1.12. Описание технологии обработки воды методом ионного обмена на фильтрах блочной 2-х ступенчатой обессоливающей установке бф №1-5.

1.12.1. Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых практически нерастворимых в воде органических материалов (ионитов) вступать в ионный обмен с растворимыми в воде солями. Иониты сорбируют и обменивают ионы солей, отдавая в воду эквивалентное количество ионов, которыми ионит насыщается при регенерации. Обработка осуществляется путем фильтрования воды через слой ионита. Различают 2 группы ионитов: катиониты и аниониты.

1.12.2. Катиониты - это иониты, имеющие положительно заряженные обменные ионы (катионы). Процесс фильтрования воды через катиониты называется катионированием.

Аниониты - это иониты, имеющие отрицательно заряженные обменные ионы (анионы). Процесс фильтрования воды через аниониты называется анионированием.

Ионообменные синтетические смолы, являющиеся пластическими массами, получены искусственным путем из более простых веществ. Сульфоуголь получают обработкой коксующегося угля дымящейся серной кислотой. В фильтры БФ№1-5 загружены:

• Н₁' - сильнокислотный катионит марки КУ-2 или его импортные аналоги;

• Н₁- КУ-2 (или его импортные аналоги: леватит, вофатит КРS, амберлит);

• А₁- слабоосновный анионит АН-31;

• Н₂ – КУ-2 (или сульфоуголь марки СК-1);

• А₂ - сильноосновный анионит АВ-17 (или импортные аналоги дуалит А101Д, дауэкс SВР).

Сильнокислотные катиониты способны к обмену катионов солей на ион водорода (Н⁺) в кислой, нейтральной и щелочной средах, а слабокислотные - только в щелочной.

Слабоосновные аниониты способны к обмену анионов на ион гидроксила (ОН^-)только в кислой среде, сильноосновные – в кислой, нейтральной и щелочной средах.

1.12.3. Показатели качества ионитов:

• Фракционный состав определяется ситовым анализом и характеризует степень однородности размера зерен. Оптимальный размер зерен ионитов - 0,315-1,25 мм.

• Механическая прочность, т.е. износ ионита за счет истирания, не превышает 10%.

• Набухаемость - способность всех видов ионитов увеличиваться в объеме при погружении в воду. Она характеризуется коэффициентом набухания (К), который равен отношению объемов массы ионита, набухшего в воде, к массе ионита в воздушно-сухом состоянии.

• Термическая стойкость характеризуется максимальной температурой, при которой еще не разрушаются иониты. Поэтому в практике водоподготовки температура регенерационного раствора обычно не превышает 40-45°С, а температура обрабатываемой воды 30÷35С.

• Динамическая обменная емкость ионита (Ер), это количество ионов, поглощенных ионитом, регенерированным заданным расходом реагента, от начала фильтроцикла до «проскока» поглощаемых ионов в фильтрат, отнесенных к единице объема ионита, в грамм-эквивалентах ионов, поглощенных 1м³ набухшего ионита (г-экв/м³).

Наименование	Сульфоуголь	КУ-2	АН-31	АВ-17
Коэффициент набухания (К)	1,2	2,1	2,1	1,1
Термическая стойкость, С.	60	120-180	40-45	40-45
Динамическая обменная емкость (Е), г-экв/м³	200	520	1300	400

1.12.4. Истощение ионитов происходит вначале в верхнем слое, затем в слое, следующим за истощенным. Фильтрат проходит через истощенный слой ионита, практически не изменяя своего состава. Высота «работающего» слоя составляет 150÷200 мм и зависит от качества ионита, скорости фильтрации воды, ее солевого состава. Все растворенные в воде соли диссоциированы на катионы (Са²⁺; Мg²⁺, Na⁺) и анионы (НСО₃¯; Cl¯; НSiO3¯; SО₄²¯; NO₃¯), поэтому при химическом обессоливании вода освобождается и от катионов и от анионов. Для этого воду сначала пропускают через водород-катионитовые фильтры, загруженные катионитом, имеющим обменный катион водорода «Н⁺», затем через анионитовые фильтры, загруженные анионитом, имеющим обменный ион гидроксила «ОН^-».

