2.6 Проблеми експлуатації та очищення забруднених іонітів

Вибір іонітів для ФЗД

Контрастність за кольором катіонітів та аніонітів (аніоніт можна пофарбувати індикатором бромтимоловим синім).

Різні за щільністю (для полегшення розділення при регенерації, тому що видно межу розділення шарів).

Можливе підвищення окислюваності фільтрату.

Можлива незмочуваність (адгезія), налипання гранул іонітів (гранули плавають окремим шаром)

Пошарові фільтри: завантаження різними за основністю іонітами

Переваги	Недоліки
потрібно вдвічі менше фільтрів	потрібен ретельний підбір пар іонітів, які легко розділяються та не перемішуються в робочому процесі
збільшення продуктивності в порівняння з двома окремими фільтрами	наявність інертного шару
підвищується ефективність регенерації до 85...95 %	підвищенні вимоги до верхнього розподільчої системи (матеріал, отвори, міцність)
збільшення РОЄ за рахунок низькоосновного іоніту	додаткове вікно у фільтрі для контролю межі розділення іонітів
для фільтру з аніонітами: збільшується строк експлуатації іонітів, тому що низькоосновний захищає високоосновний аніоніт від незворотного забруднення органкою
оптимальна кремнєємкість високо основного аніоніту
деякі технології дозволяють не використовувати середню дренажну систему (іоніти мають різні розміри та щільність – легко розділяються)
при зміні складу води можна корегувати співвідношення іонітів

Отруєння іонітів можливе сполуками заліза, кременя, гумусових кислот, хрому, міді. В отруєних катіонітах міститься велика кількість сполук заліза, хрому, міді, титану, марганцю, лужноземельних металів. В аніонітах знайдені хром, мідь, титан, фосфор, сумарний вміст при цьому вищий за вміст кремнію (крім АН-31 – легко окислюється та набуває амфотерні властивості). Наявність цих елементів можна пояснити забрудненістю природних вод техногенними відходами промислових підприємств.

Встановлено, що малорозчинні сполуки концентруються в приповерхневому шарі зерен іоніту – це дозволяє пояснити різке зниження ємності смоли при відносно невеликому вмісту отруйних речовин. Гідроксиди, які утворюються на поверхні зерна, забивають канали та пори гранули і заважають дифузії іонів всередину зерна.

Можливі причини отруєння іонітів:

• деструкція іонітів;

• утворення малорозчинних сполук, які блокують функціональні групи іонітів.

Прояви отруєння іонітів неорганічними сполуками в установках демінералізації води:

1. Зменшення механічної тривкості іонітів

2. Зміна гранулометричного складу (зменшується кількість крупних фракцій, причина – механічне здрібніння, гідрофобізація катіоніту, яка приводить до дегідратації та зжиманню зерен)

3. Зменшення обмінної ємності

4. Скорочення фільтроциклу

5. Збільшення витрати реагентів на регенерацію

Типова картина пошкодження високоосновних аніонітів органічними сполуками:

1. Підвищення електропровідності стоків

2. Підвищення величини рН стоків

3. Збільшення кількості промивної води

4. Збільшення остаточного вмісту SiO₂

5. Більш низька робоча обмінна ємність

При дослідженнях іонітів можна спостерігати наступне:

1. Зниження загальної вагової продуктивності

2. Збільшення вмісту “низькоосновних груп”

Додатково виявлено зменшення вмісту вологи в солевих формах катіоніту у порівнянні з Н-формою, для працюючої смоли цей ефект спостерігається в більшій мірі

Вих. смола Відпрац. смола

Н Na Ca в Н-формі

Волога, мг/г 13,4 7,7 8,8 5,5

Це свідчить по накопичення у фазі іоніту як неорганічних, так і органічних речовин, які сприяють руйнуванню структури води і дегідратації іоніту.

“Старіння” іонітів (втрата вологи та руйнування зерен) найбільше проявляється в ОН-формі у порівнянні з солевою для аніонітів. Катіоніти менше підлягають старінню ніж аніоніти, що пов'язане з їх хімічним складом.

Для подолання цих недоліків рекомендують:

1. Провести додатковий аналіз якості вихідного іоніту, підтвердити правильність його вибору

2. Покращити десорбцію органічних речовин шляхом регенерації іонітів лужним розчином хлористого натрію (1M NaCl та1M NaOH)

3. Провести обробку гіпрохлоритом (солі хлорнуватистої кислоти HClO: KClO, Ca(ClO)₂, NaClO) для окислення органічних речовин на іоніті

4. Покращити попередню очистку води

5. Застосовувати “пористі” іоніти

Вплив перекису водню на іоніти (в СВО-4)

Перекис водню атакує матрицю катіоніту та функціональні групи аніоніту, але не руйнує матрицю аніоніту.

