолы: работающий, истощающий и свежий. Работающим слоем является, собственно зоной смягчения. Далее, вода

колбовый фильтр заправленный ионообменной смолой

проходит сквозь следующий слой, который со временем истощается, теряя обменную способность. Попадая в последний слой, свежий слой. Во всех слоях ионообменной смолы, которые проходит вода, происходит ее смягчение. Но расписывая данные слои, мы хотели обратить Ваше внимание на то, что картриджи, наполненные ионообменной смолой необходимо периодически менять. Необходимо это того, чтобы Вы смогли получить максимальный эффект от использования фильтров на основе ионообменной смолы. Рекомендовано производить замену картриджа не реже одного раза в 3-6 месяцев.

Подводя итог, можно обобщить выше сказанное. Ионообменная смола способна задерживать любой химический элемент и его соединения. При очистке воды ионообменной смолой удаляются соли жесткости, а именно кальций и магний, которые имеют свойство образовывать накипь на водонагревательных элементах. А значит, удаление жесткости воды и называется ее умягчением.

Как правило, фильтры, содержащие ионообменную смолу, устанавливаются перед водонагревательными аппаратами (котел, газовая колонка, проточный водонагреватель, бойлерами, прочее). Также, применяется в бытовых системах очистки воды. Возможна установка  фильтра со смолой и на весь дом в комплексе с фильтрами механической угольной  очистки. Обычно применяется двухступенчатая или трехступенчатая система колбовых фильтров, установленных последовательно.

Ионообменные смолы не являются токсичными, взрывоопасными и пожароопасными веществами. Ионообменные смолы безопасны, поэтому не могут нанести вред здоровью человека.

Ионообменная смола: принцип работы, виды, выбор

Существует множество способов сделать питьевую воду максимально безопасной. Когда-то наши бабушки и дедушки не слышали про системы фильтрации. Сегодняшняя экология усложнила ситуацию с питьевой вода. Постоянная очистка нагревательных приборов от налета накипи заставляет познать жесткость воды и задуматься о качестве питьевой воды.

Удаление солей жесткости, которые откладываются на бытовых приборах, возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для умягчения воды. Рассмотрим более подробно виды смол, их принцип работы и для чего они в системе очистки.

Классификация ионообменных смол

Смола для умягчения воды

В борьбе с солями кальция и магния отличным вариантом будут безреагентные умягчители воды. Большая часть смягчающих фильтров работает с помощью реагентов. Вода получает нужный состав благодаря фильтрующей массе и реагентам. Последние могут так же восстанавливать фильтрующие среды. Основой фильтра-ионообменника  является смола.

Ионообменная смола для смягчения воды используется во многих сферах:

  • очистка;
  • деминерализация;
  • удаления кремния;
  • выборочная фильтрация.

Основой смолы являются иониты – нерастворимые полиэлектролиты. Различают искусственные, природные и синтетические смолы.

Ионит имеют форму заряженного каркаса с ионами противоположного знака. При контакте ионов каркаса с ионами другого знака происходит  смена ионитов.

Направление заряда приводит к делению ионов на амфолиты. К ним прибавляются отрицательные катиониты с положительными аонитами. Катионы притягиваются к катионитам, а анионы – к аноитам.

Каркас может иметь различную основу: химическую, нехимическую,  минерально-органическую. Она является сочетанием органики и синтетических ионитов.  Если каркас гелиевый, то в него макропористые или гелиевые иониты. Они активны в набухшим состоянии при увеличении объема до 3 раз. Однако их ресурс иссякаем. При ликвидации всех мостиков-сшивок смола перестает смягчать воду.

Существуют смолы с равномерным распределением мостиков – изопористые иониты. При большем впитывании они увеличиваются сильно в объеме.

Набухание ионитов гелиевой основы вызвано раскрытием гранул подобно бутону цветка. Гелиевая структура не имеет сплошных стенок и не однородна. Минусом гелиевых смол является их неспособность поглощать большие органические вещества и ионы. При фильтрации может произойти «отравление смолы» — закупорка пор.

Сегодня наиболее применяемыми являются макропористые иониты. Их преимуществами являются малое изменение объема, хорошо адсорбируют, имеют продолжительные обменные реакции, большую скорость фильтрации, прочные и жесткие. Поры в микропористых смолах являются результатом искусственного процесса: добавление жирных кислот, спиртов и гептана.

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

  • макропористые иониты прочнее гелиевых структур;
  • гелиевые аниониты хуже работают гелиевых катионитов;
  • полистирольные аониты слабее акриловых.

Принцип работы ионообменной смолы

Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии)

ИВ — исходная вода; OS — обработанная вода; Р — реагент

Смолы для умягчения начали применять только во второй половине прошлого века и быстро себя изжили. В XX веке было сделано максимальное число открытий в области очистки воды. Пик популярности ионообменных смол был в 80-90-ые годы. Потом их стали вытеснять мембраны и обратный осмос. Сегодня смолы для смягчения воды популярны в системах очистки, но не занимают лидирующие позиции.

Для большего понимания принципа работы ионообменную смолу можно сравнить с икрой. Неопытный человек может с первого взгляда перепутать ее с белужьей.

Ранее уже говорилось, что смола для умягчения воды может состоять из трех видов ионитов: аниониты, катиониты и аониты. Наиболее распространенные аониты. Суть разделения в том, что каждый вид может замещать исключительно одноименные иониты.

Аниониты могут иметь сильную или слабую основу, а так же промежуточную и смешанную. Катиониты обладают слабой или сильной кислотностью. Сильная основа анионитов позволяет совершать обмен при любом кислотно-щелочном балансе, слабая – только до 6. Катиониты сильной кислотности могут обмениваться при любом рН, а слабокислотные – до 7.

Таким образом, ионообменная смола умягчает воду, но почти не очищает ее от других примесей. Она может полностью устранить жесткость. Возможно несколько раз прогонять воду через фильтр, что бы сделать ее более мягкой. При каждой очистки увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Иониты могут иметь солевую или смешанную форму. Основу солевой составляют натриевые и хлористые соединения, а смешанной – натрий-хлор или гидроксил-хлорид.

Ионообменные смолы используются в фармакологии, пищевой промышленности, на АЭС для очистки конденсата и т.д.

Иногда дополнительно используют таблетированную соль для умягчения воды. Но обычная столовая соль в таблетках вымывает ионообменные смолы из фильтра. Со временем смола потрескается и утратит свои фильтрующие способности.

Таблетированная  солью может восстановить ионнообменную смолу. Продают ее в больших пакетах по 25 кг.

Как выбрать?

Традиционные ионообменные смолы: карбоксильная смола, сульфокатионит

Сегодня во многих магазинах на прилавках легко найти смолу для ионообменного фильтра. Если уже известна марка и зарекомендованной производитель  ионообменной смолы, то ее быстро можно найти в интернете.

Основным показателем эффективности работы является влажность, а не поглощение. В смоле присутствует химически связанная влага. Ее удаление ведет к разрушению ионообменной смолы для умягчения воды.

Далее следует обратить внимание на емкость ионов – рабочая, объемная, весовая. Объемная и весовая являются стандартными характеристиками, которые определяются в лабораторных условиях. Они всегда указаны в паспорте продукции.

Рабочую емкость измерить невозможно. Она зависит от формы и глубин фильтрующего слоя смолы. Так же важны и входные параметры очищаемой воды.

Следует обратить внимание на скорость фильтрации, уровень восстановления, размер задерживаемых частиц и т.д.

применение и советы по эксплуатации

Ионообменные смолы для воды: применение и советы по эксплуатации

Ионообменные смолы для воды: применение и советы по эксплуатации


Для снижения концентрации солей тяжелых металлов и предотвращения появления накипи на посуде и бытовой технике применяют умягчители воды, из которых самыми распространенными умягчителями являются ионообменные смолы для воды. В статье мы разберем принципы их работы, разновидности и предназначение в очистительной системе.



Из этой статьи вы узнаете:


  • Как выглядят ионообменные смолы для очистки воды


  • Для чего нужны ионообменные смолы для воды


  • Можно ли пить воду после применения ионообменной смолы для очистки воды


  • Как заменить ионообменную смолу для очистки воды в умягчителе

Как выглядят ионообменные смолы для очистки воды


Применение ионообменных смол в фильтрующих системах частного жилого сектора давно считается необходимым условием для получения качественной питьевой воды. Пик популярности этого способа очистки приходится на конец ХХ века.


С виду, ионообменная смола – это скопление мелких шариков (до 1 мм в диаметре), которые производят из полимерных материалов.



Тот, кто никогда не сталкивался с этим материалом, с легкостью может перепутать смолу с рыбьей икрой. Пользу и его уникальные характеристики нельзя игнорировать. Использование ионообменных смол для умягчения воды позволяет задерживать ионы примесей металлов и солей жесткости. Но такой фильтр не просто накапливает в себе все эти вещества, а заменяет ионы вредных веществ на абсолютно безопасные. Эта процедура замены ионов и закрепила существующее название фильтрующей среды (ионообменные смолы).


В химии ионообменные смолы относят к ионитам (высокомолекулярное соединение, имеющее функциональные группы, которые, в свою очередь, способны вступать в реакцию обмена с ионами какой-либо жидкости). Отдельные группы ионитов способны также вступать в окислительные реакции, процессы восстановления и физической сорбции.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:



По своей структуре ионообменные смолы бывают пористыми, гелевыми или промежуточными.


Смолы с гелевой структурой не содержат пор. Обмен ионами в такой структуре возможен лишь в тот момент, когда смола набухает и становится похожей (по консистенции) на гель.


Пористая структура получила свое название благодаря огромному количеству пор на поверхности смолы. Эти поры как раз и позволяют произвести ионный обмен.


В промежуточной структуре ионообменных смол соединены свойства как пористой, так и гелевой структуры.


Все эти разновидности смол имеют принципиальные различия. У гелевых – наибольшая обменная емкость, тогда как смолы с пористой структурой обладают высокой стойкостью к химическим и термическим воздействиям. Такая стойкость позволяет смолам с пористой структурой поглощать больше примесей независимо от температуры воды.


Кроме этого, ионообменные смолы для очистки воды разделяют по заряду ионов. При обмене катионов (положительно заряженных ионов) смолу называют катионитом. В случае обмена анионами (отрицательно заряженными ионами) – анионитами. На практике суть различия по этому признаку сводится к способности обмена ионов в водной среде с разным уровнем pH. У анионитов «рабочей» считается среда с рН от 1 до 6, в то время как у катионитов процессы протекают в среде с рН от 7 и более. Конечно же, пользователям необязательно разбираться в таких тонкостях работы фильтров. В выборе необходимого типа фильтрующего устройства вам должны помогать специалисты в этой области.


В большинстве случаев ионообменная смола, находящаяся в фильтрующих системах, содержит большое количество ионов солей хлора или натрия. В некоторых случаях такая смола состоит из смеси солей с другими элементами (натрий-водород, гидроксил-хлорид и др.).


В зависимости от параметров, ионообменные смолы для умягчения воды могут отличаться друг от друга. Одним из таких показателей является влажность. Оптимально, когда влажность сведена к минимуму. Поэтому производители стараются извлечь влагу из смолы еще до момента ее упаковки. Для этого используют специальные центрифуги.


Ионообменные смолы оценивают также по уровню их емкости. Эта характеристика показывает, сколько ионов в исходной среде приходится на единицу массы (объема смолы). Сравнивая смолы по этому признаку, выделяют три вида емкости: рабочую, объемную и весовую. Объемная, как и весовая, являются стандартными величинами, то есть их параметры определяют в лаборатории, а полученные данные записывают в характеристики готовых продуктов.


В отличие от двух предыдущих, рабочая емкость не подлежит измерениям, поскольку имеет много условностей (степень чистоты воды, толщина слоя смолы, сила потока воды и др.). Со временем ионы рабочей среды полностью заменяются ионами примесей, содержащихся в воде. В таком случае рабочая емкость подлежит восстановлению.


Для чего нужны ионообменные смолы


По поводу основной цели использования ионообменных смол для воды существует много мифов. Согласитесь, применять эти смолы в составе бытовых фильтров лишь для улучшения вкуса жидкости – достаточно затратное решение. Сомнения вызывает и необходимость в изменении ионного состава воды, так как некоторые вредные примеси в ней все равно остаются.


Тем не менее целей, которые достигаются путем использования ионообменных смол для воды, немало. И, пожалуй, главной из них является смягчение воды. Эта способность ионообменных смол позволяет рекомендовать их для применения с приборами бытовой техники и других домашних устройств, имеющих непосредственный контакт с водой.


Кроме прямой пользы для здоровья (использование воды для питья или приготовления пищи), смягченная жидкость позволяет продлить срок использования бытовой техники, имеющей непосредственный контакт с водой. Это стиральные и посудомоечные машины, водонагреватели, утюги, отопительные котлы, водоочистительные фильтры, увлажнители, очистители воздуха и другие приборы. Особенно важно использование смягченной воды с приборами, которые нагревают саму жидкость. Жесткая вода – самая главная причина появления накипи и последующего выхода прибора из строя.


Можно ли пить воду после ионообменной смолы


Важно понимать, что основное назначение ионообменных смол – это смягчение воды. В процессе фильтрации происходит замена ионов кальция и магния, способных создавать нерастворимые соединения, на ионы хлора, натрия и другие элементы, которые создают легкорастворимые соединения.


На протяжении всей своей истории человечество вполне успешно училось приспосабливаться к новым природным источникам воды. Различия химического состава жидкости и большое количество этих источников покрывались отличной адаптацией организма человека ко всем внешним факторам.


Организм сам выводил все «лишнее». Несмотря на большое количество информации о накоплении нерастворимых солей магния и калия в нашем организме и причиняемом ими вреде, каких-либо реальных доказательств этих данных не существует. Это подтверждается еще и тем фактом, что для людей с нарушенными обменными процессами в организме полностью очищенная вода критически опасна. Все необходимые нам элементы относительно здоровый организм способен был извлечь из потребляемой нами воды и пищи.


Но это правило было актуально до всеобщей индустриализации общества, до появления так называемой техногенной среды. Даже природные источники воды в большинстве своем имеют повышенное содержание ионов тяжелых металлов, различные нежелательные органические примеси и даже изотопы радиоактивных элементов. Было бы здорово иметь такой фильтр, который смог бы заменять подобные примеси на ионы естественного происхождения. Но, к сожалению, ионообменные фильтры на такое неспособны.


В большинстве случаев изготовители ионообменных фильтров за счет рекламных слоганов предлагают заменить одни ненужные нам микроэлементы на другие.


Определить, насколько действительно важно менять ионный состав воды с помощью ионообменных фильтров, не так уж и просто. Посмотрите на ситуацию с посудомоечными и стиральными машинами. Для длительной эксплуатации этих приборов очень важна степень жесткости воды. Чем она меньше, тем меньше и вероятность появления накипи на тэне, и, соответственно, выхода прибора из строя. Но производители этих бытовых приборов давно уже нашли простой выход – применение химического способа смягчения воды путем добавления умягчителей в состав моющих средств.


Можно вспомнить о чайниках и кастрюлях, в которых кипятится вода, благополучно нами потребляемая. Но степень воздействия «жесткой» воды на наш организм досконально не изучена, чтобы говорить о каких-либо выгодах применения фильтров с ионообменными смолами.


Но давайте обсудим, на что же способны фильтры, содержащие ионообменные смолы для очистки воды. Не будем останавливаться на химических процессах, происходящих в этой жидкости, после прохождения через такой фильтр. То, что реально беспокоит потребителей, – это присутствие в воде ионов тяжелых металлов. Большинство трубопроводов в настоящее время состоит не из пластиковых труб (о которых лет 30–40 назад у нас мало кто слышал), а из металлических. Раньше при поломке одного из участков такой трубы или целой секции производили замену трубы на стальную оцинкованную.


Эти трубы до сих пор являются основным «поставщиком» ионов цинка и свинца в наш дом. Если проанализировать степень очистки воды бытовыми ионообменными фильтрами от ионов этих металлов, то окажется, что эта степень близка к нулю. По-настоящему действенные элементы, задерживающие эти вредоносные ионы, существуют, но они устанавливаются на крупных промышленных предприятиях, цель которых уловить дорогостоящие химические соединения. Из-за большой дороговизны подобного оборудования вероятность его применения в бытовых фильтрах очень низка.


Замена ионообменной смолы в умягчителе воды


Не стоит забывать, что любая система очистки воды со временем для обеспечения безотказной работы нуждается в активном вмешательстве человека. Мы говорим не о систематических сменах малоэффективных картриджей или постоянной подсыпке регенерационной соли. Такие меры нельзя назвать трудозатратными, но и их эффективность не так высока. Речь идет о процедуре полной смены фильтрующей массы в обезжелезивателе или смягчителе воды. Такой процесс может потребовать много усилий.


Использование различных засыпных фильтров для собственного коттеджа предполагает процедуру периодической дозасыпки фильтрующего элемента и полной его замены по истечении нескольких лет эксплуатации. О необходимости такой замены вы узнаете по ухудшению органолептических показателей поступаемой воды.


Это выражается в увеличении количества двухвалентного железа, когда регенеративные способности засыпки исчерпываются (нет должного эффекта). Похожая ситуация наблюдается и со смягчителями воды. Через определенный период система очистки начинает давать сбои, и вода снова становится жесткой, со всеми вытекающими последствиями.


В этом случае пользователи стоят перед выбором: сделать все самостоятельно или вызвать компанию, которая на этом специализируется.


Конечно, просто засыпать подложку из гравия и фильтрующую загрузку не так уж и сложно, но выгрузить отработанный наполнитель – занятие не из простых.


Многие популярные засыпные фильтры, используемые владельцами загородных коттеджей, основаны на использовании емкостей из стеклопластика. И это неудивительно, поскольку этот материал не гниет, не ржавеет, он легок и прочен. Но в то же время в таких емкостях не предусмотрены ни система слива, ни какие-либо транспортировочные отверстия для ее переноски. Отключив эту емкость от трубопровода и сняв управляющий клапан, нужно будет приложить невероятные усилия по переносу отяжеленного фильтра из дома во двор.


Если эта задача вам удалась, то можно приступать к выгрузке:


  1. Изъятый фильтр боком укладывают на ровную, возвышенную поверхность.


  2. К горловине водоподъемной трубки хомутом присоединяют крепкий шланг, через который под определенным напором подается вода.


  3. Вместе с взрыхленной засыпкой вода вытекает из емкости фильтра.


  4. Для обеспечения чистоты вашего двора рекомендуют подставить под поток воды плотный полиэтилен (следует учесть, что этот полиэтилен не должен пропускать гранулы засыпки и подложку из гравия).


  5. После того как емкость будет освобождена, из смягчителя или фильтра достается водоподъемная трубка.


  6. Затем проводят повторную промывку емкости и заносят ее обратно в дом.


Но если вы не хотите тратить свое время и силы, то на российском рынке присутствует немало компаний, которые занимаются разработкой и обслуживанием систем водоочистки. Самостоятельно, без помощи профессионала, выбрать тот или иной вид фильтра воды довольно сложно. И уж тем более не стоит пытаться смонтировать систему водоочистки самостоятельно, даже если вы прочитали несколько статей в Интернете и вам кажется, что вы во всем разобрались.


Надежнее обратиться в компанию по установке фильтров, которая предоставляет полный спектр услуг – консультацию специалиста, анализ воды из скважины или колодца, подбор подходящего оборудования, доставку и подключение системы. Кроме того, важно, чтобы компания предоставляла и сервисное обслуживание фильтров.


