5.3 Аппаратура и материалы

Экспериментальный стенд, схема приведена на рисунке 5.1.

Секундомер.

Весы аналитические с разновесами.

Мерный цилиндр.

Фотоколориметр.

Мутномер.

Загрязнитель – глина или песок.

Схема экспериментального стенда приведена на рисунке 5.1. Стенд состоит из колонки 1, то есть осветлительного фильтра, мерного 12 и расходного 13 сосудов. Колонка заполнена фильтрующим материалом – дробленым антрацитом 2 на высоту Н_сл. В нижней части колонки имеется дренажная система из пористого материала 3. Верхняя его кромка закупоривается резиновой пробкой 4. В отверстие по его центру плотно устанавливается штуцер-тройник 5. Аналогично закупоривается и расходный сосуд 13. Колонка оснащается запорно-регулирующими кранами 6, 7, 8 и 9, с помощью которых и резиновых шлангов 11 к ней присоединяется расходный сосуд 13, а также составляется схема фильтрации или взрыхляющей промывки фильтрующей загрузки. Отбор проб фильтрата или промывочной воды производится открытием крана 6 в мерную посуду 12. Скорость фильтраций искомой воды регулируется степенью открытия крана 6. Расходы фильтруемой и взрыхляющей вод контролируются объемным способом при помощи мерного сосуда 12 и секундомером.

Рисунок 5.1

5.4 Методика и порядок выполнения работы

Исходные данные для расчетов:

– скорость фильтрования w_ф=5м/ч;

– интенсивность взрыхляющий промывки i = 10 л/(см²);

 грязеемкостъ загрузки (контрольная) g_г = 2 кг/м³ =2 мг/см³;

– продолжительность взрыхляющей промывки = 20 мин.

Основные режимные характеристики процесса:

– объем промывной воды

V_взр =(60 i f_k  _взр )/1000, м³;

– расход взрыхляющей воды

g_взр = ( V_взр 10³)/ , мл/мин;

– расход фильтрующей воды через фильтр

g_ф = (W_ф f_k 10⁶)/60, мл/мин;

– количество загрязнений, вводимых в исследуемую воду

, г;

– объем фильтруемой воды (сравнивается с опытными данными)

V_Ф = (G_г 10⁶)/С_г , мл;

– время фильтрации исследуемой воды

_ф=(V_ф 60)/(W_ф f_ф 10⁶), мин.

5.5 Содержание отчета и его форма

Отчет по выполняемой работе должен содержать следующее:

• краткое описание основных положений теории осветления фильтрованием;

• описание экспериментального стенда;

• результаты расчетов основных режимных характеристик процесса осветления воды фильтрованием

5.6 Вопросы для защиты работы

1. Сущность технологии фильтрации.

2. Основные технологические параметры процесса фильтрации воды.

3. Устройство опытного стенда.

Практическое занятие № 6 ионообменный метод умягчения воды

6.1 Цель и содержание

Опытное определение технологи­ческих показателей ионообменного способа очистки при различных режимных факторах и установление их взаимной зависимости.

6.2 Теоретическое обоснование

Сущность процесса ионообмена заключается в обмене ионами в эквивалентных количествах между исходной водой (раствором) – сорбатом и твердым веществом – ионитом (сорбентом).

В практике очистки различных вод используют иониты, раздельно поглощающие как катионы, так и анионы. Первые называют катионитами, а вторые – анионитами, соответственно и протекающие процессы – катионированием и анионированием.

В качестве катионитов на практике широко используют сульфоуголь и синтетическую смолу марки КУ-2-8, а в качестве анионитов – АВ-17-8, АН-18 и др.

Рассматриваемый процесс ионообмена обуславливается, в основном, следующими обстоятельствами: во-первых, практически все растворенные в воде неорганические соли, щелочи и кислоты в большей степени диссоциированы на ионы – на катионы кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺), натрия (Na⁺) и др., и анионы – бикарбонаты (HCO₃^–), хлориды (Cl^–), сульфаты (SO₄^2–) и др. и, во-вторых, способностью ионитов к ионному обмену с ионами, находящимися в воде. Любой ионит состоит из твердой основы, не растворимой в воде в виде молекулярной сетки, называемой матрицей. К ее поверхности и внутри ее массы тем или иным способом присоединены химически активные специальные функциональные группы атомов, способные к электролитической диссоциации в воде.

