дит повышение гидравлического сопротивления верхнего слоя фильтрующей загрузки из-за забивания мелочью и вынос измельченных зерен с промывной водой, т.е. безвозвратная потеря фильтрующего материала. Механическую прочность фильтрующего материала оценивают двумя показателями: истираемостью (т.е. процентом износа материала вследствие трения зерен друг о друга во время промывок) и измельчаемостью (процентом износа вследствие растрескивания зерен).

Основным требованием, предъявляемым к качеству фильтрующего материала, является его химическая стойкость по отношению к фильтруемой воде, т.е. чтобы вода не обогащалась веществами, ухудшающими условия работы ионитовых фильтров. Фильтрующий материал считается химически стойким, если он дает прирост сухого остатка не более 10г/л, окисляемости – 8мг/л (по О2) и кремнекислоты - 2мг/л.

Наиболее распространенным фильтрующим материалом для загрузки в механические фильтры на электростанциях является антрацит либо гидроантрацит.

Для приготовления дробленого антрацита, применяемого в механических фильтрах, используется антрацит с зольностью до 10%, содержанием серы до 2%, истираемостью до 1%.

Размер частиц антрацита должен быть 0,6-1,4мм. Антрацит более крупных фракций применяется в качестве подстилочного материала в ионитовых фильтрах.

5 УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ ИСТИННО-РАСТВОРЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ

5.1 Физико-химические основы ионного обмена

Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых ионообменными материалами или ионитами, изменить в желаемом направлении ионный состав воды.

Метод ионного обмена основан на использовании специальных ионообменных материалов – ионитов. Иониты представляют собой твердые, нерастворимые, ограниченно набухающие в воде вещества. В основе этих материалов лежит каркас (матрица), несущий положительных или отрицательный заряд, и подвижный противоион, заряд которого компенсирует заряд матрицы. Этот подвижный противоион способен извлечь из раствора ион такого же заряда и обменяться с ним, изменяя в желаемом направлении ионный состав воды. Способность ионов к такому обмену объясняется их специфической структурой (рисунок 5.1).

Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую нанесены специальные химически активные функциональные группы атомов ионита, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности матрицы потенциалообразующих ионов, т.е. к возникновению заряда. Вследствие этого вокруг матрицы создается диффузионный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов). Ионы диффузионного слоя об-

31

ладают повышенным запасом кинетической энергии и могут выходить из него в раствор, но при этом из раствора в диффузионный слой должны переходить ионы того же знака в статически эквивалентных количествах (сохранение принципа электронейтральности). Таким образом, в процессе ионного обмена можно различить три основных момента:

y возникновение заряда твердой фазы (матрицы) в результате появления на ней потенциалообразующих ионов; y образование ионной атмосферы из противоположно заряженных ионов

вокруг матрицы;

y замена ионов, образующих диффузионный слой, ионами того же знака, находящимися в растворе.

Реакции ионного обмена подчиняются правилам, характерным для реакций электролитов – эквивалентности

обмена ионов и обратимости этого процесса. То есть, ионный обмен представляет собой процесс стехиометрический, и на каждый эквивалент одного иона, поглощаемого из раствора, ионит отдает в раствор один эквивалент другого иона того же знака. Обратимость процесса обмена ионов позволяет экономично использовать ионообменный материал. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию ионного обмена в направлении восстановления исходного состояния ионита, т.е. произвести его регенерацию.

Впринципе ионитами могут являться такие вещества, которые практически нерастворимы в воде и в молекуле которых содержатся группы, способные или к адсорбции отдельных ионов из раствора, или к диссоциации с отдачей ионов одного какого либо знака заряда. Эти группы получили название функциональных групп.

Взависимости от характера активных функциональных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы, могут иметь или положительные заряды (рис. 5.1., а), и тогда такой ионит называют катионитом, или отрицательные заряды (рис. 5.1., б), и тогда такой ионит называют анионитом.

Для удаления ионов обрабатываемая вода пропускается через фильтры, загруженные ионитами. Просачиваясь между зернами ионита, обрабатываемая вода обменивает часть растворенных в ней ионов электролита на эквивалентное количество ионов ионита, в результате чего изменится ионный состав, как фильтруемой воды, так и самого ионита.

Если в результате обработки воды методом ионного обмена происходит обмен катионов, то такой процесс называется катионированием. Процесс обмена анионов называется анионированием. В отличие от процесса катио-

32

нирования, процесс анионирования воды может осуществляться только после процесса катионирования воды.