1.12.5. Технология катионирования. При пропускании фильтрата через Н-катионитовые фильтры происходит обмен катионов Са²⁺; Мg²⁺, на ион водорода «Н⁺». Этот процесс можно представить в виде следующих реакций, (символом «R» обозначена нерастворимая в воде часть катионита): 2Н⁺/R¯ + Са²⁺  Са²⁺/R₂¯ + 2Н⁺

2Н⁺/R¯ + Мg²⁺  Мg²⁺/R2¯ + 2Н⁺

Н⁺/R¯ + Na⁺  Na⁺/R¯ + H⁺

В результате обменной реакции свободный катион «Н⁺» соединяется с анионами Cl¯; SO₄²¯; NO₃¯, содержащимися в осветленной воде и в фильтрате образуется эквивалентное количество минеральных кислот (соляной HCl, серной H₂SO₄, азотной HNO₃), а также происходит разрушение бикарбонатной щелочности исходной воды с образованием свободной углекислоты (СО₂): 2H⁺ + SO₄²¯  H₂ SO₄

H⁺ + Cl¯  HCl

H⁺ + HCO₃¯  Н₂СО₃  CO₂ + H₂O

H⁺ + NO₃¯  HNO₃

По мере фильтрования через слой катионита все его активные группы замещаются ионами, поглощаемыми из воды. При исчерпывании обменной емкости (обменные ионы замещены ионами, поглощенными из воды), катионит регенерируют, (восстанавливают обменную способность) раствором серной кислоты: Mg²⁺ /R2¯ + H₂SO₄  2H⁺/R¯ + MgSO₄

Ca²⁺/R2¯ + H₂SO₄  2H⁺/R¯ + CaSO₄

2Na⁺/R¯ + H₂SO₄  2H⁺/R¯ + Na₂SO₄

Для более полного вытеснения поглощенных катионов регенерацию производят ступенчато, сначала пропускают 1,5% раствор серной кислоты (при большей концентрации кислоты появляется опасность обрастания зерен катионита отложениями сернокислого кальция СаSO₄ (гипса) из-за малой его растворимости в воде), когда опасности «гипсования» нет, концентрацию регенерационного раствора серной кислоты увеличивают до 3-5%.

Ионы имеют разную способность к обмену и к преимущественному поглощению одних ионов по сравнению с другими, так называемую селективность (избирательность). Ряд активности катионов: Н⁺ Na⁺  K⁺ Mg²⁺ <Ca²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺. При истощении катионита первым в фильтрат проскакивает катион Na⁺, затем Са²⁺, Мg²⁺, (на практике определяют по снижению кислотности фильтрата Н₁).

Рабочая динамическая обменная емкость (Ен₁'+Н1) катионита определяется по формуле:

Ен₁'+Н1 = (К+Щ) Q г-экв/м³ , где

V

К- кислотность за Н-катионитовым фильтром (Н₁), мг-экв/дм³,

Щ- щелочность осветленной воды, мг-экв/дм³,

Q- количество воды, обработанное за фильтроцикл БФ, м³,

V- объем загрузки катионита в Н-фильтрах (Н' +Н₁), м³.

Удельный расход кислоты (q) на регенерацию Н-катионитовых фильтров, определяется по формуле: q= Д х 1 000 000

(Щ+К) х Q г/г-экв, где (Д) количество 100% кислоты на регенерацию, т.