Технология процесса катионирования в практике водоочистки применяется для умягчения воды и в технологии ее обессоливания.

При Na-катионировании вода пропускается через слой катионита, загруженного в цилиндрический вертикальный сосуд, называемый фильтром, и предварительно заряженного в Na-форму концентрированным раствором натриевой соли. В результате соприкосновения воды с зернами катионита происходит процесс ионообмена между катионами Са ²⁺ и Mg²⁺ солей жесткости, находящихся в воде, и катионами Na⁺, находящимися в диффузионном слое гидратной оболочки каждого зерна катионита. Первые (Са ²⁺ и Mg²⁺), адсорбируясь в отмеченной оболочке, вытесняют из нее в эквивалентном количестве катионы Na⁺. Схему такого катионного обмена можно представить реакциями:

Са²⁺+2Na⁺IR^–→ Са²⁺ IR₂^– + 2Na⁺;

Mg²⁺+ 2Na⁺IR^–→ Mg²⁺ IR^–+2Na⁺,

где R – обозначение радикала твёрдого катионита.

В результате такого катионного обмена воду можно умягчить до остаточной жесткости 5 мкг экв/л.

Этот процесс будет наблюдаться до проскока жесткости выше установившейся величины. В этом случае фильтр отключается, и катионит подвергается восстановлению, т.е. регенерации концентрированым раствором натриевых солей (например, NaCl).

При регенерации протекает обратная реакция катионного обмена:

Са²⁺ IR₂^–+2Na⁺+Cl^–→2Na⁺IR^–+ Са²⁺+ Cl^–;

Mg²⁺ IR₂^–+2Na⁺+Cl^–→2Na⁺IR^–+ Mg²⁺+ Cl^–.

Образовавшиеся продукты регенерации соли хлористого кальция и магния являются высокорастворимыми, и они отводятся с отработанными регенерационными водами в водоотводящую систему.

Процесс регенерации истощённого катионита осуществляется последовательно тремя операциями:

• взрыхление катионита;

• пропускание регенерационного раствора;

• отмывка катионита.

Взрыхление катионита осуществляется путем пропускания взрыхляющей воды через фильтр снизу вверх с целью его разрыхления, удаление мелочи (механически разрушенных зёрен катионита) и грязи, скопившейся на слое катионита в результате фильтрации умягченной воды. Взрыхление осуществляется до момента осветления воды, но дольше 15 минут.

Ввод регенерационного раствора с нормативной концентрацией в нем натриевой соли осуществляется сверху вниз с определенной нормативной скоростью фильтрации и предварительно рассчитанным объемом, в котором количество растворенной натриевой соли обеспечит полное восстановление катионита в форме Na⁺.

Отмывка катионита после регенерации осуществляется для удаления из слоя катионита продукта регенерации и избытка регенерационной соли.

Важнейшей технологической характеристикой ионитов (в том числе и катионита) является их обменная емкость. Она выражает количество ионов, которые могут быть поглощены единицей массы (г экв/кг) или единицей объема (г экв/м) ионита. Различают полную обменную и рабочую (до проскока жесткости). В практике эксплуатации фильтров используется рабочая обменная емкость.

Обменная емкость зависит от многих факторов:

– марка ионита;

– фракционный состав ионита;

– катионный и анионный состав очищаемой воды, ее солесодержание и величина рН;

– удельный расход регенерационного реагента;

– высота фильтрующего слоя катионита;

– скорость фильтрования очищаемой воды.

Три последних фактора нормируются определенными величинами, установленными длительным опытом эксплуатации водоподготовительных установок. Удельный расход регенерационного реагента обеспечивает интенсивность и полноту восстановительного ионообмена, а два последних фактора – продолжительность контакта очищаемой воды с зернами ионита.