Наша компания Biokit предлагает широкий выбор систем обратного осмоса, фильтры для воды и другое оборудование, способное вернуть воде из-под крана ее естественные характеристики.


Специалисты нашей компании готовы помочь вам:


  • подключить систему фильтрации самостоятельно;


  • разобраться с процессом выбора фильтров для воды;


  • подобрать сменные материалы;


  • устранить неполадки или решить проблемы с привлечением специалистов-монтажников;


  • найти ответы на интересующие вопросы в телефонном режиме.


Доверьте очистку воды системам от Biokit – пусть ваша семья будет здоровой!


Роль ионообменных смол в водоподготовке


Автор: Черепаня Василий, [email protected]

Чистая вода — основа основ качества продукции многих заводов, а значит, и экономической эффективности предприятия в итоге. Очищенной воды, пригодной для производств и питьевого водоснабжения, на нашей планете становится все меньше и одним из самых эффективных и актуальных средств для производства очищенной воды являются ионообменные смолы.

 Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х — в 90-х годов. Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол — «ионообменные» или же «иониты» (рис 1.)


Как правило, ионообменные смолы получают методами полимеризации или полимераналогичных превращений. Для получения ионообменных смол методом полимеризации используют мономеры, содержащие ионогенные группы. В случае полимераналогичных превращений ионогенные группы вводятся в инертный полимер. Возможен синтез ионообменных смол способом поликонденсации, однако эти ионообменные смолы имеют менее однородную структуру, меньшую осмотическую стабильность и химическую стойкость. Чаще всего используются сетчатые полимеры. Их получают суспензионной полимеризацией стирола, производных акриловой кислоты, винилпиридинов с диенами (рис2).

В водоподготовке используются следующие классы ионообменных смол:

  • Катионнообменные смолы (катиониты) — содержат кислотные группы, подразделяются на:

— сильнокислотные, обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;

— слабокислотные, способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

  • Анионообменные смолы (аниониты) — содержат основные группы, подразделяются на:

— сильноосновные, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;

— слабоосновные, способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6;

— промежуточной и смешанной активности.

  • Амфотерные ионообменные смолы — содержат одновременно и кислотные, и основные группы
  • Селективные ионообменные смолы — содержат комплексообразующие группы
  • Окислительно-восстановительные смолы — содержат функциональные группы, способные к изменению зарядов ионов
 

 

рис 1. Процесс работы ионообменной смолы

 

Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно — хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия (рис 3). 


Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является «химически связанной». Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. «Внешняя» же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрифугирования или фильтрования.

Еще одно разделение ионообменных смол по заряду ионов. Если в смоле происходит обмен положительно заряженных ионов (катионов), она называется катионитом; если же отрицательно заряженных (анионов), то ее название будет анионит. Практическое их отличие в способности обмена в воде с различным уровнем кислотности (уровня pH). Некоторые аниониты, например, могут «работать» при pH равным 1 – 6, а катиониты – при pH более 7. Правда, все эти тонкости больше нужно знать специалистам, подбирающим вам фильтры для очистки воды из скважины или другого источника.

Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами — уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении веса к объему (кг/м3).

Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость — весовая, объемная и рабочая.

Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.

 

рис 2. Процесс очистки води ионообменной смолой

Рабочая ионообменная емкость – величина, не измеряемая в лабораториях, так как зависит она от очень многих «рабочих» параметров: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока и многих других. Когда рабочая ионообменная емкость смолы исчерпает себя, это будет значить, что ионы в ней полностью обменялись с ионами примесей, и необходимо восстановить ее фильтрующую способность (рабочую емкость).


Изготовители ионообменных смол с помощью дополнительных исследований определяют данные, на основании которых можно рекомендовать оптимальные технологии сорбции-десорбции.

Стоит сказать, что при длительной эксплуатации ионообменной смолы, она начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс «регенерации».

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации.

Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия. Соль должна постоянно находится в солевом баке, из которого во время регенерации порционно поступает в балон.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать одну засыпку. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы ионообменной смолы составляет 3 года, при определенных условиях эксплуатации — до 6 лет. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

В Европейском Сообществе ионообменные смолы утилизируются следующим образом: ионообменные смолы, которые использовались в водоподготовке и сахарной промышленности, утилизируются под кодом 190 905. Рекомендуется обезвреживать данный продукт преимущественно путем СБМ (сжигание бытового мусора). 
Иониты со специфическими (в зависимости от сферы применения) примесями, остающиеся после водоочистки, например, в гальванотехнике, а также фотопромышленности и химической индустрии, попадают под действие предписаний для отходов группы № 190 806. Утилизация в зависимости от действующих местных нормативов проводится путем сжигания в специальной установке или на специальных наземных свалках. 

 

 

рис 3 Ионообменные смолы

Одним, из наиболее известных мировых производителе, является Purolite.

Purolite (США) — ведущий производитель качественных ионитов, катализаторов, адсорбентов и специальных высокоэффективных смол, является единственной компанией, которая направляет 100% своих ресурсов на производстве ионообменных смол и разработке соответствующих технологий (рис 4).


Наиболее широкими группами смол Purolite считаются смолы, разделенные по составу. Так, например, различают аниониты и катиониты смол Purolite. Как и следует из названий, 

катионообменные смолы Purolite в своей основе  имеют катионный обмен, в то время как принцип действия анионитов строится на анионном обмене.

Также следует разделять смолы Purolite согласно типу функциональных групп и степени диссоциации, что разделяет области их применения.

  • Сильнокислотные катионообменные смолы Purolite своей целью имеют умягчение воды и ее обессоливание.
  • Слабокислотные катионообменные смолы Purolite используются для устранения временной жесткости, а также повышенной щелочности воды.
  • Сильноосновные анионообменные смолы Purolite применяются в основном для обессоливания воды с очень высоким содержанием солей и кремния, что обуславливается высокой скоростью обмена сильноосновных анионитов Purolite. Этот способ по скорости превосходит метод очистки воды обратным осмосом.
  • Слабоосновные анионообменные смолы Purolite используются чаще всего для обессоливания органических соединений, в числе которых сахароза, молочная сыворотка, глюкоза и другое.
  • Также существует подвид смол Purolite, которые используют сразу несколько типов смол, сочетание которых обуславливается содержанием тех или иных нежелательных элементов, так же возможно применение для очистки воды от железа.

Ионообменные смолы Purolite различаются также по структуре гранул, напрямую зависящей от состава той или иной смолы. Разделяют несколько видов структур матриц смол Purolite: полистирольные, гелевые и макропористые. Также возможны смешанные структуры такие как полистирольная-гелевая и полистирольная-макропористая. Возможно применение для очистки воды от извести.

Активным компонентном, за счет которого происходит ионный обмен, смол Purolite чаще всего является натрий, однако в некоторых сильноосновных анионитах используется хлор.

 

Смолы Purolite гелевого типа, как и любые другие ионообменные смолы при контакте с водой набухают, в это время их объем увеличивается в полтора-два раза. Ионный обмен в такого рода смолах Purolite происходит довольно быстро, однако в скорости однозначно уступает макропористой структуре смолы, которая в отличии от гелевых смол Purolite еще и не так сильно набухает.

Ионообменные смолы Purolite представляют собой мелкие полупрозрачные гранулы сферической формы. Цвет гранул смолы Purolite зависит от состава смолы: так, например, сильнокислотные катионообменные смолы Purolite обладают ярко-желтым или коричневым цветом, в то время как слабоосновные аниониты Purolite представляют собой белые непрозрачные гранулы.

Промывка смол Purolite ничем не отличается от промывки остальных ионообменных смол, которые промываются специальными регенерационными растворами, восстанавливающими слой активных ионов. Частота промывки смол Purolite напрямую зависит от степени загрязненности и количеству обрабатываемой воды.

 

рис.4 Ионообменная смола Purolite C100E.

Существуют и другие смолы западного производства, к примеру Lewatit (Германия) и  Amberlite (США) (рис 5 и 6)


По предназначению эти смолы не отличаются друг от друга, каждый производитель создаёт свою марку смолы под отдельные цели.

Эти смолы отвечают всем требованиям и нормативам по пищевым продуктам и материалам, применяемым в пищевой промышленности Германии (FDA 21 CFR 173.25(a), соответствует требованиям резолюции Европейского Совета АР (97)-1 по максимальному составу экстрагируемых органических субстанций.

Так же существуют аналогичные ионообменные смолы от отечественных производителей. Последние, в отличие от вышеперечисленных, сделаны согласно соответствующим ГОСТам, что является важным для многих предприятий и потребителей. Помимо этого, отечественные ионообменные смолы на порядок ниже в цене, что делает их более доступными для потребителей.

В таблице 1 приведена выдержка из ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия (с Изменениями № 1-5) 

Производством отечественных ионообменных смол занимается множество предприятий. Называются они, как правило, в соответствии с маркой из вышеупомянутого ГОСТа. Так же приведём таблицу их соответствия (таблица 2)

Производством отечественных ионообменных смол занимается множество предприятий. Называются они, как правило, в соответствии с маркой из вышеупомянутого ГОСТа. Так же приведём таблицу их соответствия (таблица 2)

            

рис 5 Ионообмееные смолы Amberlite

рис 6 ионообмееные смолы Amberlite








Марки

Код ОКП

Марки

Код ОКП

КУ-2-8, высший сорт

22 2731 0101

КУ-23 15/100

22 2721 0300

КУ-2-8, первый сорт

22 2731 0102

КУ-23 30/100

22 2721 0400

КУ-2-8чС

22 2731 0300

КБ-2

22 2723 0100

КУ-2-20

22 2731 0600

КБ-2Н-2,5

22 2723 0800

КУ-1

22 2721 0100

КБ-4

22 2723 0200

КУ-23 10/60

22 2721 0200

КБ-4П-2

22 2723 1000

 Таблица 1. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия (с Изменениями № 1-5) ГОСТ 20298-74

 












Отечественные

urolite

Lewatit

Amberlite

КУ 2-8

C-100

S-100 

IR-120

КУ 2-8 ЧС

C-100 E

S-1467

SR 1L

АН 18-10П

A-100

MP-68 (MP-64) 

P

IRA-96

АВ 17-8

A-400

M-500

IRA 402 / 420

AB 17-8 ЧС

A-400 (OH)

М-500 KR/OH

IRA-400 /OH

КУ 2-8 ФСД

C 100*10

S-200

AmberJet 1500

АВ 17-10П/0,8

A-500

MP-500

IRA-900

АВ 17-10П/0,8

A-510

MP-510

IRA-910

КБ-4

C-104

CNP-80

IRC-86

КУ-23 10/60

С-145

SP-112

IRC 252

Таблица 2 Сравнительная таблица ионообменных смол.

Стоит отметить, что благодаря большим достижениям в синтезе ионообменных смол, их стали применять далеко за пределами первоначальной области их использования — в водоочистке. Иониты применяются всюду, где требуется удаление, выделение и концентрирование ионов в растворах, к примеру:

  • для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;
  • для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;
  • при очистке возвратных и сточных вод;
  • для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;
  • для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;
  • в качестве катализатора для органического синтеза.

Ионообменная смола — Каталог статей

Начнем с того, что у вас возникла необходимость в умягчении воды. По косвенным признакам или путем проведения химического анализа, что является более правильным, вы определили, что у вас жёсткая вода, которая требует умягчения.

Изучая фильтры для жесткой воды, вы обнаружили, что в большинстве своем они умягчают воду за счет использования ионообменных смол.

Что же это такое — ионообменная смола?

Первый секрет, который мы откроем, это то, что собственно к смоле ионообменные смолы никакого отношения не имеют. Ионообменные смолы изготавливаются из твердых, нерастворимых в воде синтетических полимеров. Внешне ионообменная смола очень похожа на икру щуки, так как состоит из гранул-«шариков» диаметром от 0,2 до 1,2 мм.

Ионообменная смола может быть монодисперсной, то есть «шарики» в ней будут одного размера и полидисперсной с различным размером гранул. Этот фактор влияет на скорость и степень очистки воды, а так же спектр удаляемых загрязнений.

Ионообменные смолы применяются для удаления из воды солей жесткости, растворенных металлов и органических соединений с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х — в 90-х годов.

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол — «ионообменные» или же «иониты»*.
*Свойства ионитов задерживать и заменять ионы так же использованы в ионитном субстрате ЦИОН.

Виды ионообменных смол

Видов ионообменных смол огромное множество: для удаления железа, марганца, для удаления органики с помощью МИКСОВ (смесей), селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.д.).

В бытовых условиях ионообменные смолы в основном применяются для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Этот процесс называется умягчением воды или ионным обменом, катионированием.

Именно на этих смолах мы остановимся подробнее, так как они работают за счет регенерации солью NaCl, что возможно сделать в бытовых условиях. Другие смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах. Есть смолы для глубокой очистки воды. Они работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

Суть процесса умягчения

В первую очередь нужно понять, что умягчение принципиально отличается от обезжелезивания. При обезжелезивании происходит окисление и перевод растворенных веществ в твердую форму для последующего фильтрования. При умягчении ионообменная смола (Na-катионит) забирает из раствора положительно заряженные ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.д. и замещает их на катионы натрия.

Таким образом мы избавляемся от проблем, которые возникают при использовании жёсткой воды:

  • Белые следы от высохших капель и белый налет на сантехнике.
  • Сухость, ощущение стягивания кожи после мытья, ломкость волос, ногтей.
  • Накипь на нагреваемых поверхностях — известковый осадок в виде песка, известковые наросты, камни различной степени прочности, от которых страдает бытовая техника: чайники, стиральные машины, паровые приспособления, душевые лейки.
  • Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Хотя правильнее будет говорить не жёсткость, а концентрация жёсткости. Потому что в природной воде и в воде из-под крана (в любой воде, не прошедшей через специальные фильтры или специальную обработку) всегда есть какой-либо уровень жёсткости. Концентрацию жёсткости дают растворенные в ней соли. Накипь на чайнике — это отложения именно тех самых растворенных солей.

Как работает ионообменная смола?

  1. На поверхности каждой гранулы сосредотачивают электрический заряд с отрицательным и положительным знаком. Катионит имеет на поверхности большое количество отрицательно заряженных точек.
  2. Согласно уравнению равновесия ионообмена, эти отрицательно заряженные точки уравновешиваются положительно заряженными ионами раствора воды.
  3. При прохождении раствора воды через ионообменные смолы соли кальция и магния улавливаются ионитом и задерживаются на нём.
  4. Положительно заряженные ионы отсоединяются и уступают им место. Этот процесс лимитируется количеством удержанных ионов.
  5. Далее происходит перезарядка ионов- регенерация, основанная на обратимости ионообменного процесса. Теперь через ионообменную смолу пропускается регенерирующий раствор, который снимает ионы с гранулы и уносит их.
  6. Ионообменная смола вновь готова к работе. Ионообменный процесс на анионите отличается только знаками заряда ионов и химическими соединениями.

Емкость ионообменной смолы

По своей сути, емкость ионообменной смолы сродни емкости аккумуляторной батарейки.

Ионообменная смола имеет некий запас натрия, который в процессе ионообменного обмена замещается ионами растворенных солей, тем самым снижая способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы, не изменяя своих свойств.

Собственно этот запас натрия и определяет емкость смолы. Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

Скорость фильтрации и производительность

На то, чтобы произошел ионообменный процесс необходимо время. Чем грязнее вода, чем больше в ней растворенных веществ, тем медленнее она должна проходить через смолу для хорошей очистки.

Казалось бы, гранулы ионообменной смолы — это гладкие шарики, но на самом деле их поверхность пористая. Стенки этих пор тоже являются рабочей поверхностью, на которой закреплен натрий, способный к обмену с кальцием и другими катионами. Чем мельче фракция смолы — тем больше ее рабочая поверхность и, соответственно, скорость обмена больше. А значит большее количество ненужных нам растворенных веществ задержится в смоле. Но при этом, чем смола мельче, тем хуже ее дренажные свойства, а значит скорость фильтрации воды будет ниже.

Фильтроцикл

Выбирая фильтр для очистки жесткой воды, нужно обязательно обратить внимание на ресурс умягчающего фильтроэлемента. Производители фильтров рассчитывают работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенерацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Последовательность стадий насыщения и регенерации ионообменной смолы называется фильтроциклом. Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.
Например, фильтроэлементы Барьер Эксперт Смягчение и Барьер Профи Смягчение имеют ресурс 500 литров и производительность 2л/мин.

Производитель предупреждает о необходимости полной замены фильтроэлемента не реже, чем 1 раз в год и обязательном учёте жёсткость исходной воды.

Так, например при исходной жёсткости воды 5 мк-экв/л и среднесуточном потреблении питьевой воды 5 литров, вам нужно будет регенерировать фильтроэлемент 1 раз в два месяца. Если же исходная жесткость воды 10 мк-экв/л, то 1 раз в месяц.

Вот почему так важно перед покупкой фильтра сделать анализ воды, которую необходимо очищать. Информация о составе воды позволит вам подобрать оптимальный вариант очистки и избавит от ненужных трат.

Регенерация ионообменной смолы

В процессе эксплуатации фильтров для жёсткой воды, ионообменная смола начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс регенерации.

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации. Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать один фильтроэлемент. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы фильтроэлементов, содержащих ионообменную смолу, определяется производителем. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

Что такое ионообменная смола? Как это работает?

Синтетические ионообменные смолы


Классификация и основные понятия


Ионообменные синтетические смолы широко используются в разных областях деятельности человека. Большая часть производимых на сегодняшний день ионитов применяется в разнообразных технологических процессах (технология неорганических и органических веществ, очистка сточных вод и газовых сред, подготовка воды в разных технологических процессах, катализ, радиохимия, медицина и биология). Также иониты нашли применение и в небольших бытовых системах для доочистки питьевой воды. В настоящее время большую часть российского рынка ионообменных смол занимают зарубежные компании Purolite, Rohm & Haas, Dow Chemical, Bayer, Pure Resin Co. Ltd, украинские ОАО «Азот» (г. Черкассы) и ГП «Смолы» (г. Днепродзержинск), а также российские ОАО «Азот» (г. Кемерово), ЗАО «ТОКЕМ» (г. Кемерово). Ассортимент смол, предлагаемый как зарубежными, так и отечественными поставщиками, многообразен и велик. Этот факт затрудняет создание единой терминологии, наиболее точно и полно характеризующей их свойства и ионообменные процессы.


Ионообменными смолами называются искусственные органические высокомолекулярные соединения, обладающие ионообменными свойствами. Существует несколько типов классификации ионообменных смол.


  1. По «пористости» можно разделить на гелевые (непористые) и макропористые. В гелевых ионитах поры, как таковые, отсутствуют. Доступность ионообменных групп обеспечивается набуханием ионита, в результате чего в материале образуется пористость. Макропористые иониты получают введением в массу порообразователя – инертного растворителя в процессе синтеза (например, высших углеводородов и спиртов). Часть растворителя задерживается в матрице и после его удаления из гранул получаются смолы с развитой внутренней поверхностью в ненабухшем состоянии и большим объемом пор. Макропористые иониты мало набухают, но благодаря развитой пористой поверхности, очень активны в обменных процессах. Удельная поверхность таких ионитов составляет от 20 до 130 м2/г. Диаметр пор макропористых ионитов варьирует от 200 до 1000 A.
  2. По природе противоиона (H+ — кислотная форма, K+, Na+, Cl, SO  — солевая форма, OH — гидроксильная форма).
  3. Большинство производителей придерживаются классификации по знаку заряда противоиона.

