VII. ЭКСПЛУАТАЦИЯ Н-КАТИОНИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ И КИСЛОТНОГО ХОЗЯЙСТВА
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Катионитовый метод умягчения воды основан па способности некоторых практически нерастворимых в воде материалов — катионитов— вступать в ионный обмен с растворенными в воде солями, поглощая из воды их катионы и отдавая в раствор эквивалентное количество катионов, которыми катионит периодически насыщается при регенерации.
Н-катионитовые фильтры в схемах обессоливания предназначены для возможно более полного удаления из обрабатываемой воды всех катионов. В фильтры загружают сульфоуголь или другой катионит, содержащий обменный катион водорода. При фильтрации воды через Н-катионит происходит обмен катионов кальция, магния, натрия и др. на катион водорода. При этом происходит образование в эквивалентных количествах свободных минеральных кислот — угольной, соляной, серной и др.:
При регенерации происходит восстановление обменной емкости катионита, причем выделившиеся соли жесткости удаляются;
В современных катионитах в качестве функциональных групп используются в основном группы — SOsH—СООН и — ОН, водород которых при известных условиях способен к реакциям катионного обмена.
Сульфокатиониты (катиониты, содержащие только функциональные группы —SO3H), называемые сильнокислотными, характеризуются наибольшей способностью к диссоциации в водных растворах, т. е. обладают наибольшей обменной способностью. К сильнокислотным относятся катиониты: КУ-2, С-6С-А, алласион CS, леватиты PN, KSN, S100, пермутит PS.
Карбоксильные катиониты (содержащие только функциональные группы—СООН) обладают заметно меньшей способностью к диссоциации в водяных растворах.
Гидроксильные катиониты (содержащие только функциональные группы — ОН) обладают минимальной способностью к диссоциации, проявляемой лишь в определенных условиях.
Карбоксильные и гидроксильные катиониты называются слабо- кислотными; к ним о-носятся катиониты КБ-4, вофатит С. леватит CNO, пермутит С, амберлит ЩС-50.
Катиониты, содержащие функциональные группы разной природы, по своей способности к диссоциации занимают промежуточное значение между сильно- и слабокислотными материалами. К числу их относятся: сульфоугли (—SO3H, —СООН и —ОН), катионит КУ-1 (—SO3H η —ОН), вофатит (Р—SO3H и —ОН) и др. В зависимости от соотношения между функциональными группами способность к диссоциации промежуточных катионов приближается либо к сильно-, либо к слабокислотным катионитам.
Существенное влияние на величину рабочей емкости катионита оказывает природа поглощаемых катионов. Любой катион может быть поглощен катионитом с необходимой степенью полноты, но величина рабочей емкости поглощения и удельный расход регенерирующего вещества при этом будут зависеть от природы поглощаемого катиона.
В следующем ряду:
каждый последующий катион более интенсивно поглощается катионитом, чем предыдущий; другими словами, каждый предыдущий катион будет вытесняться из катионита последующим, если они находятся в растворе в сопоставимых концентрациях. Это обстоятельство накладывает на процесс Н-катионирования некоторую особенность.
При Н-катионировании все катионы, содержащиеся в обрабатываемой воде, заменяются катионом водорода. По мере истощения катионита катион, обладающий наименьшей способностью поглощения, начинает вытесняться в фильтрат более активными ионами кальция и магния. Благодаря этому через некоторое время после начала цикла умягчения воды катионит можно условно разбить на пять зон: верхняя зона, катионит в которой равновесно насыщен ионами кальция и магния, под ней находится слой, в котором происходит вытеснение ионов натрия ионами кальция и магния, ниже располагается слой, равновесно насыщенный ионами натрия, под ним находится зона замещения Н-катиона катионом натрия, а еще ниже — зона Н-катионита, еще не участвовавшего а реакции обмена ионов.
По мере поглощения катионитом солей жесткости высота зоны равновесно насыщенного кальцием и магнием катионита будет все увеличиваться, вследствие чего ее нижняя граница будет смещаться вниз и одновременно будут смещаться вниз и остальные зоны.
Как только зона замещения Н-катионита катионом натрия сместится до нижней границы катионита, начинается проскок иона натрия в фильтрат, благодаря чему кислотность фильтрата Н-катионитового фильтра начнет снижаться. В начале цикла кислотность фильтрата близка к сумме концентраций в исходной воде хлоридов и сульфатов, но после нахала проскока в фильтрат натрия она начнет уменьшаться на величину, равную концентрации натрия в фильтрате в каждый данный момент времени. Как только нижняя граница зоны равновесного насыщения катионита натрием достигнет нижних слоев загрузки катионита в фильтр, все Н-катионы окажутся вытесненными из катионита и кислотность фильтрата станет равной нулю. Вслед за этим в фильтрате появляется щелочность, которая постепенно достигает величины, равной щелочности исходной воды.