Сульфати в баку на СВО-4 – продукти деструкції іоніту.

Забруднення катіонітів

Відкладення гіпсу всередині катіоніту	Відкладення гіпсу на поверхні катіоніту

Забруднення аніонітів

Органічні забруднення на поверхні та всередині зерен аніоніту	Забруднення полімерною кремнієвою кислотою всередині зерен аніоніту Порівняння з новим аніонітом (зліва)
біологічне обростання на поверхні аніоніту		Акриловий слабкоосновний аніоніт

Кремнієва кислота

Джерела кремнієвої кислоти в іонітах:

• неповна регенерація ВОА (полімеризація при подальшій роботі іоніту)

• осад на НОА при сумісній регенерації

Вплив на роботу фільтру:

• погана кінетика на іоніті

• підвищений проскок кремневки

• підвищений перепад тиску (колоїдна кремневка)

Засоби попередження:

• покращити регенерацію

• використовувати при регенерації більше лугу при підвищеній температурі

• при сумісній регенерації скидати першу частину регенерату, яка виходить з ВОА.

ОЧИЩЕННЯ ФІЛЬТРУЮЧИХ МАТЕРІАЛІВ ХІМІЧНИМИ РЕАГЕНТАМИ

Застосування хімічних реагентів при очищенні зернистих завантажень відноситься до методів інтенсивної регенерації фільтруючого шару і дозволяє видалити з нього забруднення, які не відділяються від зерен при промивці в потоці інертного промивного середовища. Залежно від властивостей і виду забруднень в практиці регенерації фільтрів в якості хімічних реагентів знайшли застосування розчини куховарської солі, пероксиду водню, хлорної води, лужних розчинів, а також розчини соляної кислоти, трилону Б і інших хімічних речовин. Умовно до цього методу можна віднести застосування гарячої води і пари.

Для очищення фільтруючих матеріалів від оксидів заліза застосовуються різні хімічні реагенти. Позитивний ефект одержаний при обробці матеріалів гарячим розчином 8—10%-ний соляної кислоти. Є результати обробки іонітів фільтрів змішаної дії соляною кислотою, трилоном Б і розпушуванням повітрям в регенераційних розчинах. Ефект видалення 77 % оксидів заліза одержаний при обробці завантаження 7—8 % розчином соляної кислоти, інгибованій уротропіном. Кислоти, забруднені залізом і органічними сполуками, не придатні для застосування як реагент.

Застосовують марганцеву кислоту HMnO₄ для видалення продуктів корозії.

Забруднене сульфовугілля можна обробляти розчинами мідного купоросу і сульфіту натрію в два етапи. На першому етапі завантаження розпушують, заливають 0,02%-ним розчином мідного купоросу і протягом доби здійснюють продувку стислим повітрям. Після цього проводять регенерацію куховарською сіллю і відмивання. На другому етапі фільтр заповнюють 1 %-ним розчином сульфіту натрію і пропускають стисле повітря протягом доби. Після цього проводять регенерацію і відмивку. На першому етапі очищення віддаляються в основному зважені речовини, на другому — продукти корозії. Вміст міді у відмивочній воді і пробах сульфовугілля незначний, кількість заліза в завантаженні зменшується на 61 %. Обмінна місткість сульфовугілля зростає на 35 %.

Мідь і цинк, поглинені сульфовугіллям або катіонітом КУ-2, практично повністю (на 95—98%) витісняються в процесі регенерації цих матеріалів мінеральними кислотами.

Мідь, затримана аніонітом АВ-17, видаляється мінеральними кислотами. Очищення аніоніту АВ-17 від цинку відбувається при звичній регенерації їдким натром. При цьому вважають, що цинк утворює легкорозчинні цинкати.

Для видалення зважених речовин застосовують хімічні реагенти, які покращують змочуваність іонітів водою і приводять до диспергування забруднень або до їх розчинення.

У Англії одержані позитивні результати при використовуванні для очищення іонітів поверхнево-активних речовин.

Очищення Na-катіонітних фільтрів конденсатоочистки від продуктів корозії перед регенерацією здійснюється 10 %-ним розчином соляної кислоти, або ж в регенераційний розчин додають сульфіт або бісульфіт натрію. Добавка до регенераційного розчину відновників запобігає процесам окислення двовалентного заліза в трьохвалентне, яке важче видалити з поверхні зерен катіоніту.

Завантаження Na-катіонітних фільтрів водозм’якшувальних установок обробляють відновником, а потім дво-, триразовою кількістю в порівнянні з нормою куховарської солі. Добрі результати одержані при очищенні фільтруючих матеріалів 3—5 %-ним розчином, що містить Na₂S₂O₄, NaCl і Na₂SO₄ у співвідношенні 15:5:1. Відомо декілька зарубіжних патентів на способи очищення фільтруючих матеріалів від заліза з використанням бісульфіту натрію, нітрилтриоцтової, щавлевої і лимонної кислот.

