Ионообменный аппарат смешанного действия

Для глубокого обессоливания воды применяют ионообменные аппараты (фильтры) смешанного действия (рис.7). В этих аппаратах используется фильтрующий слой из смеси зёрен катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме. При фильтрации через такую смесь pH воды практически не изменяется во всём фильтрующем слое, обеспечивая тем самым максимальную эффективность очистки.

Но как регенерировать такую смесь катиона и анионита? Перед регенерацией зерна катионита и анионита разделяют на два слоя подачей воды снизу по цепочке и используя разную плотность зёрен (_{катионит} > _{анионит}).

При регенерации анионита (он окажется после разделения в верхней части аппарата) 4% раствор NaOH подается по цепочке . При регенерации катионита (он внизу) 5-10% раствор подаётся по цепочке . По окончании регенерации зерна катионита и анионита вновь перемешиваются сжатым воздухом. Образуется смешанный слой, через который обрабатываемая вода прокачивается сверху вниз по цепочке с линейной скоростью 40 – 50 м/ч.

Как видно, устройство и эксплуатация ионообменных аппаратов смешанного действия гораздо сложнее.

Задача 1. При каких рH можно удалять из воды катионы с помощью катионообменников.

Решение. При очистке воды от катионов с помощью катионообменников нужно знать pH начала образования осадков гидроксидов металлов при данной их концентрации.

1. Пусть С( ) = г/л. [ ] = 1.8* моль/л. Найдём концентрацию анионов , при которой начинается осаждение гидроксида железа (+3) .

[ ]=

( C) pH = 3.85

2. Пусть С( ) = г/л. [ ] = 1.8* моль/л.

Задача 2. Какой объём V воды можно умягчить с помощью ионообменного фильтра с катионитом КУ- 2 - 8 за один цикл фильтрации. Объём катионита в фильтре V_кат = 3,6 . Динамическая обменная ёмкость ДОЕ = 1000 моль экв / . Полная обменная ёмкость ПОЕ = 1700 моль экв / . Общая жесткость исходной воды 7 ммоль экв / л.

Ж_об = (С_э( )+С_э( ))* ммоль экв/л.

С_э( ) = 4.5 ммоль экв/л. С( ) = 90 мг/л.

С_э( ) = 2.5 ммоль экв/л. C( ) = 30.4 мг/л.

V_воды л *7* моль экв/л. = 3.6 * 1000 моль экв /

V_воды

M(Mg) = 24.3 г/моль Э(Mg) = 12.15 г/экв.

М(Ca) = 40.1 г/моль Э(Ca) = 20.05 г/экв.

Волокнистые ионообменные материалы Промышленные фильтры, снаряженные волокнистыми ионообменными материалами, для очистки воздуха от кислых и щелочных газообразных примесей

Волокнистые ионообменные материалы обладают теми же ионообменным свойством, что и зернистые иониты с аналогичными функциональными группами. Но волокнистые материалы имеют перед зернистыми следующие преимущества.

1. Из волокон можно изготавливать текстильные изделия – тканные и нетканые полотна. Изготовление фильтров с использованием текстильных материалов упрощает конструкцию аппаратов, позволяя в тоже время развивать большую лобовую площадь фильтрации в единице объема аппарата, совмещать газо – и пылезадерживающие элементы фильтров.

2. Ионообменные волокна и изделия из них обладают большой удельной поверхностью (несколько м²/г) и малой глубиной диффузионного слоя (мкм), что обеспечивает высокую скорость ионного обмена.

Процесс поглощения газов ионитами можно описать следующей последовательностью:

- растворение молекул поглощаемого летучего вещества в содержащейся на поверхности ионита тонкой пленке адсорбированной воды (наличие пленки воды обеспечивает условие ионного обмена);

- диффузия растворенных молекул или образующихся при растворении ионов в водной пленке к функциональным группам;

- ионный обмен и вывод продуктов реакции из реакционного объема.

Из вышесказанного ясна важность наличия на волокнах ионита пленки адсорбированной воды, то есть ионит должен быть гидрофильным, а относительная влажность фильтруемого газа должна быть не меньше 50%.

В промышленности РФ используются ионообменные материалы ВИОН, представляющие собой продукт химической обработки полиакрилонитрильных волокон.

Справка. Состав полиакрилонитрильных волокон выражается формулой

[- CH - CH(CN) - ]_n

М = 40 – 100 тыс., плотность = 1.14 – 1.17 г/см³,

Т = 220 – 230°С, Т_{разложения} > 160°С.

В результате химической модификации получают материалы нескольких видов, наиболее распространенными являются:

- слабокислотные катиониты ВИОН КН-1, активная группа – COOH, СОЕ 5 - 7 моль/кг;

- слабоосновные аниониты ВИОН АН -1, активная группа

N

CH , СОЕ 2 – 3 моль/кг.

Очистка воздуха от вредных газообразных кислотных и основных примесей основана на протекании химических реакций взаимодействия молекул этих газов с активными группами ионита. Например, в анионите ВИОН АН-1 (в ОН-форме) при сорбции хлороводорода протекает реакция:

(1)

А в катионите ВИОН КН-1 при сорбции аммиака или хлороводорода протекают реакции:

(2)

RNa + HCl = RH + NaCl (3)

где ROH – анионит в ОН-форме;

RH – катионит в Н-форме;

RNa – катионит в Na-форме.

Регенерация материала ВИОН АН-1, сорбирующего хлороводород (1), проводится водой, которая вымывает поглощенную кислоту. А регенерация ВИОН КН-1, сорбирующего хлороводород по реакции (3), проводится 3-5% раствором соды (Na₂CO₃) или раствором гидроксида натрия (NaOH), который удаляет образовавшуюся соль и одновременно переводит катионит в Na-форму.

При сорбции аммиака (2) регенерацию материала проводят 3% раствором кислоты.

Нетканые полотна с «насыпной» плотностью 1 кг/м из материалов ВИОН используются в промышленных фильтрах ХВФ (см. рис.8 на стр.15) производительностью от 3000 до 25000 м /ч (табл.3 на стр.14) для улавливания и других газов, а также жидких аэрозолей, являющихся наиболее распространенными веществами, загрязняющими атмосферу.

Таблица 3