Катионирование осуществляется для подготовки подпиточной воды для теплосетей или паровых котлов давлением 4,0 МПа, либо для очистки конденсатов. Обессоливание воды (катионирование с последующим анионированием) применяется для подготовки подпиточной воды для паровых котлов давлением свыше 4,0 МПа.

Обработка воды методом ионного обмена принципиально отличается от обработки воды методами осаждения тем, что удаляемые из нее примеси не образуют осадка, и тем, что такая обработка не требует непрерывного дозирования реагентов.

Аналогично тому, как существуют сильные и слабые кислоты и основания (т.е. полностью или частично диссоциирующие в воде), в ионитах диссоциации могут подвергаться или практически все функциональные группы, содержащиеся в их твердой фазе, или только небольшой процент. Соответственно этому катиониты делят на сильно- и слабокислотные; а аниониты на сильно- и слабоосновные. И так же, как диссоциация сильных кислот и оснований практически не зависит от величины рН раствора, от нее так же не зависят и диссоциация сильнокислотных катионитов и сильноосновных анионитов. В тоже время (аналогично слабым кислотам и основаниям) степень диссоциации слабоосновных анионитов наоборот, возрастает с понижением кислотности раствора и убывает с повышением щелочности.

В катионитах в качестве фиксированных ионов могут быть: сульфогруппы ( − SO3− ), карбоксильные группы ( − СОO − ), группы фосфорной ( − PO3− ) и

фосфористой ( −PO3 H − ) кислот.

Фиксированными ионами анионита могут быть амино- ( − NH 3+ ) и имино

|

( == NH 2+ ) группы, четвертичные амины ( == N + ) (все эти группы являются

|

производными аммиака); черточками в них обозначены ионные связи, знаками «+» или «-» — заряды функциональных групп.

Природа фиксированного иона оказывает решающее влияние на ионообменные свойства ионитов. Например, катионит, имеющий в качестве фиксированного иона сульфогруппу (SO3 – анион сильной кислоты), а в качестве противоиона ион водорода, проявляет свойства сильной кислоты, т.е. способен к обмену катионов в кислой, нейтральной и щелочной средах.

Катионит, имеющий в качестве фиксированного иона карбоксильную группу (СОО – – анион слабой кислоты), в качестве противоиона тот же ион водорода, проявляет уже свойства слабой кислоты, т.е. способен к обмену катионов только в слабощелочной среде. Таким образом, катиониты по свойствам бывают сильнокислотными и слабокислотными (карбоксильными).

Аниониты, имеющие в качестве фиксированных ионов амино- и иминогруппы, а в качестве противоионов гидроксильные группы ОН–, осуществляют обмен анионов только в кислых средах, как слабые основания, и являются поэтому слабоосновными анионитами. Аниониты, имеющие в качестве

33

|

фиксированных ионов четвертичное аммониевое основание == N + , а в каче-

|

стве противоионов – группы ОН –, сохраняют положительный заряд не только

вкислой, но и в нейтральной, а также в щелочной среде и являются сильноосновными.

Сильноосновные аниониты могут извлекать из водных растворов анионы слабых и сильных кислот. Но они обычно имеют более высокую стоимость и обладают меньшей общей обменной емкостью, чем слабоосновные аниониты, поэтому их применяют главным образом для поглощения кремниевой кислоты

вустановках глубокого обессоливания воды. Извлечение же анионов сильных

кислот ( SO42− ,Cl− , NO3− ) производится с помощью слабоосновных анионитов.

Таким образом, при полном обессоливании воды применяют обе группы анионитов, причем сильноосновные аниониты используют во второй ступени обессоливаниядляпоглощениякремниевой кислоты.

Важную роль в технологии ионного обмена играет также селективность – способность ионита к преимущественной адсорбции одних видов ионов по сравнению с другими. Причиной, вызывающей селективность ионного обмена, является различие энергий притяжения различных ионов твердой фазой.

Для катионов на сильнокислотном катионите ряд селективности выглядит следующим образом:

Н+< Na+< NH4+< Mg2+< Ca2+< Al3+

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. По мере истощения катионита катион, обладающий наименьшей способностью поглощения, начинает вытесняться в

фильтрат более активными ионами Ca2+ и Mg2+ .

Аниониты также характеризуются неодинаковой способностью к поглощению различных анионов. Ниже представлен ряд селективности для анионов на высокоосновном анионите в котором каждый предыдущий анион поглощается сильнее, чем последующий.

ОН—< HSiO3—< HCO3—< Cl—< H2PO4—< NO3—< SO42—

Таким образом, при ионном обмене каждый предыдущий ион способен вытеснять из ионита последующий при отсутствии избытка предыдущего иона. При наличии же избытка идет обратная реакция, например, при регенерации ионита.

34