1.12.6. Технология анионирования. У анионитов обменным является анион гидроксила «ОН¯». Ряд активности анионов, содержащихся в воде: HSiO3¯< HCO3¯< Cl¯< NO3¯<SO4²¯ Поглощение анионов идет ступенчато: на 1-ой ступени в фильтре А₁ - анионов сильных кислот Cl¯, NO3¯, SO4²¯ и частично анионов углекислоты, на 2-ой ступени в фильтре А₂- анионов слабых кислот HSiO3¯, HCO3¯. Обмен при поглощении анионов сильных кислот слабоосновным анионитом (АН-31) в А₁ можно представить в виде следующих реакций:

SO₄²¯+ 2R⁺/OH¯ R₂⁺/SO₄²¯+ 2OH¯

Cl¯+ R⁺/OH¯ R⁺/Cl¯+ OH¯

Анион SO4²¯поглощается более активно, чем анион Cl¯, емкость поглощения по аниону SO4^²¯ на 40-50% больше, чем по аниону Cl¯, поэтому анион Cl¯проскакивает в фильтрат раньше, чем SO4²¯ А₁ отключают на регенерацию по проскоку аниона Cl¯. Сильноосновные аниониты (АВ-17) поглощают из воды все содержащиеся в ней анионы, но в А₂, главным образом, HSiO3¯ и HCO3¯. Глубокое обескремнивание идет при определенных значениях рН и при наличии в воде кремниевой кислоты, а не ее солей (Na₂SiO₃), иначе в фильтрате появляется противоион «OH¯», тормозящий процесс поглощения иона «SiO₃²¯»:

Na₂SiO₃ + R⁺/ОН¯  R₂ ⁺/SiO₃²¯ + Na⁺ + OH¯

H₂SiO₃ + R⁺/ОН¯  R⁺/HSiO₃¯ + H₂O

При исчерпывании способности обмена «ОН¯» на анионы растворенных в воде веществ, анионит регенерируют 4% раствором NaOH:

R₂⁺/SO₄²¯ + 2NaOH  2R⁺/OH¯ + Na₂SO₄

R⁺/Cl¯ + NaOH  R⁺/OH¯ + NaCl

R⁺/HSiO₃¯ + NaOH  R⁺/OH¯ + NaHSiO₃

R⁺/HCO₃¯ + NaOH  R⁺/OH¯ + NaHCO₃

Для глубокого обескремнивания воды анионит необходимо регенерировать как минимум двухкратным по отношению к стехиометрическому расходом едкого натра (2г-экв/г-экв). Для экономии NaOH регенерационный раствор пропускают через фильтры последовательно: сначала через сильноосновной (А₂), затем - слабоосновной (А₁).

Со временем аниониты «стареют»: окисляются растворенным в воде кислородом и загрязняются органикой, при этом технологические свойства их меняются, снижается обменная емкость. Частично восстановить «стареющие» аниониты можно при поочередной обработке их горячими растворами 8-10% NaCl и 2% NaOH.

1.12.7. Рабочая обменная емкость (EA₁) анионита АН-31 в А₁ определяется по формуле:

EA₁= (К - Cl / Э) Q (г-экв/дм³), где,

V

К- кислотность после Н1, мг-экв/дм³;

Сl- содержание хлор-иона за А1, мг/дм³;

Э- эквивалентный вес хлора Сl- 35,5;

Q- количество обработанной воды, т;

V- объем загрузки А₁, м³.

1.12.8. Рабочая обменная емкость (ЕА₂) анионита АВ-17 в А2:

ЕА₂={СО₂/Э + (SiO₃ – SiO₃')/Э}•х Q (г-экв/дм³), где

V

СО₂- средняя величина за Н₂, мг/дм³;

Э- эквивалентный вес СО₂ - 44;

SiO₃- содержание в осветленной воде, мг/дм³;

SiO₃' - среднее содержание за А₂, мг/дм³;

Э- эквивалентный вес SiO₃- 38;

Q- количество обработанной воды за фильтроцикл, т

V- объем загрузки А₂ , м³

1.12.9. Удельный расход щелочи при регенерации q (г/г-экв)

q = __Д 1000000________ г/г-экв, где

(К+SiO₃/38+CO₂/44)Q

Д- количество 100% NaOH пошедшее на регенерацию, т

К- средняя кислотность за Н₁, в мг-экв/дм³ (или г-экв/м³)

SiO3/38- содержание кремнекислоты в осветленной воде, (мг-экв/дм³)

СО₂/44- среднее содержание СО₂ на входе в А2, (мг-экв/дм³)

Q - количество воды за фильтроцикл (м³).