    Например:

    • Катиониты – полимеры, способные поглощать из растворов электролитов положительно заряженные ионы (катионы) и обменивать их в эквивалентных количествах на другие катионы.
    • Анионы – полимеры, способные поглощать из растворов электролитов отрицательно заряженные ионы (анионы) и обменивать их в эквивалентных количествах на другие анионы.

Катиониты проявляют свойства поликислот, а аниониты – полиоснований.


Также выделяют группу смол под общим названием амфотерные иониты или полиамфолиты. Они содержат подвижные кислотные и основные группы и в зависимости от условий могут проявлять себя как катиониты или аниониты.


Ионит состоит из матрицы (каркаса) – высокомолекулярная, практически нерастворимая в воде или других растворителях часть ионообменного материала, обладающая определенным зарядом (у катионитов – отрицательный, у анионитов – положительный). С матрицей связаны подвижные ионы – противоионы. Противоионы обладают зарядом, противоположным заряду ионогенной группы матрицы. В целом зерно ионообменного материала нейтрально. Противоионы подвижны и способны обмениваться на ионы того же знака. Для наглядности ионит можно сравнить с губкой, в порах которой циркулируют противоионы. Если погрузить губку в раствор, противоионы переместятся в раствор, а их место займут ионы того же знака из раствора, чтобы сохранить электронейтральность зерна. 


Если ионит, содержащий только противоионы одного типа (на рисунке 1 они изображены синим цветом), поместить в раствор с противоионами другого типа (на рисунке 1 они изображены красным цветом)то ионы первого типа начнут замещаться на ионы второго типа.


а б



Рисунок 1 – схема ионного обмена между ионитом и раствором


а – начальное состояние; б – ионообменное равновесие;


1 – матрица с фиксированными ионами; 2 – противоионы; 3 – коионы.


 


Этот процесс будет продолжаться да тех пор, пока не установится равновесие: ионит и раствор будут содержать ионы двух видов в определенном соотношении. Такое состояние принято называть ионообменным равновесием. Помимо противоионов в ионит поступают растворитель с растворенными в нем ионами – коионами. Коионы – ионы, обладающие тем же зарядом, что и матрица ионита.


 


Катиониты


Катиониты представляют собой высокомолекулярные твердые нерастворимые поликислоты, содержащие кислотные группы: сульфогруппы, карбоксильные, фосфиновокислые, селеновокислые и др. Они диссоциируют в воде на малоподвижный макроанион (матрица) и подвижные катионы:


 


RAn | Kt+


 


Катиониты, у которых все подвижные ионы представлены ионами водорода, обозначаются как H-катиониты или H-форма катионита. В тех случаях, когда вместо водорода подвижные ионы представлены катионами металлов (Na+, Ca2+ и др.), применяется соответствующее обозначение солевой формы Na- или Ca-катионит либо Na- или Ca-форма катионита.


Катиониты можно разделить на сильнокислотные и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты способны обменивать противоионы на внешние ионы в щелочной, нейтральной и кислой средах. Слабокислотные катиониты обменивают противоионы на другие катионы только в щелочной среде. К сильнокислотным относят катионитам с сильно диссоциированными кислотными группами – сульфокислотными. К слабокислотным относят катиониты со слабо диссоциированными кислотными группами – карбоксильными.


 


Аниониты


Синтетические аниониты содержат в макромолекуле функциональные группы основного характера и представляют собой твердые полимерные основания. Аниониты диссоциируют в воде на малоподвижный макрокатиоин (матрица) и подвижные анионы:


 


RKt+ | An


 


Слабоосновные аниониты имеют в своем составе первичные, вторичные, третичные и четвертичные аминогруппы, сильноосновные аниониты содержат четвертичные аминогруппы. Сильноосновные аниониты обменивают противоионы в щелочной, нейтральной и кислой средах, а слабоосновные – только в кислой среде. Как уже отмечалось, аниониты могут поставляться в гидроксильной (OH) или солевой (Cl) форме. При длительном хранении анионитов в гидроксильной форме их обменная емкость может снижаться, что, скорее всего, связано с окислением этих полимеров. В результате этого число свободных основных групп уменьшается. Поэтому хранить смолы рекомендуется в солевой форме и в увлажненном состоянии.


 


Физико-химические свойства ионитов


1. Обменная ёмкость


Обменная ёмкость – один из наиболее важных показателей свойств ионитов. Она определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену. Измеряется в единицах массы воздушно-сухого или в единицах объема набухшего ионита и соответственно выражается в мг-экв/г или мг-экв/см3. Как правило, российские и зарубежные производители смол чаще указывают обменную ёмкость в единицах объема набухшего ионита (мг-экв/см3).


Различают полную и равновесную обменную емкость. Полная обменная емкость (ПОЕ) соответствует общему количеству функциональных групп в единице объема влажного или единицы массы сухого ионита. ПОЕ величина постоянная для данного образца. Так как ионный процесс – процесс равновесный, то вводится понятие «равновесная объёмная ёмкость» (РОЕ). РОЕ зависит от ряда условий протекания процесса: pH среды, температура, концентрации растворов, технологические условия протекания процесса (скорость подачи раствора, площадь фильтрования, др.). Таким образом, равновесная обменная ёмкость величина переменная, зависящая от различных условий.


 


Селективность


Селективностью называется способность избирательно поглощать из раствора некоторые ионы или группы ионов. При катионном обмене на слабосшитом (до 8 – 10 % ДВБ) сульфокатионите из разбавленных растворов, в которых нет реакций комплексообразования, имеет место следующий ряд селективности для щелочных и щелочноземельных элементов:


Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+;


Ra2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+ > Be2+.


Сродство ионов щелочных и щелочноземельных металлов к слабосшитому сульфокатиониту уменьшается в ряду в полном соответствии с уменьшением их порядкового номера и размера иона и с увеличением радиуса гидратированного иона.


С увеличением количества сшивающего агента в монофункциональных сульфокатионитах и изменение природы функциональных групп (например, с – SO3H на – COOH) приводит к полному обращению рядов селективности.


Для сильноосновных анионитов характерен следующий ряд селективности:


SO > I > NO> CrO > Br > CSN > Cl > F.


Слабоосновный аниониты проявляют повышенную избирательность к гидроксил-иону (OH), другие ионы легко им вытесняются. Ряд селективности имеет вид:


OH > SO > CrO > NO > Br > Cl > F.


 


Осмотическая стабильность


Иониты способны к набуханию в воде и органических растворителях, при этом проявляется действие осмотических сил на зерно ионита. Степень набухания ионита в воде зависит от свойств ионита и состава раствора и значений pH раствора. При увеличении степени набухания зерен их размер увеличивается, при уменьшении степени набухания – зерно уменьшается. Этот процесс называют «дыханием» ионита. Циклические процессы растягивания и сжатия зерна приводят к разрыву цепей матрицы и растрескиванию гранул ионита. Особенно остро стоит вопрос о механической прочности анионитов, так как их стоимость выше, а срок службы меньше, чем у катионитов. Полностью исключить воздействие осмотических сил на зерно ионита невозможно, но, благодаря некоторым мерам, можно снизить. Нельзя допускать высыхание ионита, поставляемого во влажном состоянии (как правило, массовая доля влаги составляет 40 – 65%). Воздушно-сухие иониты во избежание осмотического удара предварительно замачивается в концентрированном растворе хлорида натрия.


 


Механическая прочность


Осмотическая устойчивость и механическая прочность ионита зависит от строения матрицы ионита, формы зерна, температуры, свойств среды и других факторов. Разрушение зерна ионита происходит в результате недостаточной осмотической стабильности, при трении гранул друг о друга, о стенки аппаратуры, а также при соприкосновении с движущимися потоками среды. Перепад давления в ионообменных колоннах также может стать причиной растрескивания или полного разрушения гранул ионита. В отечественной литературе для оценки механической прочности ионообменных материалов используют два понятия: истираемость – износ материала вследствие трения зерен друг о друга при промывках (предельное значение – 0,5 %) и измельчаемость – износ в результате растрескивания зерен (до 4 %). Смолы импортного производства характеризуются показателем «cracked» — процентное соотношение целых и треснувших гранул, и показателем «broken» — процентное соотношение целых и полностью разрушенных гранул.


 


Гранулометрический состав


Скорость всего ионообменного процесса определяется лимитирующей стадией. Для процессов, протекающих в водной среде, это скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через плёнку, пройти через граничную поверхность частицы внутрь смолы. У чистых смол диффузионные пути не загрязнены посторонними примесями и доступ к поверхности зерна не заблокирован. С увеличением скорости потока уменьшается толщина водяной пленки, что облегчает прохождение ионов к поверхности зерна. Повышение температуры воды ведет к уменьшению ее вязкости, что способствует увеличению скорости диффузии и увеличению кинетики ионного обмена. Другим важным фактором является соотношение между объема частицы к ее поверхности. С уменьшением диаметра зерна на каждую функциональную группу приходится большая поверхность обмена.


Существует оптимальное соотношение между размером гранул и толщиной слоя материала, засыпаемого в ионообменные фильтры. Мелкозернистый ионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую ионообменную емкость, чем крупно-зернистый. Однако, с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Исходя из вышесказанного, наибольшее распространение получили смолы с размером зерна 0,3 – 1,5 мм. В технологиях ионирования с противоположными по направлению потоками обрабатываемой воды и регенерирующего раствора большое значение имеет однородность гранул (монодисперсность). Степень однородности размеров зерен существенно влияет на процесс ионного обмена. При промывке вынос мелкой фракции начнется гораздо раньше, чем придут в движение более крупные частицы. Если снизить скорость промывки для предотвращения выноса мелкой фракции, крупные частицы будут промыты недостаточно.


Основные параметры, характеризующие фракционный состав ионообменного материала, определяются ситовым анализом. Навеска материала просеивается через ряд калибровочных сит, остатки на ситах взвешиваются, и определяется процентное соотношение между различными фракциями. На основе полученных результатов высчитывается эквивалентный диаметр зерен dэ (эффективный размер), мм.


dэ = ,


где pi – процентное содержание зёрен со средним диаметром dk, оставшихся на сите при рассеве. Средний диаметр dk определяется, как размер ячейки сита.


Коэффициент неоднородности загрузки kн


kн = ,


d80 – калибр сита, через который прошло 80 % при просеивании зерен ионита;


d10 – калибр сита, через который прошло 10 % при просеивании зерен ионита.


 


Химическая стойкость


Химическая стойкость ионообменной смолы определяется изменением объёмной ёмкости, типа ионогенных групп, механической прочности и зависит от природы агрессивной среды, строения полимерного каркаса, прочности связи с ним функциональных групп. Химически стойкими являются связи типа C-C, C-P, C-S, связи C-N, C-O легко подвергаются гидролизу. Поэтому химическая стойкость катионитов, как правило, выше, чем анионитов. К разрушающему воздействию кислот и щелочей наиболее устойчивы сульфокатиониты на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. Слабоосновные аниониты меньше подвержены химической деструкции, чем сильноосновные. В связи с этим, в схемах с использованием анионообменных смол на первой ступени используют слабоосновный анионит, а на второй ступени сильноосновные анионит.


Разрушающие действие на смолы оказывают различные окислители (хлор, озон, перекись водорода и др.). При процессах окисления происходит разрушение связей между различными группами в каркасе ионита, структура матрицы нарушается, снижается степень сшивки. Под действием различных химических агентом иониты способны пептизироваться, то есть переходить в коллоидное состояние и утрачивать ионообменную способность.


 


Термическая стойкость


При нагревании в воде сульфокатионита происходит отщепление сульфогрупп с образованием серной кислоты:


RSO3H + H2O RH + H2SO4


При температуре выше 150 0С серная кислота окисляет полимер, при нагревании выше 250 0С образуются сульфоны и происходит дополнительное сшивание цепей:


RSO3H + RH RSO2R + H2O;


RSO3H + RSO3H RSO2R + H2SO4.


Более устойчивыми являются солевые формы сульфокатионита:


RSO3M + H2O RH + MHSO4.


Их термический гидролиз протекает с меньшей скоростью, чем гидролиз Н-катионитов.


Аниониты в большей степени, чем катиониты, при термическом гидролизе склонны к необратимым процессам, чем катиониты. Наименьшей химической стойкостью обладают сильноосновные аниониты. Подвергаясь реакциям дезаминирования (отщепление аминогруппы) и деструкции (процесс разрыва химических связей, приводящий к уменьшению степени полимеризации), сильноосновные аниониты превращаются в слабоосновные. В результате таких химических превращений образуются амины и низко- и высокомолекулярные спирты. Также как и катиониты, аниониты проявляют большую устойчивость в солевой форме.

Умягчение. Очистка воды ионообменными смолами. Как это работает?

Для удаления из воды солей жесткости, растворенных металлов и органических соединений уже более 50 лет используют иониты:

Иониты — это вещества (материалы), способные при определенных условиях заменять определенные ионы в растворах на другие. В бытовой водоочистке используются иониты:

  1. цеолиты
  2. ионообменные смолы — катиониты и аниониты в различных комбинациях,

требующие регенерации поваренной солью NaCl, соляной кислотой HCl или гидроксидом натрия NaOH — в зависимости от типа материала.

Процесс удаления растворенных солей и металлов на ионообменных смолах называется умягчением (ионным обменом, катионированием, применяют также вводящие в заблуждения определения: «комплексная очистка», «универсальная очистка»)

Изначально в бытовых условиях этот метод применялся в основном для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Однако, сейчас есть большой выбор ионообменных смол и для удаления железа, марганца, а также органики с помощью МИКСОВ (смесей) катионитов и анионитов.

Пример марок таких смол: АПТ-2, Ecomix, Ecotar, Ferosoft, Promix, Ionofer и прочие.

Также надо понимать, что выбор ионообменных смол сейчас огромный. Есть селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.д.) — они очень дорогие и в бытовых условиях применяются редко. В основном используются катиониты, антониты и миксы для удаления широкого спектра загрязнений.

Ионообменные смолы — это очень обширная тема. Мы говорим здесь исключительно о бытовой водоочистке и я буду сообщать только то, что следует знать о смолах в ключе нашей задачи — очистить воду в частом доме, либо на малом производстве от растворенных солей и металлов.

Что представляет из себя ионообменная смола?

Ионообменные смолы к смоле в прямом смысле слова отношения не имеют. Они изготавливаются из твердых нерастворимых в воде синтетических полимеров. Гранулы смолы — шарики правильной формы размером от 0,2 до 1,2 мм диаметром. Гелевой или макропористой структуры.

Шарики смолы похожи на мелкую икру щуки или на «тобико» — икру летучей рыбы. Монтажники водоочистки, даже называют смолу «икрой» на профессиональном сленге.

Смолы бывают монодисперсные — где все «икринки» одинакового размера — это позволяет обрабатывать воду быстро с малым сопротивлением и высокой степенью «очистки». А бывают смолы полидисперсные с различным размером гранул, например, ионообменные «миксы» для удаления широкого спектра загрязнений имеют в своем составе частицы разного размера.

 

Суть процесса умягчения

суть процесса принципиально отличается от обезжелезивания.

Смолы не окисляют и не переводят растворенные вещества в твердую форму для последующего фильтрования, а, наоборот — забирают из раствора ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.д. и замещают их на катионы натрия, который не придает воде такого свойства оставлять следы и накипь, как жесткость.

Есть ионообменные смолы для глубокой деминерализации воды. Они регенерируются не солью, а кислотой, щелочью в зависимости от типа и выделяют при ионном обмене ионы H+ и OH- в зависимости от типа смолы, тем самым смещают pH воды в ту или иную сторону. Также есть смолы для глубокой очистки воды, которые работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

В данной статье мы будем говорить только о натриевых смолах, которые работают за счет регенерации солью NaCl, так как они наиболее применимы в бытовых условиях. Остальные смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах.

В процессе работы Na-катионита (на стадии насыщения) — ионообменной смолой поглощаются из воды положительно заряженные ионы кальция, магния, железа, марганца и выделяется в воду натрий. Общая солевая насыщенность воды (TDS) при этом остается неизменной или даже возрастает. Это зависит от типа растворенных веществ, которые забирает смола и их концентраций, конечно.

Исходя из вышесказанного возникает важный параметр ионообменных смол — ионообменная емкость смолы.

Ионообменая емкость

Емкость смолы для простоты объяснения сути процесс — подобна емкости электрической батарейки.

Есть запас натрия на стенках пор частиц смолы, который в процессе ионного обмена постепенно покидает смолу, замещаясь кальцием, железом и т.д., тем самым снижается способность смолы забирать из воды растворенные вещества.

Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы не изменяя своих свойств.

Чтобы очистка воды от солей не прекращалась рассчитывают так называемый фильтроцикл смолы, исходя из общей ионообменной емкости загрузки умягчителя поделенной на сумму количества загрязнений воды по формуле:

Железо*1,37+Марганец*2+Жесткость = Общее количество загрязнений мг экв/л

Емкость смолы обозначается разных странах различными единицами:

В Росси жесткость обозначается в градусах = граммам экв. на литр смолы. Вот такими емкостями обладают некоторые смолы :

приведены ориентировочные данные, есть нюансы, читайте инструкции производителей смол!

На практике емкость смолы рассчитывают с уменьшенным значением исходя из соображения, что смола работает в не идеальных условиях + учитывается погрешность в анализе воды. Для катионитов принимаем значение емкости 1.5 гр/л, для миксов 1 и 0,6 — примерно так.

По факту точное значение емкости смолы определяется только наблюдением за работой умягчителя. Когда ионный обмен прекращается — смотрим сколько воды прошло очистку и выставляем значение на автоматике с небольшим запасом.

Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

В таком случае помогает промывка смолы кислотой или специальным средством очистки ионообменных смол:
БОС, Ферронет, ProRustOut

Загадочное понятие эквивалента

Когда мы говорим о емкости ионита в численном выражении, мы используем единицы миллиграмм эквивалент на литр смолы (мг.экв/л). Что же такое эквивалент?

Эквивалент вещества — это реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в кислотно-основных (ионообменных) химических реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Определение выше взято из Википедии. Более подробное объяснение понятия эквивалент здесь (ВИДЕО).

Простыми словами эквивалент не прямо указывает на массу вещества, а сообщает об его относительной молярной массе его ионов равной массе ионов с противоположным знаком, которые требуются для того, чтобы образовать молекулярную связь и привести ионы в равновесие. Сложно, да?

Но есть хорошая новость — разбираться в этом совершенно нет никакой необходимости. Выбросьте это из головы. Для успешного подбора, расчета, монтажа и эксплуатации умягчителя вникать в понятие эквивалента не нужно.

Я больше не буду возвращаться к этой теме, мы будем игнорировать «экв.» и говорить о жесткости «мг/л» для простоты, хотя это и не совсем верно. Для наших целей понятие эквивалента не актуально.

Фильтроцикл — последовательность стадий насыщения и регенерации

Мы заранее рассчитываем работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенрацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Этот цикл называется в водоочистке фильтроциклом.

Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.

Желательно, чтобы работы бытового умягчителя без промывки хватало примерно на 1 неделю или примерно равно необходимому недельному расходу воды. Это мое сугубо личное профессиональное представление о бытовом расходе воды, у Вас могут быть другие требования. Например, раз в 3 дня или раз в 3 недели — дело Ваше. Смысл в том, чтобы умягчителем было удобно пользоваться. Раз в неделю ночью происходит промывка умягчителя автоматически. Нужно только следить за уровне соли в солевом баке. И вода всегда будет мягкая.