Величина рабочей обменной емкости катионитов при прочих равных условиях зависит от скорости фильтрации обрабатываемой воды. Если принять за единицу коэффициент использования рабочей обменной емкости катионита при скорости фильтрации 5 м/ч, то при скорости 10 м/ч он равен 0,98, при 40 м/ч — 0,9. Эта зависимость справедлива для большинства катионитов. Емкость поглощения наиболее распространенных катионитов обычно находится в пределах 250—400 г-экв/м3. Для марки КУ-2 эта величина достигает значения порядка 1 000 г-экв/м3. Удельный расход 100%-ной серной кислоты на регенерацию в среднем составляет 70—100 г/г-экв. Увеличение удельного расхода кислоты свыше 120 г/г-экв существенного увеличения емкости поглощения не дает.
1 ступень Н-катионирования предназначается для обмена всех катионов, содержащихся в фильтруемой воде, на катион водорода в Н-катионите.
- ступень Н-катионирования предназначается для обмена главным образом натрия, случайно «проскочившего» через Н-катионитовый фильтр 1 ступени, или катионов, попавших из низкоосновных анионитовых фильтров (старение анионита, недостаточно тщательная отмывка).
- ступень Н-катионирования служит для обмена катиона натрия, могущего лопасть из фильтра с сильноосновным анионитом (недостаточная отмывка фильтра после регенерации, старение анионита) на катион водорода.
2. УСТРОЙСТВО Н-КАТИОНИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ (рис. 13, 14)
Н-катионитовый фильтр представляет собой цилиндр со сферическими днищами, рассчитанный на рабочее давление 6 от и пробное давление 9 ат. Внутри фильтра на нижнем забетонированном днище из кислотостойкого бетона расположено дренажное устройство, служащее для равномерного отвода воды по всему сечению фильтра. Щелевое дренажное устройство выполняется из нержавеющей стали в виде трубок, отходящих от центрального сборного коллектора, отверстия в которых сверху прикрыты полукожухами. Трубки на половину своего диаметра защиты бетоном.
Вверху фильтра расположено тарельчатое распределительное устройство, выполняемое из нержавеющей стали.
Внутренняя поверхность фильтра покрыта кислотостойким покрытием. Все трубопроводы, работающие в условиях кислой среды, выполнены из нержавеющей стали, кислотостойких винипластовых или стальных гуммированных или покрытых изнутри кислотостойким лакам труб.
Кислотоупорные мембранные вентили также покрываются перхлорвиниловым лаком или гуммируются резиной, а вся мелкая арматура выполняется из нержавеющей стали.
Рис. 13. Н-катионитовый фильтр I ступени.
1 — подвод обрабатываемой воды; 2 — выход обработанной воды; 3 — подвод взрыхляющей воды; 4 — спуск взрыхляющей воды; 5 — спуск первых порций фильтрата; 5 — подвод регенерационного раствора при последовательной регенерации; 7 — подвод регенерационного раствора при обычной регенерации; 8 — расходомер; 9 — линия к манометру на входе воды; 10 — линия к манометру на выходе воды; 11 — воздушник; 12 — верхний люк; 13 — нижний люк; 14 — люк для гидроперегрузки; 15 — катионит; 16 — верхнее распределительное устройство; 17 — дренажное устройство.
У фильтра имеются нижний и верхний люки для установки и монтажа внутренних устройств, ремонта и ревизии состояния фильтра в условиях эксплуатации и воздушник для удаления воздуха и снятия давления с фильтра.
Рис. 14. Н-катионитовый фильтр II и III ступеней.
1 — подвод обрабатываемой воды; 2 — выход отработанной воды; 3—подвод взрыхляющей воды; 4 — спуск промывочной воды; 5 — спуск первых порций фильтрата; 6 — пробоотборное корыто: 7 — подвод регенерационного раствора: 8 — расходомер; 9 — линия к манометру на входе воды; 10 — линия к манометру на выходе воды; 11 — воздушник; 12 — верхний люк; 13 — нижний люк; 14 — люк для гидроперегрузки; 13 — катионит.
Фильтр запружается катионитом, высота слоя которого составляет для I ступени 2—4 м, для II и Ш ступени 1,6—2 м; размер рабочих зерен составляет 0,5— 1,2 мм.
Со стороны фронта фильтра имеются трубопроводы: подвод обрабатываемой воды — вентиль 1; отвод обработанной воды — вентиль 2: подвод промывочной воды — вентиль 3 спуск промывочной воды — вентиль 4; пуск первых порций фильтрата — вентиль 5; штуцер 6 для последовательных регенераций; подвод регенерационного раствора — вентиль 7.
Фильтр снабжен контрольно-измерительными приборами: расходомером со счетчиком на трубопроводе подачи воды в фильтр и двумя манометрами на входе и на выходе воды из фильтра.