Розчинення оксидів і гідроксидів заліза за допомогою реагентів, які створюють із залізом міцні комплекси — тривалий процес. Наприклад, відмивання завантаження фільтру «Паудекс» 0,8%-ним розчином щавлевої кислоти, підігрітим до 60 °С триває 3 год, лимонною кислотою—4,5 год. При зменшенні рН розчину з 3—4 до 1,5—2 швидкість розчинення оксидів заліза органічними кислотами зростає в 1,5—2 рази.

Трилон Б і щавлева кислота утворюють з дво- і тривалентним залізом розчинні у воді комплексні з'єднання. Стійкість трилонатів заліза залежить від рН середовища. Згідно Шварценбаху, найстійкіший комплекс трилону Б із залізом II (рК = 14,3, де рК=— lg AT; К— константа нестійкої комплексу) виходить при рН = 4-н5, із залізом III (рК = 25,1) — при рН = 2-4. У теплоенергетиці трилон Б є одним з основних компонентів в композиціях, що застосовуються для очищення котлів. Окрім трилону Б в композицію входить яка-небудь органічна кислота лимонна, щавлева, глутарова, янтарна, адіпінова) або суміш органічних кислот, що містяться, наприклад, у відходах капролактамового виробництва, або малеїновий і фталевий ангідриди і інші речовини. Всі вони окремо утворюють з іонами металів менш стійкі комплекси, ніж трилон Б. Тому при використанні монорозчинів беруть явно надмірну кількість цих речовин, ніж потрібний по рівняннях реакцій.

Механізм розчинення відкладень остаточно не вивчений, але є підстави вважати, що роль органічної кислоти зводиться до розчинення з'єднань металів, а роль трилону Б в композиції зводиться до зв’язування катіонів металу в міцні комплексні іони. Отримані якісні і кількісні залежності швидкості розчинення забруднень фільтруючих матеріалів у вигляді оксидів заліза від концентрацій хімічних реагентів, рН і температури.

Ознаками забрудненості іонітів органічними речовинами є низьке значення рН і висока електрична провідність фільтрату. Це позначається на роботі високоосновних аніонітів. Для видалення органічних речовин з аніоніту рекомендується проводити обробку аніоніту гипохлоритом або іншими окислювачами. Якщо окрім органічних речовин в завантаженні присутнє залізо, то рекомендується проводити обробку завантаження соляною кислотою або солями сірчистої кислоти і потім промивку лужним розчином. При обробці аніонітів окислювачами виникає небезпека хімічного руйнування їх структури. Тому, якщо у воді, що поступає на аніонітний фільтр, міститься велика кількість органічних речовин, рекомендується проводити профілактичні промивки розчинами лугів.

Широко поширений спосіб обробки аніонітів в профілактичних цілях підігрітим розчином куховарської солі або змішаним розчином солі і їдкого натру. Для очищення Na-катіонітних фільтрів від органічних речовин іоніт піддають обробці окислювачами, наприклад, хлорною водою або слабкими розчинами їдкого натру. Наявність в завантаженні бактерій або водоростей усувають шляхом обробки її формальдегідом або гипохлоритом натрію NaOCl.

При тривалій експлуатації зернистих фільтрів, використовуваних для очищення стічних вод, і зокрема доочистки біологічно очищених стічних вод, на зернах завантаження, утворюється достатньо міцно прикріплений желатиноподібний шар біоплівки і активного мулу. Для видалення таких органічних накопичень також рекомендується використовувати промивку гипохлоритом натрію (концентрація хлору 0,5 %, тривалість контакту із завантаженням 1 год) та промивку хлорною водою.

Мікроорганізми

Іоніти – хороше середовище для розвитку бактерій, водоростей, грибків. Велика їх частина при регенераціях і промивках гине і (або) вимивається з шару іоніту. Проте при нерегулярній експлуатації фільтрів і тривалих перервах в роботі починається бурхливе зростання мікроорганізмів, особливо на аніонітах, чиї амінні групи сприяють життєдіяльності бактерій. Найефективніша форма очищення – обробка вихідної води хлором, озоном, іншими сильними окислювачами, ультрафіолетовим опромінням. У разі планового тривалого простою фільтру бажана консервація розчином формаліну або концентрованим розчином хлориду натрію.

Перед включенням в роботу (незалежно від консервацій – проведених або непроведених – заходів) слід злити в каналізацію двократну (по відношенню до об'єму іоніту) кількість води, якщо фільтр катіонітний. І п'ятикратне – якщо фільтр аніонітний або містить суміш катіоніту і аніоніту.