Если речь идет об очистке воды на производстве — там фильтроцикл может быть и 12 часов, главное рассчитать все так, чтобы фильтр не требовал промывки во время активной фазы водоразбора.

Производительность умягчителя

Благодаря сферической форме и одинаковому размеру гранул у ионообменной смолы очень хорошие дренажные свойства. Через умягчитель можно пропустить довольно большой объем воды в час без существенной потери давления на выходе.

Однако! Ионный обмен не происходит моментально. Реакция ионного обмена занимает некоторое время, поэтому важным параметром работы умягчителя является СКОРОСТЬ движения воды внутри колонны.

Скорость помноженная на площадь сечения (поле фильтрации) баллона дает нам представление об объеме очищаемой воды в час, иначе говоря — о ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.

Итак, у нас есть два новых параметра — скорость и производительность!

Скорость фильтрации

Различные ионообменные смолы имеют разную максимально допустимую скорость фильтрации, к тому же количество удаляемых веществ тоже влияет на процесс очистки воды. Чем быстрее вода проходит через толщу смолы — тем, получается, хуже очищается вода, так? Да, это так.

И наоборот, чем медленнее движется вода через толщу смолы — тем дольше контакт ионообменного материала с водой и, соответственно, более полноценно происходит реакция обмена, на выходе вода будет чище.

Чем грязнее вода — тем медленнее надо прогонять воду через смолу для хорошей очистки.

Глядя на смолу мы видим гладкие шарики, но на самом деле они пористые и стенки этих пор тоже представляют собой рабочую поверхность, на которой закреплен натрий, готовый к обмену с кальцием и другими катионами. Тем не менее, поверхность крупиц тоже работает и чем мельче фракция смолы — тем больше ее рабочая поверхность и, соответственно, скорость обмена больше. Но при этом чем смола мельче, тем хуже ее дренажные свойства.

Баланс между площадью рабочей поверхности и дренажными свойствами, видимо, был найден производителями в размере частиц 0,3-0,5 мм, но некоторые смолы выпускаются и более мелкой фракции.

Как бы там ни было — каждый ионообменный материал имеет максимально допустимую скорость фильтрации. Нужно смотреть мануал от производителя на фильтрующий материал, чтобы получить эту информацию из первоисточника.

Например, скорость фильтрации для Lewatit S 1567 рекомендуется производителем не более 60 метров в час, правда, не уточняется при каких именно условиях. Но для большинства ионообменных смол скорость фильтрации принимается за 15-20 метров в час. Особенно это касается смол для удаления из воды железа и марганца.

Условия эксплуатации ионообменных смол

Иониты прекрасно удаляют растворенные вещества, однако, они легко загрязняются взвесями — особенно трехвалентным железом. Поэтому в воде, которая проходит очистку ионообменной смолой не должно быть взвешенных веществ, а если вода железиста, то не должно быть и кислорода, ведь железо окисляется и образует частицы гидроокиси, которая губительно влияет на смолу. Присутствие сероводорода не желательно и может негативно сказываться на работе некоторых ионообменных загрузок. Об этом говорится в инструкциях производителей, которые следует лично читать прежде, чем выбрать тот или иной продукт для своей системы водоочистки. Воду, которой предстоит очистка в умягчителе желательно предварительно осветлять с помощью магистральных фильтров с полипропиленовыми картриджами, либо на специальных загрузках с помощью обезжелезивателя.

 

 

Вода входит в колонну по трубе от 16 до 32 мм диаметром, расширяется на весь диаметр колонны и продолжает движение вниз через толщу смолу с заметно меньшей скоростью, чем она шла по трубе. Затем у дна колонны вода проникает в центральную трубку, поднимается по ней и, проходя через клапан управления, по трубам поступает к потребителю. Потребитель открывает краны в доме — иногда 1 кран, а иногда и несколько.

Типичная картина: вечер, вся семья в сборе, вода хлещет из всех кранов: стирает машинка, моется посуда на кухне, на втором этаже наполняют ванну, сливаются унитазы… одновременно.

Чтобы в доме не ощущалось перепадов давления при открытии нескольких кранов сразу нужна хорошая производительность системы.

Мы считаем максимальное количество потенциально открытых кранов — это и будет необходимая производительность умягчителя.

Как рассчитывать фильтроцикл и производительность?

Дома разные и в них живут разные люди. Кто-то приезжает на выходные вдвоем, другой живет постоянно с большой семьей.

Кто-то любит принимать ванну утром и вечером, а другой работает тренером в спортзале и ему хватает душа на работе. Ему вода нужна только, чтобы посуду мыть.

У третьего автомойка или фермерское хозяйство и ему воды надо в день по 10 кубов! Как бы там ни было — вопрос расчета не представляет больших трудностей.

Для расчета фильтроцикла будущего спасителя умягчителя будем действовать по шагам:

  1. Подумаем какой нужен фильтроцикл (на сколько дней)
  2. Прикинем максимальную производительность (скорость потребления воды)
  3. Рассчитаем общее количество удаляемых веществ в воде
  4. Подберем размер колонны и соответственно объем смолы
  5. Не забудем про солевой бак и его размер

Этап 1. Необходимый фильтроцикл

Подумайте, каков желаемый фильтроцикл? Для бытовых нужд — одна-две недели — оптимально. Чаще, чем раз в неделю не нужно, а реже 1 раза в 2-3 недели не очень хорошо, все-таки смола накапливает в себе всякие загрязнения механического характера и их надо смывать прежде, чем в смоле заведутся бактерии.

Предстоящий объем потребления воды просто прикиньте, посмотрите на счетчик. Поставьте счетчик в конце-концов и замерьте объем воды. Учитывайте сезонность и тот объем воды, который используется без предварительной очистки — вода в саду, например.

Допустим, в среднем Ваша семья потребляет 13 м3 воды в месяцВ нашем примере мы принимаем желаемый фильтроцикл 1 промывка через каждые 10 дней. Значит: нам нужна промывка через каждые 4,5 куба.

Этап 2. Максимальная (пиковая) производительность

Прикиньте соотношение максимального количества потенциально открытых кранов в доме, когда вся семья дома.

Вам поможет эта таблица производительности:

Допустим, у нас в доме 2 санузла:

1) СУ 1: Унитаз и раковина

2) СУ 2: Душ, унитаз, раковина

+ кухня и стиральная машинка

А в доме живет всего 3 человека. Мама, папа и взрослая дочь. Итак, одновременно может быть открыто по 1 крану в каждом СУ, на кухне моется посуда + стирает машинка. И судя по таблице максимальная производительность будет: 12+5+7+4 = 28 литров в минуту. Умножим на 60 мин — получаем 1,7 куба в час. Это именно максимальная производительность и она будет достигаться в очень редких случаях. Наиболее вероятно, что обычно скорость разбора воды не будет превышать 1,5 куба в час. Поэтому, глядя на картинку более реалистично берем в расчет 1,5 куба воды в час

Этап 3. Расчет количества удаляемых веществ

Это очень просто! Если требуется только умягчение, то мы просто берем жесткость воды из анализа, смотрим сколько там мг/л солей жесткости. Если помимо солей жесткости требуется удаление железа/марганца — то мы считаем сумму загрязнений по формуле:

Железо*1,37 + Марганец*2 + Жесткость = Общее количество загрязнений мг экв/л

таким пересчетом мы приводим все загрязнения к общему знаменателю так сказать… к эквиваленту жесткости.

Для удобства расчета я придумал КАЛЬКУЛЯТОР УМЯГЧИТЕЛЯ — пользуйтесь, но смотрите только не ломайте :))

Калькулятор показывает какую надо взять колонну, сколько смолы и главное — какую смолу сыпать!

Вам останется только прислать мне свой заказ на ватсап. Я вышлю Вам оборудование транспортной компанией за пару дней в любой город России.

Сам калькулятор доступен по ссылке в виде гугл-таблицы — пользуйтесь. (ЛИСТ — «расходы воды»)

Допустим, в нашей воде 0,7 мг растворенного двухвалентного железа, 0,18 мг марганца и 6,4 мг/л солей жесткости. В таком случае расчет следующий: 0,7*1,37+0,18*2+6,4 = 7,74 общее количество удаляемых веществ

Этап 4. Подбор размера колонны и количества смолы

Для умягчителей используются колонны (корпуса фильтров) для водоподготовки стандартных типоразмеров. Они примерно одинаковы для всех производителей, делаются по неким мировым стандартам и взаимозаменяемы. Однако, могут быть небольшие отличия в размерах на пару сантиметров по высоте.

Колонну желательно брать неокрашенную, чтобы видеть на просвет, что там внутри происходит во время промывки. А чтобы свет не проникал внутрь колонны и там не развивались водоросли (как это происходит в аквариуме) следует надевать на колонну термоизоляционный чехол.

Как происходит фильтрация?
Как происходит регенерация?
Скорости умягчения

Умягчение. Как это работает?

На этом ВИДЕО очень классно показано общее устройство умягчителя. Четко,профессионально точно, коротко и ясно:

Метод посчета расхода соли:

2. Обменная емкость смолы = 1.2г*экв/литр смолы
Расход соли на регенерацию одного литра смолы возьмем = 120г/литр смолы
Жесткость = 32мг*экв/литр
Тогда на умягчение 1 литра воды будет затраченно следующее количество соли:
(120г/лсмолы)*(32мг*экв/л)/(1200мг*экв/л.смолы)=3,2г/л

Рассказать друзьям

Что такое ионообменная смола и как она работает?

Хотя многие из нас слышали об ионообменных смолах (IX), немногие из нас понимают, как на самом деле работает эта технология. Независимо от того, взвешиваете ли вы потенциальные стратегии обработки, ищете способы максимально использовать имеющиеся у вас смолы IX или просто интересуетесь химическим составом IX, вы можете спросить «Что такое ионообменная смола и как она работает?»

Независимо от ваших целей, эта статья поможет вам принять более обоснованные решения в отношении правильных стратегий очистки воды для вашего предприятия, помогая лучше понять технологию смолы IX и то, как она удовлетворяет различные потребности в очистке и сепарации воды.

Что такое ионообменные смолы?

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой растворенные ионы удаляются из раствора и заменяются другими ионами с таким же или подобным электрическим зарядом. Не являясь химическим реагентом сама по себе, смола IX представляет собой физическую среду, которая способствует реакциям ионного обмена . Сама смола состоит из органических полимеров, которые образуют сеть углеводородов. По всей полимерной матрице расположены центры ионного обмена, где к полимерной сетке прикреплены так называемые «функциональные группы» либо положительно заряженных ионов (катионов), либо отрицательно заряженных ионов (анионов).Эти функциональные группы легко притягивают ионы с противоположным зарядом.

Каковы физические свойства смол IX?

Геометрическая форма, размер и структура смол IX могут варьироваться от одного типа к другому. В большинстве систем обмена IX используется слой смолы, состоящий из крошечных пористых микрошариков, хотя в некоторых системах, например, используемых для электродиализа, используется пластиковая сетка из смолы. Шарики из смолы IX обычно маленькие и сферические, с радиусом всего от 0,25 до 1.Размер 25 миллиметров. В зависимости от области применения и конструкции системы гранулы смолы могут иметь однородный размер частиц или распределение по гауссу по размеру. В большинстве случаев используются шарики из гелевой смолы, которые имеют полупрозрачный вид, обладают высокой емкостью и химической эффективностью. Макропористые смолы, узнаваемые по непрозрачному белому или желтому цвету, обычно используются в сложных условиях, поскольку они обладают сравнительно большей стабильностью и химической стойкостью.

Из чего состоят смолы IX?

Матрица смолы IX образуется путем сшивания углеводородных цепей друг с другом в процессе, называемом полимеризацией.Сшивание придает полимерному полимеру более прочную, более упругую структуру и большую емкость (по объему). В то время как химический состав большинства смол IX представляет собой полистирол, некоторые типы производятся из акрила (акрилонитрила или метилакрилата). Затем полимерный полимер подвергается одной или нескольким химическим обработкам для связывания функциональных групп с участками ионного обмена, расположенными по всей матрице. Эти функциональные группы — то, что придает смоле IX ее способность к разделению, и они будут значительно различаться от одного типа смолы к другому.К наиболее распространенным составам относятся:

  • Сильные катионообменные смолы (SAC). Смолы SAC состоят из полистирольной матрицы с сульфонатной (SO 3 ) функциональной группой, которая заряжена либо ионами натрия (Na 2+ ) для смягчения, либо ионами водорода (H + ) для деминерализации
  • Слабокислотные катионообменные смолы (WAC). Смолы WAC состоят из акрилового полимера, который был гидролизован серной кислотой или каустической содой с образованием функциональных групп карбоновых кислот.Из-за их высокого сродства к ионам водорода (H + ) смолы WAC обычно используются для селективного удаления катионов, связанных с щелочностью.
  • Сильноосновные анионообменные смолы (SBA). Смолы SBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию и аминированию для фиксации анионов на сайтах обмена. Смолы SBA типа 1 получают путем применения триметиламина, который дает хлорид-ионы (Cl ), а смолы SBA типа 2 получают путем применения диметилэтаноламина, который дает гидроксид-ионы (OH ).
  • Смолы со слабым основанием анионного обмена (WBA). Смолы WBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию с последующим аминированием диметиламином. Смолы WBA уникальны тем, что они не содержат обменных ионов и поэтому используются в качестве поглотителей кислоты для удаления анионов, связанных с сильными минеральными кислотами.
  • Хелатирующие смолы. Хелатирующие смолы являются наиболее распространенным типом специальных смол и используются для избирательного удаления некоторых металлов и других веществ.В большинстве случаев матрица смолы состоит из полистирола, хотя для функциональных групп используются различные вещества, в том числе тиол, триэтиламмоний, аминофосфоний и многие другие.

Как работает ионообменная смола?

Чтобы полностью понять, как работают смолы IX, важно сначала понять принципы реакции ионного обмена. Проще говоря, ионный обмен — это обратимый обмен заряженных частиц (или ионов) на частицы с таким же зарядом. Это происходит, когда ионы, присутствующие в матрице нерастворимой смолы IX, эффективно меняются местами с ионами аналогичного заряда, которые присутствуют в окружающем растворе.

Смола IX функционирует таким образом благодаря своим функциональным группам, которые по существу представляют собой фиксированные ионы, которые постоянно связаны в полимерной матрице смолы. Эти заряженные ионы будут легко связываться с ионами противоположного заряда, которые доставляются путем нанесения раствора противоиона. Эти противоионы будут продолжать связываться с функциональными группами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Во время цикла IX обрабатываемый раствор добавляется к слою смолы IX, и ему дают возможность течь через шарики.По мере прохождения раствора через смолу IX функциональные группы смолы притягивают любые противоионы, присутствующие в растворе. Если функциональные группы имеют большее сродство к новым противоионам, чем те, которые уже присутствуют, то ионы в растворе вытеснят существующие ионы и займут их место, связываясь с функциональными группами посредством общего электростатического притяжения. В общем, чем больше размер и / или валентность иона, тем большее сродство он будет иметь с ионами противоположного заряда.

Давайте применим эти концепции к типичной системе умягчения воды IX. В этом примере механизм размягчения состоит из катионообменной смолы, в которой сульфонат-анионные функциональные группы (SO 3 ) закреплены на матрице смолы IX. Затем на смолу наносят раствор противоиона, содержащий катионы натрия (Na + ). Na + удерживаются на фиксированных анионах SO 3 за счет электростатического притяжения, что приводит к чистому нейтральному заряду в смоле.Во время активного цикла IX к катионообменной смоле добавляется поток, содержащий ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ). Поскольку функциональные группы SO 3 имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к ионам Na + , ионы жесткости вытесняют ионы Na + , которые затем вытекают из блока IX как часть обработанный поток. С другой стороны, ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+ ) удерживаются смолой IX.

Что такое регенерация смолы?

Со временем ионы примесей связываются со всеми доступными центрами обмена в смоле IX. Когда смола исчерпана, ее необходимо восстановить для дальнейшего использования с помощью так называемого цикла регенерации. Во время цикла регенерации реакция IX по существу обращается вспять за счет применения концентрированного регенерирующего раствора. В зависимости от типа смолы и области применения регенерирующим агентом может быть раствор соли, кислоты или каустика.По мере продолжения цикла регенерации смола IX выделяет ионы загрязняющих веществ, заменяя их ионами, присутствующими в растворе регенерации. Ионы загрязняющих веществ будут выходить из системы IX как часть выходящего потока регенерирующего агента, и их необходимо будет надлежащим образом отвести. В большинстве случаев смолу промывают для удаления остатков регенерирующего агента перед следующим активным циклом IX.

Чем может помочь SAMCO

SAMCO обладает более чем 40-летним опытом в определении подходящих технологий смол IX, которые помогают снизить затраты и объемы отходов при одновременном повышении качества продукции.Для получения дополнительной информации или связи, свяжитесь с нами здесь, чтобы назначить консультацию с инженером или запросить ценовое предложение. Мы поможем вам разработать правильное решение и реалистичную стоимость для вашей системы очистки IX.

Чтобы узнать больше об инновационных решениях смолы IX от SAMCO, посетите нашу страницу, посвященную технологиям ионообменных смол , здесь.

Если вы хотите узнать больше об ионообменных смолах, эти статьи могут вас заинтересовать:

Ионообменная смола — обзор

Ионообменные смолы и моющие средства

Ионообменные смолы находят очень широкое применение для умягчения воды, очистки морской воды, извлечения металлов из сточных вод и рек, отделения электролиты, редкоземельные элементы, изотопы и аминокислоты, при производстве пищевых продуктов, в аналитической химии и т. д.

Ионообменные смолы представляют собой сшитые высокомолекулярные соединения, которые содержат кислотные или основные группы, которые являются активными центрами этих смол. Получению, исследованию и применению ионообменных смол посвящена обширная литература [483, 744–753].

Фосфорсодержащие катионообменные смолы являются новыми и пока малоизученными; однако их основные особенности можно кратко описать здесь. Их преимуществами являются термическая стабильность, высокоселективное ионообменное действие и хорошая механическая прочность.

Это трехмерные высокомолекулярные соединения, содержащие свободные группы фосфоновой [-PO (OH) 2 ] или фосфиновой [> PO (OH)] кислоты. Эти группы связаны с углеводородным скелетом либо напрямую (связь C-P) [469, 517, 518, 521, 524–528], либо через кислород (связь C-O-P) [483, 489, 490, 494,505, 506, 508, 516].

Фосфорсодержащие катионообменные смолы получают обработкой трехмерных полимеров ненасыщенных ароматических углеводородов трихлоридом фосфора в присутствии хлорида алюминия или обработкой полимеров, содержащих галогенированные метильные группы, триалкилфосфатами с последующим окислением. и гидролиз продуктов реакции [517, 518, 521, 524–527] (см. с.201, 202). С той же целью можно также использовать реакцию гидроксилсодержащих полимеров (поли (виниловый спирт), крахмал, целлюлоза и др.) С фосфорилхлоридом, фосфорной кислотой или фосфатом мочевины [483, 489, 490, 494, 505, 506, 516] (см. Стр. 199, 200). Известны также получение таких ионообменных смол поликонденсацией альдегидов с арилоксиметилфосфоновыми кислотами [485] или с кислотными эфирами фосфорных кислот и ароматических полигидроксисоединений [483, 582]. Недавно было описано получение катионообменных смол фосфоновой кислоты сополимеризацией сложных эфиров винилфосфоновой кислоты с дивинилбензолом с последующим гидролизом полученного сополимера [469]; а также частичным гидролизом полимеров сложных эфиров некоторых кислот фосфора [173, 277].Катионообменные смолы фосфоновой кислоты используются для разделения щелочных металлов [754–756], урана [173, 528], меди [277, 757] и других металлов [757], для очистки некоторых пластификаторов ( эфиры фталевой кислоты) из смесей [758] и др. [759]. Очевидно, широкое применение имеют непрерывные ионообменные процессы, которые могут осуществляться бесконечными лентами фосфорилированных тканей [505].

