Тема 12 – Процессы анионирования (2 часа)
Цель: формировать знания по процессам анионирования, используемые в технологии водоподготовки.
Задачи обучения:
- ввести определение по процессам анионирования;
- освоить эффект регенерации анионита;
- формировать мотивацию знаний студентов по ОН-анионированию;
- раскрыть преимущества применения противоточных анионитных фильтров.
План проведения занятия:
1. ОH-анионирование воды.
2. Регенерация анионитов.
3. Схема двухступенчатого химического обессоливания.
Формы проведения занятия: теоретический разбор занятия проводится методом «Вопрос-ответ»: разделение студентов по группам, каждая из которых задает вопросы другой (если команда с ответом затрудняется при разборе вопроса, ответ задает сама задающая команда). При неправильном ответе, правильный ответ разъясняет преподаватель. Метод «Вопрос-ответ» позволяет правильно формулировать вопросы, выстраивать правильную трактовку ответа.
Литература:
1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.
2 Майофис Л.С. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1964. – 625 с.
3 Альбицкая В.Г., Гинзбург О.Ф., Коляскина З.Н., Купин Б.С., Павлова Л.А., Разумова Н.А., Ралль К.Б., Серкова В.И., Стадничук М.Д. Лабораторные работы по органической химии. Под ред. О.Ф. Гинзбурга, А.А. Петрова. М.: Высш. шк., 1967. – 295 с.
4 А.Е. Агрономов, Ю.С. Шабаров Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Изд. Московского университета., 1971. – 230 с.
5 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.
Контроль (вопросы)
1. Какие процессы используются для умягчения воды?
2. В чем заключается ОН-анионирование воды?
3. Как Вы понимаете эффект регенерации анионита?
4. С какой целью применяются трехступенчатые схемы химического обессоливания?
5.В чем заключается принципиальная схема двухступенчатого химического обессоливания?
Методы контроля:
Оцениваются:
- умение формулировать правильные вопросы и ответить правильно на них (25 б);
- анализ теоретического материала по контроль (вопросам) (25 б);
- умение мотивировать знания студентов по определению процессов анионирования (25 б);
- умение конкретизировать примерами (25 б).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Задание 1
Практически освоить процесс регенерации анионитов.
Задание 2
Разобрать процесс анионирования и провести необходимые расчеты для определения адсорбционных способностей анионитов.
Анионирование воды ведется с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксила. При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в обмен на ионы ОН- и Н+, т.е. осуществляется химическое (ионитное) обессоливание воды. При фильтровании через слой анионита осуществляется сорбция анионов согласно реакциям:
ROH + Cl- « RCl + OH-, |
(4.22) |
2ROH + SO42- « R2SO4 + 2OH-. |
(4.23) |
Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот H2CO3 и H2SiO3 и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов:
ROH + H+ + HCO3- « RHCO3 + H2O, |
(4.24) |
ROH + H+ + HSiO3 « RHSiO3 + H2O. |
(4.25) |
С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов (EАН EАВ), а также способности только последних сорбировать анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный анионит, удаляющие ионы SO42- и Cl-; на второй ступени в фильтры загружается сильноосновный анионит, предназначенный главным образом для обескремнивания воды.
Согласно ряду селективности в анионитном фильтре 1 ст. первыми проскакивают в фильтрат ионы Cl-, поэтому время выхода на регенерацию этого фильтра сопоставляют с концентрацией хлоридов; отключение анионитных фильтров 2 ст. на регенерацию проводят на основании контроля фильтрата по кремнекислоте.
Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:
RCl + nOH- « ROH + Cl - + (n - 1)OH-, |
(4.26) |
R2SO4 + nOH- « 2ROH + SO42- + (n - 2)OH-, |
(4.27) |
RHCO3 + nOH- « ROH + HCO3- + (n - 1)OH-, |
(4.28) |
RHSiO3 + nOH- « ROH + HSiO3- + (n - 1)OH-. |
(4.29) |
Избыток щелочи (n) при регенерации слабоосновных анионитов при поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/дм3 (рисунок 1). Для снижения удельного расхода щелочи регенерацию параллельно-точных анионитных фильтров 2 и 1 ступеней проводят последовательно, либо используют противоточную или ступенчатопротивоточную технологию.
Рисунок 1 - Удельный расход NaOH на регенерацию анионита АВ-17 при обескремнивании воды: 1, 2 3, 4 – остаточное кремнесодержание фильтрата, соответственно 0.16; 0.12; 0.10; 0.08 мг/дм3 при расходе NaOH 100, 120, 150, 200 кг/м3
При проектировании технологии химического обессоливания учитывают, что наличие в H-катионированной воде свободной углекислоты, более сильной, чем кремниевая, уменьшает кремнеемкость анионита и вызывает более ранний проскок ионов HSiO3 - в фильтрат. Поэтому перед поступлением H-катионированной воды на слой сильноосновного анионита из нее необходимо возможно более полно удалить CO2, для чего в схему включается декарбонизатор. Еще сильнее снижает кремнеемкость анионита наличие в H-катионированной воде ионов Na+, так как помимо истощения анионита анионами, уравновешивающими эти катионы, увеличивается концентрация в фильтрате противоионов (OH-), что резко ухудшает глубину обескремнивания воды. С учетом приведенных фактов схемы обессоливания создаются, как правило, в виде двухступенчатых, содержащих основное оборудование, приведенное на рисунке 2.
Рисунок 2 - Принципиальная схема двухступенчатого химического обессоливания: H1 и H2 – катионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней; A1 и A2 – анионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней с загрузкой соответственно низкоосновными и высокоосновными анионитами, Д – декарбонизатор, БДВ – бак декарбонизованной (частично обессоленной) воды; H2SO4 – кислота для регенерации H-катионитных фильтров; NaOH – едконатриевая щелочь для регенерации OH-анионитных фильтров
Установки двухступенчатого химического обессоливания надежны в работе. Они обеспечивают высокое качество обработанной воды, отвечающее эксплуатационным нормам питательной воды барабанных котлов сверхвысокого давления.
Для очистки добавочной воды для прямоточных котлов и ядерных реакторов применяются трехступенчатые схемы химического обессоливания, в которых в качестве третьей ступени используются фильтры смешанного действия (ФСД). Загрузка ФСД состоит из смеси (от 2 1 до 1 2) сильнокислотного катионита а Н-форме и сильноосновного анионита в OH-форме. Переходящие в раствор в процессах ионного обмена на чередующихся зернах катионита и анионита ионы H+ и OH- образуют воду, выводя из зоны ионного обмена противоионы, способствуя этим углублению степени обессоливания воды до остаточной удельной электропроводимости менее 0.2 мкСм/см. Недостаток этой технологии заключается в необходимости тщательно перемешивать и разделять (при регенерации) составные части смешанной загрузки.