1.13. Первая ступень Н-катионирования происходит в 2-х фильтрах - предвключенном и основном (Н'+Н₁). Высота загрузки фильтров подобрана так, чтобы истощение различных типов ионитов в БФ было одновременным. При фильтровании осветленной воды через катионит в Н'+Н₁ фильтрат имеет кислотность, эквивалентную суммарному содержанию в осветленной воде анионов сильных кислот: Σ(SO₄²¯ + CI¯ + NO₃¯). При истощении в фильтрат первым проскакивает Na^+, (снижается кислотность на 0,5-1,0 мг-экв/дм³).

Кислый фильтрат после Н₁ фильтра поступает на А₁, для обмена анионов сильных кислот на анион гидроксила «ОН^ˉ», фильтрат А₁, имеет слабокислую реакцию, соответствующую содержанию свободной углекислоты в фильтрате. А₁ может работать в щелочном режиме:

• в начале фильтроцикла при доотмывке остаточной щелочности и поглощения СО₃²¯;

• при неудовлетворительной работе Н-фильтров 1-ой ступени, если в воде с сильными кислотами (Н₂SO₄, HCl) и их солями (Na₂SO₄, NaCl) присутствует свободная углекислота, то при поглощении анионитом сильных анионов фильтрат будет щелочным:

R⁺/OH¯ + H⁺ + HCO3¯ + Na⁺/Cl¯  R⁺/Cl¯ + H₂O + Na⁺/ HCO₃¯

При наличии в фильтрате А₁ Clˉ (5 мг/дм^³) АН-31 нужна регенерация. Фильтрат А₁ поступает на Н₂, для удаления остаточного содержания катионов Na¯, непоглощенных Н₁ и появившихся в А₁ из недоотмытого анионита. В фильтрате Н₂ жесткость должна быть не более 3 мкг-экв/дм³, кислотность определяется содержанием анионов слабых кислот. Фильтрат Н₂ поступает на А₂, где происходит удаление остаточного содержания СО₂ и кремнекислоты. Качество обессоленной воды на выходе А₂ должно соответствовать нормам ПТЭ (см. п.1.3. данной инструкции).

1.14. Схема узла нейтрализации сбросных вод ОУ и процессы, происходящие в БН.

При проведении технологических операций на ВПУ образуется большое количество кислых, щелочных и сильно засоленных вод, сброс в водоемы которых запрещен санитарными нормами. Кислые воды вызывают коррозию оборудования, разрушают асбоцементные трубы промливневой канализации; повышение щелочности воды еще более опасно для флоры и фауны водоема, при значении рН выше 9,5 у рыб начинает разрушаться кожный покров, ткани плавников и жабры; страдают водные растения; изменяется микрофлора и микрофауна водоемов.

Для сбора и нейтрализации сбросных вод ХВО служат два бака-нейтрализатора (БН), которые представляют собой резервуары (400м³) с коническим днищем. Для защиты от коррозии внутренняя поверхность БН гуммирована. Для перемешивания и увеличения скорости процесса нейтрализации включают рециркуляцию НДВ БН. В БН собирают регенерационные воды Н-катионитовых и анионитовых фильтров и засоленные воды отмывки ионообменных смол БФ. Взрыхляющая вода фильтров сбрасывается в дренажный канал ХВО. Последние порции отмывочной щелочной воды А₁ сбрасываются на багерную насосную КТЦ. Для нейтрализации к БН подведена известкованная вода со склада реагентов и шлам осветлителей из БШВО НШВО:

NaOH+H₂SO₄  Na₂SO₄+H₂O

Ca(OH)₂+H₂SO₄  CaSO₄+H₂O

При достижении значения рН 6,5÷8,5 дренажные воды БН через БШВН откачивают на багерную насосную КТЦ НШВН или НДВ БН.