Недавно в США было выпущено несколько экспериментальных типов катионообменных смол фосфоновой кислоты.С.С.Р. [483, 453, 760] (RF, KF-1, KF-2, KF-3, KF-4) и в других странах [761] (Duolite S-60, S-61, S-62, S-65 , Пермутит XII).

Единственными известными фосфорсодержащими анионообменными смолами являются смолы, содержащие четвертичные фосфониевые группы [547].

Уникальные растворимые ионообменные смолы, нашедшие широкое промышленное применение (для соединения в строительных работах и ​​для приготовления синтетических моющих средств), представляют собой полифосфаты, годовое производство которых только в Соединенных Штатах достигает сотен тысяч тонн [ 762].

Что такое ионный обмен | Пуролит

Ионный обмен — это метод обеззараживания и очистки воды, помогающий удалить из воды нежелательные соединения.

В юном возрасте мы узнаем, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но с водой все гораздо сложнее. В каждой капле воды содержатся минералы и другие вещества, которые усиливают химические и физические свойства каждой капли, включая (но не ограничиваясь) вкус и запах.Некоторыми примерами являются кальций, магний, железо, марганец, натрий, водород, хлорид, сульфат, нитрат, гидроксид и диоксид кремния. Хотя они растворены и не видны невооруженным глазом, эти соединения существуют в воде в виде ионов.

Ионы этих молекул обладают электрическим зарядом. Ионы с положительным зарядом называются катионами, а ионы с отрицательным зарядом — анионами. Например, натрий и водород имеют положительные заряды (Na + ) (H + ), тогда как хлорид и гидроксид имеют отрицательные заряды (Cl ) (OH ).Электрический заряд определяет, как ионы удаляются из воды.

Катионы (положительно заряженные соединения) удаляются с помощью катионообменных смол, а анионы (отрицательно заряженные соединения) удаляются с помощью анионообменных смол.

Эти ионообменные смолы состоят из нерастворимых полимерных шариков, имеющих «функциональную группу», которая притягивает ионы противоположного заряда. У каждой кровати есть много функциональных участков, которые расположены по всему периметру, от поверхности до глубины внутри.

Например, Purolite ® C100 представляет собой шарик ионообменной смолы с отрицательно заряженными сульфоновыми функциональными группами.Эти отрицательно заряженные группы будут притягивать катионы, чтобы оставить нейтральный заряд, и обычно поставляются либо в форме водорода (H + ), либо в форме натрия (Na + ).

Гранулы ионообменной смолы предпочтут одни катионы другим, в зависимости от размера иона, а также от того, имеет ли он один положительный заряд (одновалентный) или двойной положительный заряд (двухвалентный). Более селективные частицы вытеснят существующие ионы, которые находятся на смоле, и отправят их в сточные воды.

Почему мы хотим это сделать? Иногда важно удалить из воды нежелательные элементы, такие как жесткость (также называемая умягчением), или удалить регулируемые загрязнители (из питьевой воды или из технической воды). Также бывают случаи, когда все ионы (как положительные, так и отрицательные) необходимо удалить из воды с помощью процесса, называемого деминерализацией.

Анализ химического состава воды помогает определить, какие ионы присутствуют в воде, что затем определяет, какие ионы необходимо удалить из воды и какой метод ионообменной очистки воды будет использоваться.

Метод ионного обмена является обратимым посредством процесса, известного как регенерация.

В приведенном выше примере C100, если для удаления кальция вводится высокая концентрация ионов натрия, гранулы смолы снова переходят в натриевую форму. Этот процесс замены и регенерации — вот как работает обычный умягчитель воды.

Ионообменные смолы производятся с множеством различных функциональных групп, предназначенных для удаления большого количества загрязняющих веществ и соединений. Характеристики гранул смолы, такие как количество функциональных групп, содержание влаги и пористость, могут помочь определить лучшую ионообменную смолу для очистки воды.

Анион против катиона | Ионообменные смолы

Ионообменные смолы состоят из высокопористого полимерного материала, нерастворимого в кислотах, основаниях и воде. Крошечные шарики, из которых состоят эти смолы, получены из углеводорода и имеют диаметр около ½ миллиметра.

Существует два основных типа смол, используемых для ионного обмена: анион и катион . Внутри этих двух типов существует четыре основных классификации ионообменных смол:

  • Сильный основной анион
  • Слабый основной анион
  • Слабый кислотный катион
  • Сильный кислотный катион

Анион vs.Катион

Анионные и катионные смолы — две наиболее распространенные смолы, используемые в процессе ионного обмена. Разница между анионными и катионными смолами заключается в том, что одна из них заряжена положительно (анион), а другая — отрицательно (катион).

Отрицательно заряженные ионы притягиваются к положительно заряженным анионным смолам по сравнению с катионными смолами, которые притягивают положительные ионы своим отрицательным зарядом. При выборе аниона vs.катион , и который поможет определить лучшую смолу для ваших нужд, например:

  • Размер шариков смолы.
  • Количество воды, которое может удерживать смола.
  • Количество ионов, которые смола может отфильтровать перед регенерацией.
  • Скорость, с которой ионообменная смола пропускает воду через себя.
  • Желаемое качество конечной сточной воды.
  • Тип и количество загрязняющих веществ в исходной воде.

Катионообменные и анионообменные смолы являются обычными и важными компонентами современных промышленных систем очистки воды. Исходная вода часто содержит много растворенных минералов, которые необходимо удалить, чтобы не нанести ущерб чувствительным промышленным системам. Небольшие количества этих минералов могут снизить эффективность промышленного оборудования и загрязнить хрупкие электрические компоненты.

Катионообменные и анионообменные смолы можно рассматривать как мощные магниты, которые притягивают и удерживают загрязняющие минералы из проходящей исходной воды за счет электромагнитного притяжения.Катионные смолы естественным образом привлекают определенный набор минералов, в то время как анионные смолы привлекают другой набор минералов.

Гранулы полимерной смолы обрабатываются таким образом, что они содержат тысячи крошечных трещин, что увеличивает их площадь поверхности. Когда исходная вода проходит через шарики катионов и анионных смол, молекулы с минералами остаются «прилипшими» ко многим поверхностям шариков. Это продолжается до тех пор, пока все шарики не будут покрыты минералами, после чего смолу необходимо регенерировать, что вымывает минералы и возвращает смолу в новое состояние.

Анионы в сравнении с дещелачиванием катионов

Сильноосновные анионные смолы можно использовать для деминерализации или дещелачивания, в то время как слабоосновные анионные смолы лучше всего подходят для удаления кислот и органических веществ из воды. Анионные дещелочи в основном используются для удаления щелочности из питательной воды котла с низким или умеренным количеством общих растворенных твердых веществ (TDS). Для удаления карбонатов, бикарбонатов, сульфатов и нитратов из питательной воды можно также использовать анионообменники.

Сильные кислотные катионные смолы могут использоваться для удаления щелочности (чаще всего в водородной форме) или для удаления щелочности с разделенным потоком.Однако оба метода дещелачивания требуют использования опасных кислот для регенерации слоев смолы, а также использования дегазатора для удаления диоксида углерода, образующегося в процессе обработки.

Катионные смолы со слабой кислотой также могут использоваться для деминерализации и дещелачивания. В большинстве случаев водоподготовки; катионные смолы со слабой кислотой используются для удаления двухвалентных ионов, связанных со щелочностью. Катионные смолы со слабой кислотой работают лучше всего, когда вода имеет соотношение жесткости и щелочности 1: 1 или выше.

Обратитесь в WaterProfessionals® за помощью в выборе индивидуальной системы ионного обмена для вашего бизнеса!

Справочник по воде — ионный обмен и деминерализация воды

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов. Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами. Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы.Перегрев, вызванный накоплением накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам трубок, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям. Ионы жесткости, такие как кальций и магний, необходимо удалить из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для бойлера. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая диоксид углерода и кремнезем. Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники обменивают один ион на другой, временно удерживают его, а затем переводят в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в водопроводе заменяются более приемлемыми ионами. Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных смягчителях воды.Хотя алюмосиликатные материалы сегодня используются редко, термин «цеолитный пластификатор» обычно используется для описания любого процесса катионообмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен природным материалом под названием Greensand. Greensand имел более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его большая физическая стабильность делала его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество обменных ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора.Обычно он выражается в килограммах на кубический фут в виде карбоната кальция.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды из сульфированного угля, называемой углеродистым цеолитом, расширила применение ионного обмена до работы водородного цикла, что позволило снизить щелочность, а также жесткость.Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новую анионную смолу использовали с катионной смолой с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить из нее все растворенные соли) воду. Однако ранние аниониты были нестабильны и не могли удалять такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная кислоты.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации сшитого стирола с дивинилбензолом.Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы до сих пор используются в большинстве приложений для ионного обмена. Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы многими способами, чтобы соответствовать требованиям конкретных применений и обеспечить более длительный срок службы смолы.Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макроретикулярной, или макропористой, структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на Рисунке 8-1, имеют проницаемую мембранную структуру. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства приложений. Однако в некоторых случаях физическая прочность и химическая стойкость, необходимые для структуры смолы, превышают возможности типичной гелевой структуры. Макроретикулярные смолы имеют дискретные поры в матрице полистирол-дивинилбензол с высокой степенью сшивки.Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и окислительным агентам. Макроретикулярные анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. Помимо полистирол-дивинилбензольных смол (рис. 8-3), существуют более новые смолы с акриловой структурой, которая увеличивает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы.Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только одна из ионных разновидностей подвижна. Другая ионная группа присоединена к структуре гранул. На рис. 8-4 схематически изображен шарик сильнокислой катионообменной смолы, который имеет ионные центры, состоящие из неподвижных анионных (SO 3 ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na + ). Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы.Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, прикрепленные к шарику смолы, определяют функциональную способность смолы. Смолы для промышленной водоочистки подразделяются на четыре основные категории:

  • Сильный кислотный катион (SAC)
  • Катион слабой кислоты (WAC)
  • Сильноосновный анион (SBA)
  • Слабый основной анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты.Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие им основания. Эти смолы используются в большинстве приложений умягчения и полной деминерализации. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для дещелачивания, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

Смолы

SAC получают свои функциональные возможности из групп сульфоновой кислоты (HSO 3 ¯). При использовании в деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена обратима.Когда его емкость исчерпана, смолу можно регенерировать с избытком минеральной кислоты.

Сильные кислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий в качестве подвижного иона) для смягчения и в водородном цикле для декатионизации.

Катионообменные смолы со слабой кислотой получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть отработанную смолу WAC в регенерированную форму.Смолы WAC не могут удалить все катионы из большинства источников воды. Их главное достоинство — высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, требуемой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы утилизации.

Слабокислые катионообменные смолы используются в основном для умягчения и обезщелачивания жестких и щелочных вод, часто в сочетании с полировальными системами SAC с натриевым циклом.В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

Смолы

SBA получают свои функциональные возможности из функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа четвертичных аммониевых групп, называемые типом I и типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой.Смола типа I имеет большую стабильность, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого регенерирующего химического вещества.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае катионных смол, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода, для возврата смолы в гидроксидную форму.

Слабая основная функциональность смолы происходит из первичных (R-NH 2 ), вторичных (R-NHR ‘) или третичных (R-NR’ 2 ) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, о чем свидетельствует следующая реакция:

НАТРИЙ ЦЕОЛИТ РАЗМЯГЧЕНИЕ

Умягчение цеолита натрия — наиболее широко применяемый вид ионного обмена. При умягчении цеолита вода, содержащая накипеобразующие ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме.В смоле ионы жесткости обмениваются с натрием, и натрий диффундирует в основной водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, может затем использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы размягчения цеолитов

Удаление жесткости с воды путем умягчения цеолита описывается следующей реакцией:

Вода из правильно эксплуатируемого цеолитового умягчителя почти не имеет определяемой жесткости.Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

На рис. 8-5 показан типичный профиль жесткости сточных вод цеолитового умягчителя в течение рабочего цикла. После окончательного ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не исчерпает себя. При истощении резко возрастает жесткость сточных вод, и требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% -ным раствором хлорида натрия, и регенерацию проводят по следующему уравнению:

Во время регенерации используется большой избыток регенерирующего агента (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле).Элюированная жесткость удаляется из умягчителя в отработанном рассоле и путем промывки.

После регенерации в смоле остается небольшая остаточная твердость. Если смолу оставить в емкости с застоявшейся водой, некоторая жесткость проникнет в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, вытекающая из цеолитного умягчителя, может содержать жесткость, даже если она была недавно регенерирована. Через несколько минут протекания жесткость смывается из смягчителя, и очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от скорости потока умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В Таблице 8-1 показано влияние уровня регенерации на умягчающую способность гелеобразной сильной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается с увеличением дозировки регенерирующего агента, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Следовательно, эксплуатационные расходы умягчителя возрастают с увеличением уровня регенерации.Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение регенерирующей соли на 150% обеспечивает только 67% -ное увеличение рабочей емкости.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу .
Соль (фунт / фут 3 ) Производительность (гр / фут 3 )
6 18 000
8 20 000
10 24 000
15 30 000

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из обменного резервуара умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы.Обычно резервуар для умягчителя представляет собой вертикальный стальной резервуар высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на Рисунке 8-6. Основные характеристики емкости для умягчения включают впускную распределительную систему, свободное пространство над бортом, систему распределения регенерирующего агента, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора дренажа.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это предотвращает попадание воды в проточные каналы в слое смолы, что снизит производительность системы и качество сточных вод.Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора / ступицы с распределяющими боковыми / радиальными перегородками или простых перегородок, которые направляют поток воды равномерно по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на слой или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт позволяет смоле расширяться во время этапа регенерации с обратной промывкой без потери смолы.Он должен составлять минимум 50% объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерирующего агента обычно представляет собой систему, расположенную на стороне коллектора, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхом слоя смолы предотвращает разбавление регенерирующего агента водой в свободном пространстве. Это также сокращает количество воды и время, необходимое для вытеснения и быстрого ополаскивания. Распределитель регенератора должен быть прикреплен к конструкции резервуара, чтобы предотвратить поломку и последующее просачивание регенерирующего агента.

Вода смягчается слоем сильнокислой катионообменной смолы в натриевой форме. Необходимое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Для всех систем рекомендуется минимальная глубина станины 24 дюйма.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды для обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению смолой или ее потере.

Несмотря на то, что используются несколько конструкций нижнего дренажа, существует два основных типа — заполнитель и удерживающий смолу. Система подпитки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, гранулированного гравия или антрацита), которая поддерживает смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подпитки. Пока поддерживающие слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из емкости.Удерживающий смолу коллектор, такой как экранированный боковой фильтр или сетчатый фильтр из профильной проволоки, дороже, чем система подпитки, но защищает от потерь смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляют поток воды и регенерирующего агента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапанов включает в себя шесть основных клапанов: вход и выход для обслуживания, вход и выход для обратной промывки, вход для регенерации и слив для регенерации / промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды.В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многопортовый клапан. Когда клапан вращается в серии фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток так же, как и гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить эксплуатационные ошибки, вызванные открытием неправильного клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения порта.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли / измерения рассола и оборудования для контроля разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.Оборудование для растворения / измерения предназначено для обеспечения правильного количества концентрированного рассола (приблизительно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенной соли в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления наполнением и опорожнением бака подачи, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эдукционной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной концентрации регенератора (8-10% NaCl).Рассол также можно перекачивать из резервуара для концентрированной соли и смешивать с разбавляющей водой для обеспечения желаемой силы регенерации.

Работа умягчителя

Натриево-цеолитный умягчитель работает через два основных цикла: цикл обслуживания, в котором производится мягкая вода для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при ее исчерпании.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную систему распределения и протекает через слой.Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в основную воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и отводится. Поток технической воды в умягчитель должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить внезапные скачки и частые операции включения-выключения.

Из-за требований к смоле и конструкции резервуаров операция умягчения наиболее эффективна при поддержании рабочего расхода от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при 15-20 галлонах в минуту / фут².Непрерывная работа сверх рекомендованных производителем пределов может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному снижению твердости и утечке твердости. Работа со скоростью потока ниже рекомендованной производителем также может отрицательно повлиять на характеристики умягчителя. При низких скоростях потока вода не распределяется в достаточной степени, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда умягчитель закончился, смолу необходимо регенерировать. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы.Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодический отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители до их исчерпания на основе заранее определенного периода времени или количества обработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Часто они работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие агрегаты находятся в эксплуатации.Это обеспечивает непрерывный поток мягкой воды. Перед вводом в эксплуатацию резервного смягчителя необходимо промыть устройство, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время выдержки.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленное ополаскивание) и быстрое ополаскивание.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды заставляет взвешенный материал накапливаться на слое смолы.Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через фильтрующее оборудование выше по потоку. На этапе обратной промывки удаляется накопленный материал и классифицируется слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из нижнего дренажного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы и классифицировать смолу. В соответствии с классификацией смолы более мелкие шарики располагаются наверху устройства, а более крупные шарики оседают на дно.Это улучшает распределение регенерирующего химического вещества и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сток из выпускного отверстия обратной промывки не станет прозрачным. Потока обратной промывки должно быть достаточно, чтобы увеличить объем слоя смолы на 50% или более, в зависимости от имеющегося надводного щита. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению постели и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока при обратной промывке обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячая среда) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует соблюдать рекомендации каждого производителя.Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения постели холодной водой требуется меньший поток, чем теплой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока корректировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки — это фильтрованная неочищенная вода. Вода, выходящая из выпускного отверстия для обратной промывки, не претерпела химических изменений, но может содержать взвешенные твердые частицы. В целях экономии воды стоки обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтрующий поток для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий рассол. Поток рассола входит в установку через распределитель регенератора и течет вниз через слой смолы с медленной скоростью (обычно от 0,5 до 1 галлона в минуту на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через нижний дренаж и отправляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между рассолом и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола, крепость раствора во время подачи рассола должна составлять 10%.

Displacement (Медленная промывка). После подачи регенерирующего рассола через систему распределения регенерирующего агента продолжается медленный поток воды. Этот поток воды вытесняет регенерирующий агент через слой с желаемой скоростью потока. Этап замещения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенерирующего агента с дном слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно такой же, как и при разбавлении концентрированного рассола.Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной, чтобы позволить примерно одному объему слоя смолы пройти через установку. Это обеспечивает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрая промывка. После завершения промывки вытеснением вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет оставшийся рассол, а также любую остаточную жесткость со слоя смолы. Скорость потока при быстрой промывке обычно составляет 1.5 и 2 галлона в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью использования умягчителя.

Изначально промывные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость смягчителя смывается перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель можно вернуть в эксплуатацию, как только жесткость достигнет заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока хлориды или проводимость сточных вод не приблизятся к уровням на входе. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время технического обслуживания.Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое ополаскивание, известное как техническое ополаскивание, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время ожидания.

ГОРЯЧЕЕ СМЯГЧЕНИЕ ЦЕОЛИТА

Цеолитные умягчители можно использовать для удаления остаточной жесткости в сточных водах, образующихся в результате горячей обработки извести или известково-содового умягчителя. Горячий технологический поток проходит через фильтры, а затем через слой сильнокислой катионитовой смолы в натриевой форме (рис. 8-7).Оборудование и работа умягчителя с горячим цеолитом идентичны умягчителю температуры окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и приборы должны быть пригодны для работы при высокой температуре (220-250 ° F). Стандартную прочную катионную смолу можно использовать при температурах до 270 ° F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после горячего умягчителя важно спроектировать систему так, чтобы исключить скачки потока в установке для горячей извести.Обычные конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для горячей извести и расширенных медленных промывок цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Области применения и преимущества

Образование накипи и отложений в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога при мойке создали большой спрос на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны удовлетворить этот спрос с экономической точки зрения, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов.Умягчение цеолита натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

  • Обработанная вода имеет очень низкую склонность к образованию накипи, потому что умягчение цеолита снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
  • проста и надежна в эксплуатации; автоматические и полуавтоматические регуляторы регенерации доступны по разумной цене
  • соль недорогая и простая в обращении
  • Отходы ила не образуются; как правило, утилизация мусора не проблема
  • в определенных пределах колебания расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
  • , поскольку эффективная работа может быть достигнута в установках практически любого размера, умягчители на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок.

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают количество растворенной жесткости в воде, общее содержание твердых веществ, щелочность и кремнезем в воде остаются неизменными.Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой горячего смягчителя извести-соды. Заводы, которые заменили свои горячие умягчители только цеолитными умягчителями, столкнулись с проблемами, связанными с диоксидом кремния и уровнями щелочности в своих котлах.

Поскольку смола является очень эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия неэффективно работают с мутной водой. Продолжительная работа с входящей мутностью, превышающей 1,0 JTU, вызывает засорение слоя, короткие периоды обслуживания и низкое качество сточных вод.Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные источники воды перед использованием необходимо очистить и отфильтровать.

Смола может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе нормальной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными умягчителями, правильная работа оборудования и тщательный контроль pH осветлителя необходимы для хороших характеристик умягчителя.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных водопроводов, является сильным окислителем и должен быть удален перед размягчением цеолита фильтрацией активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательных вод котлов высокого давления и многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. Помимо удаления жесткости, эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, диоксид кремния, щелочность и минеральные анионы (Cl, SO 4 ²¯, NO 3 ¯).

Деминерализация воды — это удаление практически всех неорганических солей посредством ионного обмена. В этом процессе сильнокислая катионная смола в водородной форме превращает растворенные соли в их соответствующие кислоты, а сильнокислая анионная смола в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, аналогичную по качеству дистилляционной, при более низких затратах на большинство пресных вод.

Принципы деминерализации

Система деминерализатора состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают элемент сильного катиона кислоты и элемент сильного аниона основания.Катионная смола обменивает водород на катионы сырой воды, как показано следующими реакциями:

Показателем общей концентрации сильных кислот в сточных водах катионов является свободная минеральная кислотность (FMA). При типичном запуске службы содержимое FMA большую часть времени стабильно, как показано на рис. 8-8. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA из теплообменника была бы равна теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник.Количество утечки натрия зависит от уровня регенерации, скорости потока и соотношения натрия к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается с увеличением отношения натрия к общему количеству катионов.

Когда катионообменная установка близка к исчерпанию, FMA в сточных водах резко падает, указывая на то, что теплообменник следует вывести из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать кислотным раствором, который возвращает центры обмена в водородную форму.Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Чтобы предотвратить это явление, серную кислоту обычно наносят с высокой скоростью потока (1 галлон / мин на квадратный фут смолы) и начальной концентрацией 2% или меньше. Концентрация кислоты постепенно увеличивается до 6-8% до полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота.Это требует использования специальных строительных материалов в системе регенерации. Как и в случае установки с цеолитом натрия, требуется избыток регенерирующего агента (серной или соляной кислоты) до трех раз по сравнению с теоретической дозой.

Для завершения процесса деминерализации вода из блока катионов пропускается через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на высокоионизированные минеральные ионы, так и на более слабоионизированные угольные и кремниевые кислоты, как показано ниже:

Указанные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды.В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионных единиц — это натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионных единицах. Следовательно, pH стока двухслойной системы катион-анионного деминерализатора является слабощелочным. Каустик, образующийся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозировки регенерирующего агента.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет кремнезем, а также другие растворенные твердые вещества. Сточный диоксид кремния и проводимость являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. В конце быстрой промывки и диоксид кремния, и проводимость низкие, как показано на Рисунке 8-9.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко повышается. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает.Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормального рабочего цикла большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид больше не доступен, а натрий из катионита превращается в силикат натрия, который имеет гораздо меньшую проводимость, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионной смолы проникают более проводящие минеральные ионы, вызывая последующее увеличение проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора необходимо немедленно вывести установку из эксплуатации. Если деминерализатору разрешено оставаться в эксплуатации после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрации кремнезема в анионной смоле во время рабочего цикла.

Аниониты с сильным основанием регенерируются 4% -ным раствором гидроксида натрия. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации.Для улучшения удаления диоксида кремния из слоя смолы регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120 ° F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление кремнезема также улучшается за счет стадии предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплого каустика.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионо-анионной деминерализации, аналогично тому, которое используется при умягчении цеолита. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионно-стойких материалов (или покрыты ими).Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации деминерализаторов являются более сложными, чтобы учесть такие улучшения, как ступенчатая регенерация кислоты и теплой щелочи.

Деминерализаторы действуют аналогично цеолитовым пластификаторам. Нормы расхода для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с некоторыми видами воды.Анионная смола намного легче катионной. Следовательно, скорости потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионных смол, и на расширение анионной смолы влияет температура воды больше, чем на расширение катионита. Вода, используемая на каждой стадии регенерации анионной смолы, не должна быть жесткой, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочной анионной смолы.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы кремнезема обычно используются для контроля качества воды в сточных водах, содержащих анионы, и определения необходимости регенерации.В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над коллекторами нижнего дренажа для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет проникновение диоксида кремния в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого использования. Деминерализованная вода широко используется в питательной воде котлов высокого давления и во многих технологических водах. Качество производимой воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть ее стоимости.Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонок, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие ионообменные системы, деминерализаторам для эффективного функционирования требуется фильтрованная вода. Загрязняющие смолы и разлагающие вещества, такие как железо и хлор, следует избегать или удалять до деминерализации. Анионные смолы очень чувствительны к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды.Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или инертные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котловая вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, похожие на те, которые поступают в котел в растворимой форме. Как таковые, они могут образовывать отложения на поверхности трубок и улетучиваться в пар.

СДЕЛКА

Часто рабочие условия котла или процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых частиц.Умягчение цеолита не снижает щелочность, а деминерализация обходится слишком дорого. В этих ситуациях используется процесс дещелачивания. Дещелачивание натриевого цеолита / водородного цеолита (разделенный поток), дещелачивание хлорид-анионами и дещелачивание слабокислых катионов являются наиболее часто используемыми процессами.

Цеолит натрия / водородный цеолит (разделенный поток) Дещелачивание

В дещелачителе с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия.Остальная часть протекает через узел сильнокислотного катиона в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяется с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды с установки водородного цеолита содержат угольную кислоту, полученную из щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислотность в выходящем потоке водородного цеолита превращает карбонат натрия и бикарбонатную щелочность в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота нестабильна в воде.Он образует углекислый газ и воду. Смешанные стоки направляются в декарбонизатор или дегазатор, где диоксид углерода удаляется из воды встречным потоком воздуха. На рис. 8-10 показана типичная система дещелачивания разделенного потока.

Требуемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать путем контроля процентного содержания цеолита натрия и водородного цеолита в воде. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с водородным цеолитом снижает щелочность.

Помимо снижения щелочности, дещелочитель с разделенным потоком снижает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для вод с высокой щелочностью, поскольку проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрации в котле.

Дещелачивание цеолита натрия / хлорид-аниона

Сильноосновная анионная смола в хлоридной форме может использоваться для снижения щелочности воды. Вода проходит через цеолитный умягчитель, а затем через анионный блок, который заменяет карбонатные, бикарбонатные, сульфатные и нитрат-ионы хлорид-ионами, как показано в следующих реакциях:

Хлорид-анион-дещелачитель снижает щелочность примерно на 90%, но не снижает общее содержание твердых веществ.Когда смола приближается к истощению, щелочность очищенной воды быстро увеличивается, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитный умягчитель регенерируют, как описано ранее. Кроме того, анионная смола также регенерируется рассолом хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий рассол добавляют небольшое количество каустической соды, чтобы улучшить удаление щелочности.

Обесщелачивание катионов слабой кислоты

Другой метод обезщелачивания использует слабокислые катионные смолы.Слабокислотные смолы по действию схожи с сильнокислотными катионными смолами, но обмениваются только катионами, которые связаны со щелочностью, как показывают следующие реакции:

, где Z представляет собой смолу. Образовавшаяся угольная кислота (H 2 CO 3 ) удаляется декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный приток для слабокислой катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба показателя выражаются в ppm как CaCO 3 ).В водах с более высокой щелочностью, чем жесткостью, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, имеющих жесткость выше, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать с помощью умягчителя на основе цеолита натрия, чтобы удалить жесткость. Во время начальной части цикла обслуживания слабых кислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы связаны с обменом минеральных анионов, образуя небольшие количества минеральных кислот в сточных водах. По мере продолжения цикла обслуживания в сточных водах появляется щелочность.Когда щелочность сточных вод превышает 10% щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5% -ным раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна быть ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабый кислотный обмен катионита очень эффективен. Следовательно, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных в течение рабочего цикла.

Если материалы конструкции для последующего оборудования или всего процесса не могут выдерживать минеральную кислотность, присутствующую на начальных этапах рабочего цикла, раствор солевого раствора пропускают через регенерированную слабокислотную смолу перед заключительной промывкой.Этот раствор удаляет минеральную кислотность без значительного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для дещелачивания слабых кислотных катионов, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном из вариантов стандартной конструкции используется слой слабокислой смолы поверх сильнокислой катионитовой смолы. Поскольку он легче, на нем остается слабокислая смола. Слоистую систему смол регенерируют серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия.Солевой раствор превращает сильнокислотную смолу в натриевую форму. Эта смола затем действует как мягчитель для полировки.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием диоксида углерода и воды, а диоксид углерода удаляется в декарбонаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, поскольку избыточная подача кислоты или нарушение системы контроля pH может привести к образованию кислой питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов.Требуются надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача каустика после декарбонизации.

Преимущества и ограничения систем обезщелачивания

Системы ионообменной дещелачивания производят воду с низкой жесткостью и низкой щелочностью по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и катионами слабых кислот также снижают общее количество растворенных твердых веществ.Помимо этих преимуществ, необходимо учитывать следующие недостатки:

  • дещелочники не удаляют всю щелочность и не влияют на содержание кремнезема в воде
  • Дещелочники

  • требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
  • вода, полученная в системе дещелачивания, использующей декарбонизатор с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально коррозионная

ПРОТИВОТОЧНАЯ И СМЕШАННАЯ ДЕИОНИЗАЦИЯ

Из-за увеличения рабочего давления котла и производства продуктов, требующих чистой воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут производить катионно-анионные деминерализаторы.Поэтому возникла необходимость изменить стандартный процесс деминерализации для повышения чистоты очищенной воды. Наиболее значительные улучшения в чистоте деминерализованной воды были достигнуты с помощью противоточных катионообменников и теплообменников со смешанным слоем.

Противоточные катионообменники

В обычной системе деминерализатора поток регенерирующего агента идет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как параллельная работа и является основой для большинства конструкций ионообменных систем.Во время регенерации прямоточного устройства загрязняющие вещества перемещаются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя подверглась воздействию свежего регенерирующего агента, он подвергается высокой регенерации. Когда вода протекает через смолу во время эксплуатации, катионы сначала обмениваются в верхней части слоя, а затем движутся вниз через смолу, когда слой истощается.Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионизированную воду, прежде чем она покинет сосуд. Эта утечка натрия попадает в анионный блок, где при анионном обмене образуется щелочь, повышая pH и проводимость деминерализованной воды.

В регенерированном противотоком катионите регенерирующий агент течет в направлении, противоположном рабочему потоку. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой.В результате смола с наиболее высокой степенью регенерации находится там, где техническая вода выходит из резервуара. Сильно регенерированная смола удаляет низкий уровень загрязнителей, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем может обеспечить прямоточная конструкция. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее сильно регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенерирующего агента. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

Теплообменники смешанного типа

В теплообменнике со смешанным слоем катионная и анионная смолы смешаны в одном сосуде.Когда вода протекает через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные фракции катионов и анионов, как показано на Рисунке 8-12. Смолу отделяют обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола осаждается поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь вводится через распределители над слоем смолы. Потоки регенерирующего агента встречаются на границе между катионом и анионной смолой и выходят через коллектор, расположенный на границе раздела смолы.После введения регенерирующего агента и промывки вытеснением для смешивания смол используются воздух и вода. Затем смолы промываются, и установка готова к работе.

Противоточные системы и системы со смешанным слоем производят более чистую воду, чем традиционные катионо-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Это особенно актуально для агрегата со смешанной кроватью.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный процесс катион-анион был изменен во многих системах, чтобы уменьшить использование дорогостоящих регенераторов и образование отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабоосновных смол, щелочных отходов с сильным щелочным анионом (для регенерации слабых основных анионитов) и регенерацию части отработанного щелочного раствора для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на Рисунке 8-13.

Декарбонаторы и дегазаторы

Декарбонаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они снижают количество щелочи, требуемой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капли с помощью распылителей и поддонов или упаковки в декарбонаторе. Затем вода протекает через воздушный поток, идущий в противоположном направлении. Угольная кислота, присутствующая в сточных водах катионов, диссоциирует на диоксид углерода и воду.Двуокись углерода удаляется из воды воздухом, уменьшая нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонизаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонну, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает содержание двуокиси углерода до менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды.Однако вакуумные дегазаторы дороже в приобретении и эксплуатации, чем декарбонаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабые основные смолы

Смолы со слабой функциональностью имеют гораздо более высокую эффективность регенерации, чем их аналоги с сильной функциональностью. Слабокислые катионные смолы, как описано в разделе о дещелачивании, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабые основные смолы обмениваются с анионами минеральных кислот (SO 4 ²¯, Cl ¯, NO 3 ¯) в растворе сильной кислоты.Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрическая, для удаления 1 кг ионов (как CaCO 3 ) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO 3 ). Для сильных смол требуется в три-четыре раза больше регенерирующего агента для того же удаления загрязнений.

Смолы со слабым основанием настолько эффективны, что на практике обычно регенерируют обменник со слабым основанием с помощью части «отработанной» щелочи от регенерации анионной смолы с сильным основанием.Первая фракция каустика из сильного основного элемента отправляется в отходы, чтобы предотвратить загрязнение слабой основной смолы диоксидом кремния. Оставшийся каустик используется для регенерации слабой основной смолы. Дополнительной особенностью смол со слабой базой является их способность удерживать природные органические материалы, которые загрязняют смолы с сильной основой, и выделять их во время цикла регенерации. Из-за этой способности смолы со слабым основанием обычно используются для защиты смол с сильным основанием от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенеранта

Из-за высокой стоимости каустической соды и возрастающих проблем с удалением отходов многие системы деминерализации теперь оснащены функцией регенерации каустической соды.Система регенерации использует часть отработанной щелочи от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. За повторно используемым каустиком следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик утилизируется для использования в следующей регенерации. Обычно серную кислоту не регенерируют, поскольку она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

КОНДЕНСАТНАЯ ПОЛИРОВКА

Использование ионного обмена не ограничивается технологической и подпиткой котловой воды.Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызвать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему через утечки конденсатора и уплотнения насоса или унос котловой воды в пар. Очистители конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство полировальных машин для конденсата на бумажных фабриках работают при температурах, приближающихся к 200 ° F, что исключает использование анионной смолы.Катионная смола, которая устойчива до температур выше 270 ° F, используется для полировки конденсата в глубоких слоях в этих областях. Смолу регенерируют рассолом хлорида натрия, как в умягчителе цеолита. В ситуациях, когда утечка натрия из полировальной машины отрицательно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или на чистоту воды, оперирующей паром, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Производительность полировальной машины с глубоким слоем (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высока по сравнению с обычным пластификатором.Допускаются высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо и медь в виде твердых частиц удаляются фильтрацией, а растворенные загрязнения уменьшаются путем обмена на натрий или амин в смоле.

Полировщик конденсата с глубоким слоем катионита регенерируется с использованием 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы таким же образом, как и при традиционной регенерации цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для удаления железа.Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается чуть ниже поверхности слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления вызываются высокими рабочими расходами и содержанием твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам.При полировке конденсата в глубоком слое следует использовать гелеобразную или макроретикулярную смолу премиум-класса.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140 ° F, что является максимальной непрерывной рабочей температурой для анионной смолы. Кроме того, поток через установку обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту / фут².

Ионообменные смолы также используются как часть системы фильтрации предварительного покрытия, как показано на Рисунке 8-14, для полировки конденсата.Смолу измельчают и смешивают с суспензией, которую используют для покрытия отдельных перегородок в сосуде фильтра. Порошковая смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения посредством ионного обмена. Когда фильтрующий материал забивается, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрываются свежей суспензией порошкообразной смолы.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ИОННОГО ОБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, проблемы действительно возникают в системах ионного обмена.Проблемы обычно приводят к низкому качеству сточных вод, сокращению продолжительности обслуживания или повышенному расходу регенерирующего агента. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, продолжительности пробега или расхода регенератора.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких пробегов (Рис. 8-15) и некачественных стоков (Рис. 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы деминерализации.Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды оказывают значительное влияние как на продолжительность цикла, так и на качество сточных вод, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод со временем сильно меняется. Повышение жесткости воды для умягчителя на основе цеолита натрия на 10% приводит к сокращению продолжительности рабочего цикла на 10%. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализации.Для выявления таких отклонений необходимо проводить регулярный химический анализ воды, поступающей в ионообменники.

Другие причины операционных проблем ионного обмена включают:

  • Неправильная регенерация, вызванная неправильным потоком, временем или концентрацией регенерации. При регенерации ионообменных смол следует соблюдать рекомендации производителя.
  • Каналы, возникающие в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки.Это вызывает преждевременное истощение, даже если большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
  • Загрязнение или разложение смолы из-за некачественного регенерирующего агента.
  • Невозможность удаления диоксида кремния из смолы, что может быть результатом низкой температуры каустической соды регенерирующего агента. Это может привести к повышенной утечке диоксида кремния и сокращению сроков обслуживания.
  • Избыточные примеси в смоле из-за предыдущей работы после истощающих нагрузок. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем предназначено для удаления при обычной регенерации, после продолжительного рабочего цикла требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

Типичные механические проблемы, связанные с системами ионного обмена, включают:

  • Негерметичные клапаны, вызывающие некачественные сточные воды и длительные полоскания.
  • Распределитель сломан или забит, что приводит к протеканию.
  • Потеря смолы из-за чрезмерной обратной промывки или неисправности фильтра нижнего дренажа или опорной среды.
  • Катионная смола в анионном блоке, вызывающая увеличенное время ополаскивания и утечку натрия в деминерализованную воду.
  • Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. КИПиА в зоне деминерализатора следует регулярно проверять.

ОТРАСИВАНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ СМОЛЫ

Смола может загрязняться загрязнениями, которые препятствуют процессу обмена. На рис. 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение.Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем со временем разрушают смолу. Это наиболее частая причина загрязнения и деградации ионообменных систем, которая обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может существовать в воде в виде неорганической соли двух или трехвалентного железа или в виде изолированного органического комплекса. Двухвалентное железо обменивается на смолу, но трехвалентное железо нерастворимо и нет.Трехвалентное железо покрывает катионную смолу, препятствуя обмену. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионный элемент и загрязняет анионную смолу. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в некоторых колодезных водах, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия, возникающего в результате использования алюмината квасцов или натрия для осветления или смягчения осаждения.Алюминиевый флок, проходящий через фильтры, покрывает смолу умягчителем на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой кислотой или щелочью. Обычно алюминий не является загрязнителем в системе деминерализатора, потому что он удаляется из смолы во время нормальной регенерации.

Осадки твердости . Осадки твердости проходят через фильтр из смягчителя осаждения или образуются после фильтрации путем последующего осаждения. Они осаждают гнилостные смолы, используемые для размягчения натриевого цеолита.Их удаляют кислотой.

Сульфатные осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в установке с сильным катионом кислоты, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если серная кислота используется в качестве регенерирующего агента, и она вводится при слишком высокой концентрации или слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняя смолу. После образования сульфата кальция его повторно растворить очень трудно; поэтому смолу, загрязненную сульфатом кальция, обычно выбрасывают.Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным замачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария даже менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислоты.

Нефтяное обрастание . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к участкам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу.Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое обрастание. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без технологического потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезному засорению слоя смолы и даже к механическим повреждениям из-за чрезмерного падения давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных установках является проблемой, следует использовать постоянный поток оборотной воды, чтобы минимизировать проблему.В тяжелых условиях может потребоваться применение подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Обрастание кремнезема . Загрязнение кремнеземом может происходить в смолах с сильным основным анионом, если температура регенерирующего агента слишком низкая, или в смолах со слабым основанием, если щелочь, вытекающая из блока SBA, используемого для регенерации элемента со слабым основанием, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH полимеризация диоксида кремния может происходить в смоле со слабым основанием. Это также может быть проблемой из-за отработанной анионной смолы с сильным основанием.Загрязнение кремнеземом удаляется путем длительного замачивания в теплой (120 ° F) каустической соде.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окисляющие агенты, такие как хлор, разрушают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают сшивки дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения воздействия катионная смола начинает терять свою сферическую форму и жесткость, вызывая ее уплотнение во время эксплуатации.Это уплотнение увеличивает перепад давления в слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора в сырой воде анионная смола не подвергается прямому воздействию, потому что хлор потребляется катионной смолой. Однако расположенные ниже по потоку смолы с сильным основанием на анионе загрязняются определенными продуктами разложения окисленной катионной смолы.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом фильтрацией с активированным углем или сульфитом натрия.Приблизительно 1,8 ppm сульфита натрия требуется для потребления 1 ppm хлора.

Вода, насыщенная кислородом, такая как вода, обнаруженная после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение участков сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Он также ускоряет разложение из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическое разложение происходит, если анионная смола перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100 ° F, и анионных смол с сильным основанием типа II, которые имеют температурный предел 105 ° F в форме гидроксида.

Органическое обрастание

Органическое загрязнение — наиболее распространенная и дорогая форма загрязнения и разложения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживается только небольшое количество органических веществ. Однако поверхностные воды могут содержать сотни миллионных долей природного и антропогенного органического вещества. Естественная органика происходит из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплекс тяжелых металлов, таких как железо. Эти загрязнители включают дубильные вещества, дубильную кислоту, гуминовую кислоту и фульвокислоту.

Первоначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Это засорение приводит к длительному окончательному ополаскиванию и снижает способность к расщеплению соли. По мере того как засорение продолжает оставаться на смоле, оно начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы к расщеплению солей. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения демонстрирует высокую общую емкость, но пониженную способность к расщеплению солей.На этом этапе очистка от смолы все еще может вернуть некоторую, но не всю потерянную рабочую мощность. Потеря способности к расщеплению соли снижает способность смолы удалять кремнезем и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионной смолы свидетельствует цвет сточных вод из анионного блока во время регенерации, который варьируется от чайного до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую проводимость и более низкий pH.

Профилактика . Для уменьшения загрязнения органическими веществами используются, по отдельности или в комбинации, следующие методы:

  • Предварительное хлорирование и осветление.Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью средства для удаления органических веществ.
  • Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность удалять органический материал и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
  • Макропористая смола со слабым основанием перед смолой с сильным основанием. Слабое основание или макропористая смола абсорбирует органический материал и элюируется во время регенерации.
  • Специальные смолы.Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам, программа регулярных проверок и очистки ионообменной системы помогает продлить срок службы анионной смолы. В большинстве процедур очистки используется одно из следующего:

  • Горячий (120 ° F) рассол и каустик. Для улучшения очистки могут быть добавлены мягкие окислители или солюбилизирующие агенты.
  • Кислота соляная.Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
  • Растворы гипохлорита натрия 0,25-0,5%. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно разлагает смолу. Чистка гипохлоритом считается крайней мерой.

Важно очистить смолу с органическими загрязнениями до того, как произойдет чрезмерное необратимое разрушение участков сильного основания. Очистка после того, как произошла необратимая деградация, удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает работу устройства.За состоянием смолы следует внимательно следить, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛ

Для отслеживания состояния ионообменной смолы и определения наилучшего времени для ее очистки необходимо периодически отбирать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровни загрязнения и способность выполнять требуемый ионный обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Следовательно, пробы следует собирать на разных уровнях в слое, либо следует использовать зерновой захват или полую трубу для получения «керновой» пробы.Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенератора и отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, трещин или сломанных шариков. Также необходимо проверить его физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Уровень органических и неорганических загрязняющих веществ в смоле следует определять и сравнивать с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы.Наконец, следует измерить расщепление солей и общую емкость на образцах анионной смолы, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Икс

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула сульфокислотной катионной смолы (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Икс

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Икс

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Икс

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Икс

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Икс

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Икс

Рисунок 8-10. Умягчитель разделения потока цеолит натрия / водородный цеолит.

Икс

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Икс

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Икс

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Икс

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Икс

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Икс

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества сточных вод в системе деминерализатора с двумя слоями.

Икс

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Икс

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Икс

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Икс

Ионообменные смолы и их применение

все возможное / iStock

Технология ионообменных смол (IX) широко используется в качестве практичной и эффективной формы очистки воды в течение многих лет.IX часто используется для смягчения воды, что является его наиболее распространенным применением. Однако смолы IX имеют много других применений. Загрязнение воды является важной проблемой во всем мире, и были введены новые правила качества питьевой воды в отношении загрязняющих веществ, таких как побочные продукты дезинфекции, мышьяк, нитраты, перхлораты и уран. Специализированные смолы IX решают эти проблемы.

Процесс IX удаляет растворимые ионизированные загрязнители, такие как жесткость и щелочность, из воды посредством обратимого ионного обмена между твердой фазой (шарики смолы) и жидкой фазой (вода).Две основные категории смол IX — катионы и анионы. Смолы катиона IX включают сильный / слабый катион (H + и Na +). Смолы Anion IX включают сильный / слабый анион, такой как OH- и Cl-. Действуя вместе или по отдельности, эти типы удаляют из воды многие ионные загрязнения. Ни один из типов не удаляет неионные загрязнения, такие как бензол.

Катионные смолы

Положительно заряженные катионные смолы удаляют положительно заряженные ионные загрязнения воды. В эту категорию смол входят смолы с сильными кислотами и сильными катионами (SAC) и смолы со слабыми кислотами и слабыми катионами (WAC).

Удаление твердости

Смола

SAC эффективна для смягчения воды, удаляя ионы жесткости. Он используется в жилых, коммерческих и промышленных помещениях более 100 лет. Подобно крошечным магнитам, гранулы смолы SAC удаляют образующие накипь ионы кальция (Ca 2+ ) и магния (Mg 2+ ), обменивая их на ионы натрия. Уровни жесткости снижаются, а уровень натрия повышается.

Вся смола имеет конечную обменную способность. Отдельные участки обмена на гранулах смолы в конечном итоге станут полными и не смогут обменивать дальнейшую твердость, поэтому смолу необходимо повторно заряжать.Поскольку гранулы смолы SAC имеют более высокое сродство к ионам кальция / магния, чем ионы натрия, для отталкивания накопленных ионов жесткости от гранул смолы используется концентрированный раствор хлористого натрия (обычно от 8 до 12 процентов).

Умягчение и дещелачивание

Смола со слабокислотным катионом (WAC) может одновременно снижать жесткость и щелочность. Он также обеспечивает некоторую степень удаления общего количества растворенных твердых частиц (TDS). Как правило, смола WAC удаляет около 80 процентов временной твердости (твердость, связанная с растворенными минералами бикарбоната).TDS снижается примерно на 17,1 частей на миллион (ppm) на каждое удаленное зерно твердости. Поскольку смола WAC обменивает ионы жесткости и щелочности на ионы водорода, очищенная вода будет кислой (или с более низким pH). Степень снижения TDS и pH во многом зависит от уровня жесткости на входе.

Удаление бария и радия

Барий и радий, два двухвалентных катиона, регулируются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) Национальными стандартами первичной питьевой воды и могут быть удалены стандартной смолой SAC.Однако при регенерации смолы эффективность снижается из-за медленной диффузии их большей атомной массы вглубь матрицы смолы. Специальные типы смол SAC со свойствами, улучшающими восстановление бария и радия, коммерчески доступны и протестированы / сертифицированы Национальным научным фондом (NSF).

Смолы анионные

Отрицательно заряженные анионные смолы удаляют отрицательно заряженные ионные загрязнения в воде. В эту категорию смол входят смолы с сильным основанием / сильным анионом (SBA) и со слабым основанием / слабым анионом (WBA).Эти анионные смолы можно использовать для удаления загрязняющих веществ, описанных в этом разделе.

НЕТ

3

Смола

SBA может удалять нитраты (NO 3 -). Если отношение сульфата к концентрации NO 3 — в воде является высоким, смолу необходимо регенерировать как можно раньше, чтобы избежать того, чтобы сульфат-анион действовал как регенерирующий агент и выделял NO 3 -. В ситуациях с повышенными концентрациями сульфатов также можно использовать селективную смолу SBA.

ClO

4

Существуют смолы

SBA, которые избирательно удаляют перхлорат (ClO 4 -).Эти смолы могут быть одноразовыми и / или регенерируемыми.

Мышьяк

В воде мышьяк связан с арсенатом As (V) и арсенитом As (III). Только отрицательно заряженные анионы арсената (HAsO 4 2- ) можно удалить с помощью смол SBA. Арсенит (H 3 AsO 3 ) обычно нейтрален в водном растворе. Следовательно, для превращения As (III) в анион As (V) необходимо предварительное окисление. По окончании окисления перед контактом со смолой SBA необходимо удалить остатки.

TOC

Общий органический углерод (TOC) или встречающиеся в природе органические вещества могут быть окислены путем вторичной дезинфекции хлором и образовывать DBP, такие как THM и HAA. Эти DBP являются подозреваемыми канцерогенами и регулируются EPA для питьевой воды. Муниципальные очистные сооружения иногда удаляют ТОС, чтобы ограничить образование ДАД. ТОС обычно заряжается отрицательно и удаляется с помощью смолы SBA.

Уран

Смолу

SBA можно использовать для удаления урана, который обычно существует в виде анионных комплексов уранилкарбонат / сульфат.

Деминерализация / деионизация

Смолы

SAC и SBA, используемые в комбинации по отдельности или в смеси, могут использоваться для снижения содержания минералов и TDS в воде. Минералы в воде обмениваются с катионами водорода (H + ) и гидроксид-анионами (OH ) из гранул смолы с образованием воды высокой степени очистки (H 2 O).

Дезинфекция

Смола

SBA используется для ионного связывания галогенов в качестве антимикробного дезинфицирующего средства и коммерчески доступна для использования в различных лечебных целях.

Заключение

Доступен широкий спектр катионных и анионных смол IX для удаления многих растворенных ионных примесей из воды. Общим признаком всех смол IX является способность обменивать специфически нацеленные ионы в воде с другими предположительно более желательными ионами, которые «загружаются» на шарики смолы во время процесса регенерации. Смолы IX более широко используются для деминерализации / деионизации, дещелачивания и дезинфекции.

Цанг Ли — директор по исследованиям и разработкам / контролю качества и развитию международного бизнеса в Selecto Inc.Он специализируется на разработке и тестировании материалов для фильтрации, разделения и очистки питьевой воды, направленных на контроль качества / нормативно-правовое регулирование, производство и техническое обслуживание клиентов. С ним можно связаться по адресу [email protected]

Стив Николич — вице-президент по развитию бизнеса в Selecto Inc. Он разрабатывает и реализует стратегии роста для увеличения проникновения на рынок и ключевых клиентов в сфере общественного питания и фильтрации воды в гостиницах.С ним можно связаться по адресу [email protected]

Повышение эффективности электродеионизации с использованием проводящих иономерных связующих, которые фиксируют частицы ионообменной смолы на пористых подложках

На рисунке 1а показаны химические структуры полимерного связующего, использованные для изготовления четырех новых материалов RW. На рис. 1б показаны различные конфигурации и изображения RW на основе иономеров. Две конфигурации RW иономерного связующего содержат один тип частиц ионообменной смолы (например,g., только CER или только AER), связанный с противоположно заряженным иономером. Предполагалось, что эти две конфигурации максимально увеличивают количество точек биполярного соединения в RW для улучшения скорости расщепления воды. Это связано с тем, что смешанные RW с иономерным связующим и без него имеют меньшую вероятность того, что фиксированные катионные группы встретятся с фиксированными анионными группами, разделенными небольшим промежутком в наномасштабе. Коль и его коллеги, используя упрощенную модель электростатики, сообщают, что ширина истощения для областей биполярного перехода меньше 2.5 нм. 25 Следовательно, промежутки между фиксированными катионными и анионными группами, намного превышающие 2,5 нм, будут неэффективными для расщепления воды. Однако эта простая модель не отражает истинного биполярного перехода в биполярных мембранах, поскольку для эффективного расщепления воды необходимы катализаторы диссоциации воды, и эти частицы могут иметь размер более 2,5 нм. 16 Водоразделительная способность RW будет более подробно рассмотрена в следующих разделах.

Рис. 1: Схема производства и изображение пластин новой иономерной связующей смолы.

a Химические структуры иономерных полимерных связующих для RW: (CEI: сульфонат натрия, поли (эфирный эфир кетон) (SPEEK) и AEI: четвертичный бензил-н-метилпирролидиния хлорид поли (ариленэфирсульфон)). b Карикатура и фотографии четырех новых иономерных связующих материалов RW. c Технологическая схема получения РАО иономерных связующих.

Новый производственный процесс, используемый для изготовления RW иономерного связующего, показан на рис. 1c.Процесс начинается с раствора иономера (14 мас.% В растворителе N-метил-2-пирролидон (NMP)), смешанного с частицами ионообменной смолы и NaCl в качестве порогенератора. Эту смесь выливают в форму из нержавеющей стали, которая сначала была обработана антипригарным покрытием из кулинарного масла и помещена на ровную поверхность в духовке. Затем растворитель NMP выпаривали в течение ночи при 60 ° C. Форма была закрыта крышкой из нержавеющей стали, а замкнутая форма с иономерным связующим RW была подвергнута горячему прессованию при 125 ° C и нагрузке 2 метрических тонны в течение 2 часов.Затем иономерное связующее RW извлекали из формы и погружали в 250 мл деионизированной воды для выщелачивания NaCl, оставляя после себя пористые RW. Новый RW был промыт большим количеством воды для удаления остаточного растворителя NaCl и NMP.

Выбор химического состава иономера, показанный на рис. 1a, и производственная схема на рис. 1c были вдохновлены известными методами, используемыми для изготовления узлов мембранных электродов для низкотемпературных топливных элементов. 26,27 И AEI, и CEI являются линейными полимерами и растворимы в различных апротонных растворителях, включая NMP, N, N-диметилформамид, N, N-диметилацетамид и диметилсульфоксид.Остаточный растворитель, присутствующий в иономерных связующих после начальной стадии испарения, делает их пригодными для термической обработки для прилипания иономера к частицам смолы. Однако иономерные материалы не растворимы в воде, что является важным требованием для использования в RW-EDI. Другие химические составы иономерных материалов, такие как полистирол сульфоната натрия и поливинилбензилпиридиния хлорид — случайный -винилбензил-4-фторфениэтиламин), были оценены для изготовления RW иономерного связующего, но механическое качество RW было плохим после удаления плесени или IEC иономера были слишком высокими, что привело к распаду РАО в воде (см. дополнительный рис.С 1а по 1б). Для получения механически прочных иономерных связующих RW требовались низкие значения IEC для поли (ариленового эфира) AEI и CEI (<1,5 ммоль г -1 ). Обычно химический состав этих иономерных связующих ближе к 1,5–2 ммоль г –1 при использовании в качестве мембран и связующих электродов в топливных элементах. Однако иономерные связующие с такими уровнями значений IEC вызвали недопустимое набухание РАО при погружении в водные растворы. Следовательно, иономерные связующие с низким МЭК были важны для получения механически прочных РАО как в сухой, так и в гидратированной формах.

На рис. 2а показаны значения ионной проводимости RW, измеренные при различных концентрациях соли. Повторные измерения были выполнены для смешанной смолы со связующим PE и смешанной смолы со связующим CEI. Планки погрешностей — это абсолютное отличие от среднего. Ионная проводимость была измерена в устройстве с проточным режимом, которое окружает РАО в ячейке и позволяет солевому раствору непрерывно проходить через него (см. Дополнительную схему на рис. 2а). Поскольку измерение проводимости в проточном режиме занимает много времени, высокопроизводительные измерения проводимости проводились с помощью 2-точечной ячейки статической проводимости (см. Дополнительный рис.2b для установки). На дополнительном рис. 2с представлены значения проводимости для всех вариантов RW ( n = 3; сообщается стандартная ошибка), и ясно, что иономерные связующие обеспечивают более высокую ионную проводимость RW по сравнению с непроводящим связующим PE RW. На дополнительном рис. 2d сравнивается проводимость в проточном режиме с проводимостью в статическом режиме. Несмотря на небольшую разницу в абсолютных значениях, тенденции проводимости при различных концентрациях раствора NaCl согласуются с таковыми, наблюдаемыми в проточном режиме.

Рис. 2: Ионная проводимость пластин смолы.

Ионная проводимость (κ) пластин смолы ( a ) при различных концентрациях NaCl. Планки погрешностей ( n = 2; абсолютное отличие от среднего для того же образца — планки погрешностей очень малы) для смешанной смолы со связующим CEI и смешанной смолы со связующим PE. b Ионная проводимость, приведенная к ионообменной емкости по массе (κ wt * ) при различных концентрациях солей.

Рисунок 2а и дополнительный рисунок.2c демонстрируют, что ионная проводимость для каждого иономерного связующего RW была выше при всех концентрациях солей по сравнению с полиэтиленовым связующим RW. Примечательно, что иономерные связующие RW, состоящие из смешанной смолы со связующими CEI и AEI, показали самую высокую ионную проводимость при всех концентрациях NaCl. Важно отметить, что значения ионной проводимости растворов NaCl также представлены на рис. 2а. Иономерное связующее RW продемонстрировало, что оно может увеличивать ионную проводимость спейсерного канала до 8 г / л растворов NaCl -1 , в то время как связующее ПЭ RW только улучшает ионную проводимость растворов NaCl до 3.5 г L −1 . Другими словами, при концентрации раствора NaCl 4 г / л -1 или выше в спейсерном канале полиэтиленовое связующее RW больше не может повышать ионную проводимость. Эти результаты подчеркивают универсальность иономерных связующих RW, поскольку они могут дополнять ионную проводимость в отсеках разбавителя или концентрата RW-EDI, когда концентрация раствора достигает 8 г л -1 NaCl.

На рис. 2b представлены данные по ионной проводимости, нормализованные IEC RW на основе веса RW (мэкв. -1 ).На дополнительном рисунке 2e представлены данные по ионной проводимости, нормализованные IEC пластины на основе объема RW (мэкв. Мл -1 ). В таблице 1 приведены значения IEC RW на массу и на объем в пересчете на сухое вещество. Эти значения учитывают фиксированные вклады носителей заряда как связующего (если применимо), так и частиц ионообменной смолы. Нормированная проводимость по IEC, показанная на фиг. 2b и дополнительном фиг. 2e, дала те же тенденции, что и на фиг. 2a, что указывает на то, что ионная проводимость RWs иономерного связующего была выше, чем эталонного PE-связующего RW.Примечательно, что в режиме концентрации разбавленной соли <0,3 г л -1 наблюдалось четырехкратное увеличение нормированной ионной проводимости по сравнению с RW связующим полиэтиленом.

Таблица 1 МЭК и значения пористости пластин из смолы.

Наличие ионных групп в связующем обеспечивает большее количество фиксированных носителей заряда в дополнение к ионной проводимости RW. Соотношение Нернста-Планка показывает, что ионная проводимость в электролитах является линейной функцией фиксированной концентрации носителей заряда 7,28 .Основываясь на теоретическом соотношении, вероятно, что улучшение ионной проводимости может быть связано исключительно с добавлением групп с фиксированным зарядом в иономерное связующее. Однако для вновь созданных RW требуется меньше связующего, чем для эталонного RW со связующим PE, и приведение ионной проводимости каждого RW к IEC RW показывает, что концентрация фиксированных носителей заряда сама по себе не может объяснить повышенную ионную проводимость RW на основе иономеров. . Чтобы лучше понять различия в характеристиках ионной проводимости RW иономерного связующего по сравнению с RW связующего PE, была использована электронная микроскопия для изучения пористой структуры RW и распределения связующего.

На рис. 3a – e приведены изображения поперечного сечения (слева) и поверхности (справа) на сканирующем электронном микроскопе ПЭ связующего RW (эталон) и иономерного связующего RW. Гранулы смолы, наблюдаемые на каждой микрофотографии, имеют размер от 300 до 500 мкм. Фиг. 3a соответствует связующему полиэтилену RW, а на изображениях показан полиэтилен, покрывающий поверхность частиц ионообменной смолы относительно толстым слоем полиэтилена и частицы с плохой ионообменной смолой, контактирующие с частицами ионообменной смолы. Большое покрытие поверхности толстым полиэтиленовым связующим препятствует контакту жидкого раствора с ионообменными смолами, что приводит к меньшему ионному обмену и меньшему количеству путей переноса ионов от частицы к частице.На рис. 3b – e показаны отчетливо разные распределения связующего и удержания частиц внутри иономерного связующего RW по сравнению с полиэтиленовым связующим RW. Судя по этим изображениям, иономерное связующее в каждом образце RW тоньше и более равномерно распределено, чтобы обеспечить лучшую адгезию между частицами ионообменной смолы. Кроме того, иономерное связующее, по-видимому, меньше покрывает поверхность частиц по сравнению с полиэтиленовым связующим RW. Структуры RW с иономерным связующим также имеют заметно большие пористые зазоры, которые облегчают объемный поток жидкости.Это важно, потому что иономерное связующее и открытые частицы смолы способны к ионному обмену с жидким раствором.

Рис. 3: СЭМ-изображения пластин смолы.

СЭМ-изображения RW (слева: поперечное сечение и справа: поверхность) в масштабе 500 мкм. , смешанная смола со связующим полиэтиленом. b смешанная смола со связующим CEI. c смешанная смола со связующим AEI. d AER со скоросшивателем CEI. e CER со связующим AEI.

В дополнение к таблице 1, содержащей значения IEC для RW, в таблице также приведены значения пористости для различных RW (т. Е.е., пустое пространство со свободной жидкостью, деленное на объем пластины, уравнение. 3). Два из иономерных связующих RW, смешанная смола со связующим CEI и CER со связующим AEI, обеспечивали сопоставимые значения пористости с эталонным связующим PE RW (например, 23,8% и 24,3% против 26,5%). RW, состоящие из смешанной смолы со связующим AEI и AER со связкой CEI, дали более низкие значения пористости — 18,6% и 13,0% соответственно. Важно отметить, что демонстрации RW-EDI проводились с RW, состоящими из AER со связующим CEI и смешанной смолы со связующим CEI (эти результаты представлены в следующем разделе).RW со связующим AER и CEI имел наименьшее значение пористости, но по-прежнему эффективно работал в лабораторной установке RW-EDI и с лучшими характеристиками, чем эталонное связующее на основе PE RW. RW-EDI с RW, состоящими из смешанной смолы со связующим CEI, продемонстрировал характеристики, аналогичные прогону разделения с RW AER со связующим CEI. Эти результаты позволяют предположить, что RW эффективно работают в установках RW-EDI со значениями пористости в диапазоне 13–24%.

Электронная микроскопия и измерения пористости в сочетании с демонстрациями RW-EDI показали, что новые иономерные связующие RW содержат макропоры и адекватную пористость для объемного потока жидкости.Первый вывод из этих результатов подтверждает гибкость нового производственного процесса для производства механически неповрежденных, проводящих и пористых РАО. Что еще более важно, электронные микрофотографии подтверждают, что иономерное связующее действует как более тонкий адгезив между гранулами ионообменной смолы в сетке RW по сравнению с полиэтиленовым связующим. В качестве ионопроводящего адгезива иономерное связующее обеспечивает легкий перенос ионов от частицы к частице в дополнение к большему захвату ионов из жидкости.Это ключевые факторы, которые определяют эффективность доставки ионов к поверхности мембраны, что необходимо для окончательного удаления ионов из камеры разбавителя.

Превосходная ионная проводимость иономерных связующих RW, в дополнение к их адекватной пористости, мотивировала лабораторные исследования RW-EDI для удаления 99% NaCl (подаваемого при 5000 мг л -1 ) из раствора. Эта концентрация сырья была выбрана потому, что она представляет собой верхний предел режима концентрации солоноватой воды с модельным раствором.Стендовая установка состояла из четырех пар анионообменных и катионообменных мембран и четырех отсеков для разбавления и концентрата. Таким образом, стендовый блок EDI использовал четыре RW для каждого цикла EDI с различными материалами RW. Стендовый RW-EDI работал при постоянном напряжении и с рециркуляцией потоков разбавителя и концентрата. На рис. 4а показана концентрация Cl в растворе концентрата и растворе разбавителя в зависимости от времени. Стендовая установка RW-EDI непрерывно работала в режиме рециркуляции до тех пор, пока 99% -ное удаление NaCl (измеренное как Cl ) не произошло из раствора разбавителя.Оба иономерных связующих RW, смешанная смола со связующим CEI и AER со связующим CEI, привели к 25% более быстрому удалению NaCl из раствора разбавителя по сравнению с прогоном RW-EDI с эталонной пластиной.

Рис. 4: Результаты EDI, полученные с использованием растворов NaCl и различных материалов РАО.

Демонстрации EDI проводились в периодическом режиме при рециркуляции до тех пор, пока 99% NaCl не было удалено из отделения для разбавителя. a Концентрация потоков концентрата и разбавителя в зависимости от времени. b Производительность удаления NaCl (т.е. поток удаления ионов) в зависимости от степени удаления. c Энергопотребление для удаления Cl . Для каждого материала RW было выполнено два прогона EDI. Средний результат приводится на каждом графике для каждого материала RW, а полосы ошибок представляют собой разницу между средним значением и одной из собранных точек данных для одного и того же образца RW.

Более быстрое удаление ионов из потока разбавителя с помощью иономерного связующего RW было приписано способности материалов способствовать более высокой скорости потока удаления ионов в диапазоне концентраций NaCl в камере разбавителя.На рисунке 4b показана зависимость производительности удаления (потока удаления ионов) из отделения для разбавителя от коэффициента удаления (см. Уравнение 1). По мере увеличения степени удаления количество растворенной соли в RW уменьшается, что приводит к увеличению омического сопротивления камеры разбавления. Большее сопротивление препятствует потоку удаления ионов из камеры разбавления, и, таким образом, при постоянном приложенном напряжении количество электрического тока, который может проходить через батарею RW-EDI, уменьшается. При тех же рабочих условиях, приложенных напряжениях и скоростях подачи, производительность удаления RW иономерного связующего, как показано на рис.4b на 25% или более выше, чем у связующего полиэтилена RW, независимо от степени удаления. Более высокая эффективность удаления объясняется более высокими значениями ионной проводимости иономерного связующего RW.

$$ {\ mathrm {Removal}} \, {\ mathrm {ratio}} \, (\%) = \ left ({1 — \ frac {{C _ {{\ mathrm {dilute}}}}}} { {C _ {{\ mathrm {feed}}}}} \ right) \ times 100 \% $$

(1)

На рис. 4c показано потребление энергии (кВтч) на килограмм удаленного хлора для прогонов RW-EDI, выполненных с различными RW, наряду с их соответствующей производительностью удаления, достигнутой при удалении 99%.Иономерные RW обеспечили снижение энергопотребления до 4,3% во время цикла RW-EDI по сравнению с эталонным RW. Хотя иономерные связующие RW показали значительно лучшую ионную проводимость и степень удаления ионов в RW-EDI, их улучшение энергопотребления было незначительным, но все же достойным похвалы. Потребление энергии может быть снижено в большей степени за счет эксплуатации блока RW-EDI в оптимальных условиях с модулированным приложенным электрическим полем (то есть постоянным током), соотношением катионо-анионообменной емкости в RW и скоростью потока сырья.Однако процесс с постоянным током даст примерно одинаковое время для очистки 99% NaCl из потока разбавителя (при условии одинаковых значений эффективности заряда для каждого цикла EDI с разными материалами). Для каждого RW, вероятно, потребуются разные оптимальные рабочие условия для EDI, и для обеспечения сравнительных данных операция не была оптимизирована в пользу какой-либо пробы RW. Сообщается, что в оптимальных условиях эксплуатации (т.е.приложенное электрическое поле, скорость потока и т. Д.) RW-EDI достигает <0.66 кВтч / м3 для 90% удаления 5000 мг л. -1 NaCl, 12 , тогда как опреснение обычными РАО в этом исследовании соответствовало среднему потреблению энергии примерно в три раза большему. С точки зрения экономики процесса потребление энергии для RW-EDI напрямую связано с эксплуатационными расходами, в то время как установка RW-EDI, способная быстрее удалять ионы из разбавленного раствора, приводит к более низким капитальным затратам (из-за меньшей установки для деионизации) и эксплуатационные расходы (в основном вызванные использованием меньшего количества ионообменных мембран и РАО). 12 Обратите внимание, что потребность в энергии для перекачивания потоков корма и концентрата минимальна по сравнению с потреблением электроэнергии (см. Дополнительную таблицу 2). Результаты на рис. 4a-c демонстрируют, что иономерные связующие RW демонстрируют более быстрое ионное разделение, при одновременном использовании меньшего количества энергии, что делает их чрезвычайно выгодными для процессов RW-EDI.

На рисунке 5 показан вольт-амперный (ВАХ) отклик (т. Е. Поляризационные кривые) RW и биполярных мембран в самодельной 4-точечной ячейке, используемой для оценки кинетики расщепления воды в биполярных мембранах.На вставке к рис. 5 показан низкотоковый отклик материалов RW и биполярной мембраны без катализатора диссоциации воды. Биполярные мембраны были оценены как контроль против RW, и они включают коммерческий вариант (Fumatech) и самодельные варианты с катализаторами диссоциации воды и без них. Самодельные биполярные мембраны состояли из катионообменной мембраны SPEEK (CEM), соединенной с анионообменной мембраной (AEM) четвертичного бензил-н-метилпирролидиния поли (2,6-диметил 1,4-фениленоксид) (QAPPO).Одна самодельная биполярная мембрана содержала катализатор диссоциации воды (наночастицы гидроксида алюминия (Al (OH) 3 )), а другая не содержала катализатора диссоциации воды. Оцениваемые материалы РАО включают эталонный материал (смешанная смола со связующим полиэтиленом), CER со связующим AEI и AER со связующим CEI. Дополнительный рис. 3a-c показывает экспериментальную установку и конфигурацию RW, которые были зажаты между CEM и AEM для тестирования. Для биполярной мембраны Fumatech и SPEEK-QAPPO с катализатором диссоциации воды начальное падение потенциала для протекания тока наблюдалось при 0.8 В указывает на относительно легкую диссоциацию воды на носители ионов H + и OH в биполярном соединении мембран (примечание: термодинамический потенциал для разделения воды в биполярном соединении составляет 0,83 В 18 ). Однако биполярная мембрана SPEEK-QAPPO без катализатора диссоциации воды и все RW показали начальные потенциалы более 1 В и существенно более низкие отклики по току. Эти значения указывают на то, что биполярные переходы в этих материалах имеют большие перенапряжения для диссоциации воды и меньшую популяцию областей биполярных переходов (т.е.е., меньше участков для диссоциации воды, что необходимо для усиления текущего отклика).

Рис. 5: Вольтамперные кривые (ВАХ) биполярных мембран и RW, испытанных в 4-точечной ячейке, используемой для оценки расщепления воды.

Испытанные биполярные мембраны включают Fumatech (коммерчески доступные) и SPEEK-QAPPO с катализаторами диссоциации воды и без них. Оцениваемые RW включают смешанные ионообменные смолы со связующим PE (эталонный материал), связующее CEI с AER и связующее AEI с CER.

EDI-процессы могут работать непрерывно и без необходимости использования химикатов для регенерации ионообменного слоя, поскольку противоположно заряженные частицы ионообменной смолы, расположенные рядом друг с другом и распределенные по всему слою, могут диссоциировать воду на H + и OH носители заряда. 21,22 При обработке потока разбавителя в EDI очень разбавленные условия возле выхода из установки способствуют диссоциации воды для обеспечения ионных носителей заряда и поддержания потока EDI.После образования противоионов H + и OH часть из них может обмениваться на свои противоположно заряженные смолы. Затем регенерированный слой может удалить оставшиеся солевые ионы из промежуточного раствора посредством ионного обмена 22 или облегчения миграции ионов через ионообменные мембраны. Отчеты по обнаружению расщепления воды в смешанных ионообменных слоях для EDI обычно основываются на мониторинге pH выходящего потока и текущей эффективности EDI в очень разбавленных условиях.При этом в данном отчете была принята внешняя методология для оценки расщепления воды в материалах РАО. Поскольку ионообменные частицы иммобилизованы в RW, эти материалы были пригодны для оценки в 4-точечной ячейке, которая традиционно используется для оценки расщепления воды в биполярных мембранах. 16

На рисунке 5 показано водоразделение AER со связующим CEI RW, которое в 20 раз ниже по токовой характеристике при 2 В, чем биполярные мембраны с катализатором диссоциации воды (Fumatech), и в 4 раза меньшую токовую характеристику, чем биполярная. мембрана без катализатора диссоциации воды (биполярная мембрана SPEEK-QAPPO без катализатора) при том же напряжении.Было выдвинуто предположение, что ранее описанные RW, изготовленные с иономерным связующим, способствовали лучшему расщеплению воды по сравнению с эталонными RW за счет увеличения популяции участков биполярного соединения по всему слою RW (см. Дополнительный рис. 4). Чтобы проверить эту гипотезу, были составлены RW, состоящие из связующего CEI только с AER и связующего AEI с CER. Текущий отклик для RW со связующим CEI и AER был незначительно лучше, чем для смешанного RW со связующим PE (см. Дополнительный рис. 5), но он был значительно ниже, чем отклик, наблюдаемый для биполярных мембран с катализатором диссоциации воды.Фактически, она была больше похожа на биполярную мембрану без катализатора диссоциации воды. 17 Улучшенный отклик по току для связующего CEI AER RW по сравнению с эталонным смешанным RW со связующим PE было приписано большему количеству биполярных переходов в образце RW. В дополнительных примечаниях представлена ​​базовая модель континуума, подтверждающая это. Более высокая ионная проводимость и лучшая кинетика расщепления воды связующего CEI AER RW по сравнению с эталонным материалом объясняют, почему этот материал продемонстрировал почти на 25% более быстрое разделение с 4.Снижение потребления энергии на 3% при удалении 99%. Выводы, полученные из результатов, представленных на рис. 5, мотивируют наши будущие исследования включать катализаторы диссоциации воды в RWs и максимизировать популяции биполярных переходов. Некоторые примеры включают поли (акриловую кислоту), оксид графена или поли (винилпиридин) или оксиды / гидроксиды металлов). 29,30

Наконец, следует отметить, что изменения pH были обнаружены в потоке разбавителя при рециркуляции во время циклов RW-EDI (дополнительный рис.6), и наибольшее изменение pH наблюдалось для RW, состоящего из AER со связующим CEI. Более сильное изменение pH, наблюдаемое во время эксперимента, предполагает, что этот RW-материал был наиболее эффективным для расщепления воды в EDI. Это наблюдение согласуется с измерением водоразделения с использованием внешнего 4-точечного измерения, которое указывает на большее расщепление воды для AER со связующим CEI RW по сравнению со смешанной смолой со связующим PE (дополнительный рис. 5). Однако следует отметить, что неравное соотношение фиксированных анионообменных и катионообменных центров в RW (количество фиксированных анионообменных и катионообменных центров в RW см. В дополнительной таблице 1) также может вызывать изменения pH в образцах RW. камера дилуата. 31

RW на иономерном связующем были разработаны для EDI в качестве замены эталонных RW, которые изготавливаются с непроводящим связующим PE. Иономерные связующие RW показали превосходную ионную проводимость (улучшение в 3–5 раз) при сохранении адекватной пористости, что привело к более быстрому удалению ионов из водных потоков с большей энергоэффективностью в демонстрациях RW-EDI. Электронные микрофотографии показали, что иономерные связующие были более тонкими и лучше распределялись по всему слою RW для иммобилизации частиц ионообменной смолы.Лучшее распределение связующего способствует большему ионному обмену между жидкостью и частицами смолы и доставке ионов к мембранам. Характеристики водоразделения этих РАО оценивались на внешней установке, и было определено, что все материалы РАО расщепляют воду × 20 менее эффективно по сравнению с биполярными мембранами, которые содержат катализаторы диссоциации воды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *