Обработка результатов

П

б

оказания пьезометров оформляют графически: ось ординат – высоты слоев загрузки, ось абсцисс – соответствующие потери напора в этих слоях (рисунок 3.3 а).

а

х₆

х₅

х₄

х₃

х₂

х₁

0

х₆

х₅

х₄

х₃

х₂

х₁

0

Потери напора, см

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆

Время, ч

Рисунок 3.3 – Схема обработки полученных данных для определения

параметров процесса фильтрования х₀, i₀, tg ,

К кривым, изображенным на этом рисунке, проводятся касательные и отмечаются точки перехода кривых в прямую, которые определяют толщины слоев загрузки (х₁, х₂, х₃, …, х_n), участвующих в очистке воды в данные моменты времени (t₁, t₂, t₃, …, t_n). По полученным значениям х₁, х₂, х₃, … и соответствующим им моментам времени t₁, t₂, t₃, … строится график функции х = f (t), по которому (рисунок 3.3 б) устанавливается величина х₀ – минимальная толщина слоя загрузки, обеспечивающая заданный эффект осветления воды в начальный момент времени. Затем определяются: параметр , характеризующий интенсивность прилипания за­грязнений к зернам загрузки; тангенс угла наклона прямой х = f (t), равный n = tg , и параметр , который численно равен скорости проникновения загрязнений в загрузку.

Величины К и Х₀ зависят от требуемого эффекта осветле­ния и находятся по таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Зависимость параметров К и Х₀ от требуемого эффекта осветления [1]

С . С0	0,03	0,05	0,10	0,15	0,20	0,30	0,40	0,50
Х0	4,20	3,70	3,00	2,20	1,80	1,20	0,92	0,70
К	1,86	1,69	1,51	1,45	1,36	1,23	1,10	1,00

По определенным параметрам процесса вычисляют время защитного действия загрузки фильтра t_з по формуле (3.2).

Для определения времени достижения предельной потери напора t_н необходимо знать значение F(А), которое находится по выражению (3.4).

Подставляя значения параметров в выражение (3.3), определяем t_н.

Параметры процесса фильтрования для проектируемых или существующих фильтров с другими характеристиками (высота слоя, эквивалентный диаметр, скорость фильтрования) определяются но формулам (3.5).

По полученным пересчитанным параметрам находятся значения t_з и t_н и их зависимости от высоты слоя, эквивалентного диаметра, скорости фильтрования. Эти зависимости позволяют подобрать загрузку или скорость фильтрования, которые соответствовали бы оптимальному режиму работы фильтра t_з = (1,2–1,3)t_н.

Пример

Требуется подобрать гранулометрический состав (эквивалентный диаметр) загрузки фильтра толщиной слоя х = 1,0 м так, чтобы фильтр работал в оптимальном режиме. При скорости фильтрования V = 8,0 м/ч и предельных потерях напора Н_пр = 2,5 м.

Для определения параметров фильтрования, необходимых для расчета оптимального режима заданного фильтра, на экспериментальной установке выполняется фильтрование воды с аналогичным содержанием взвешенных веществ и цветности.

Скорость фильтрования принята 10 м/ч, эквивалентный диаметр загрузки – 0,89 мм, толщина фильтрующего слоя – 0,8 м. Фильтрование проводилось в течение 3,5 ч.

Результаты технологического анализа процесса фильтрования приведены в таблице 3.4. По этим данным построены графики потерь напора в течение фильтроцикла, которые приведены на рисунке 3.4.

По экспериментально полученным данным графоаналитически определяем параметры фильтрования х₀, tg , и вычисляем параметры , F(А), t_з и t_н. Значения величин Х₀ и К принимаем по таблице 3.6, а значение величины А в зависимости от величины F(А) – по таблице 3.1.

d* = 0,89 мм, V* = 10 м/ч.

Рисунок 3.4 – Обработка результатов технологического

анализа процесса фильтрования

Значение , Х₀ = 1,65, К = 1,325.

, см/ч,

х₀ = 19,1 см см/ч.

, .

При расчете значений t_з и t_н предельные потери напора на фильтре приняты 250 см.

ч.

, А = 0,69.

ч.

Для расчета параметров фильтрования для других значений скорости фильтрования, толщины фильтрующего слоя и крупности зерен загрузки используем формулы пересчета (3.5). Определим значения параметров при скорости фильтрования V = 8 м/ч, толщине фильтрующего слоя 100 см (1 м), предельных потерях напора на фильтре 250 см (2,5 м) и крупности 0,5–1,4 мм.

При расчете следует пользоваться программой расчета «Optimf», составленной в диалоговом режиме на Visual Baisic 6.

Для расчета использованы параметры фильтрования, полученные на экспериментальной установке.

Результаты расчета приведены ниже в таблице 3.5.

По вычисленным значениям t_з (продолжительности защитного действия загрузки) и t_н (продолжительности работы фильтра до достижения предельных потерь напора 250 см) построен график для определения оптимальной крупности загрузки при принятой скорости фильтрования 8 м/ч и толщине слоя 100 см. График приведен на рисунке 3.5.

Точка пересечения кривых t_з и t_н соответствует диаметру зерен загрузки d = 1,05 мм. При данной крупности загрузки t_з = t_н = 11 ч.

Таблица 3.5 – Расчетные значения параметров фильтрования при изменении крупности загрузки

d, мм	b	a/b	A	F(A)	i0	tз, ч	tн, ч
0,5	0,269	3,035	0,760	30	0,634	23,34	3,23
0,6	0,197	3,499	0,748	30	0,440	20,06	4,52
0,7	0,152	3,842	0,739	30	0,323	17,51	5,84
0,8	0,121	4,218	0,730	30	0,248	15,45	7,19
0,9	0,099	4,581	0,721	30	0,196	13,73	8,57
1,0	0,083	4,931	0,714	30	0,158	12,26	9,99
1,1	0,070	5,271	0,708	30	0,131	10,96	11,44
1,2	0,061	5,602	0,701	30	0,116	9,81	12,93
1,3	0,053	5,925	0,695	20	0,094	8,77	21,66
1,4	0,047	6,241	0,689	18	0,081	7,83	26,64

t_з

t_н

14

11

1,05

Рисунок 3.5 – График определения оптимальной крупности зерен

для проектируемого фильтра

Для обеспечения большой санитарной надежности работы фильтра рекомендуется принимать продолжительность защитного действия загрузки на 20–30% больше продолжительности работы фильтра до достижения предельного напора t_з = (1,2–1,3) t_з. Принимаем t_з = 1,3t_н = 1,3  11 = 14,3 ч. В этом случае оптимальную крупность загрузки принимаем d = 0,9 мм.

Для выполнения лабораторной работы каждому студенту выдается задание с данными результатов фильтрования на экспериментальной установке и параметры проектируемого фильтра. Данные задания приведены ниже.

Библиографический список к лабораторной работе № 3

1. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды / Д.М. Минц. – М.: Стройиздат, 1964.

2. СНиП 2.04.02-85*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.

Лабораторная работа № 4

Иониты и ионообменное обессоливание воды

Сущность вопроса

Иониты – практически нерастворимые полимерные вещества, способные в эквивалентных количествах обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в контактирующем с ионитом растворе (воде). Иониты делят на катиониты, которые обмениваются с раствором катионами, и аниониты, обменивающиеся анионами. В таблице 4.1 приведены технологические показатели ионитов.

Таблица 4.1 – Основные технологические показатели ионитов, используемых

для обессоливания воды

Название ионита	Назначение	ПОЕ по ГОСТ, г-экв/м3	РОЕ, г-экв/м3, при Н слоя 1 м	Затраты на данную РОЕ, кг/м3 ионита
Катионит КУ-28	Сорбция катионов из нейтральных растворов с минерализованностью от 1 до 15 г-экв/м3	1650	650–750	Н2SO4, 80 кг/м3
Аниониты Ан-31	Сорбция анионов сильных кислот из Н-катиониро-ванной воды		700–900	NaOH, 50 кг/м3
АВ-178	Сорбция анионов слабых и сильных кислот		450–550	NaOH, 80 кг/м3
АВ-178	При сорбции анионов только слабых кислот		300–400	NaOH, 80 кг/м3
АВ-178	Сорбция хромат-ионов		500–600	NaOH, 80 кг/м3

Для обмена катионов природных или сточных вод наиболее широко применяют сильнокислотный катионит КУ-2 (или его аналоги зарубежного производства). Для сорбции анионов сильных кислот (сульфат-, хлорид-, нитрат-ионы) используют слабоосновные аниониты АН-31, ЭДЭ-10П или их аналоги. Для сорбции анионов слабых кислот (угольной, кремниевой, уксусной, борной и др.) применяют сильноосновной анионит АВ-17 или его аналоги. Катионит КУ-2 содержит активную группу – SO₃H, в которой водо­род (Н-ион) может обмениваться в эквивалентных количествах на любой ка­тион. Активными группами слабоосновных анионитов являются вторичные и третичные аминогруппы, а у сильноосновных анионитов – четвертичные аммониевые основания.

Обмен катионов идет по схеме

[Кат]Н + NaCI  [Кат]Na + HCI,

2[Кат]Н + CuSO₄  [Кат]₂Cu +H₂SO₄.

Такой процесс получил название Н-катионированние раствора (воды). Если Н-катионированную воду, представляющую смесь тех кислот, соли которых присутствовали в исходной воде, пропустить через слой анионита, то произойдет обмен анионов, который принято называть ОН-анионированием

[Ан]ОН + HCI  [Ан]Cl + Н₂О,

2[Ан]ОН + H₂SO₄  [Ан]₂SO₄ + 2Н₂О.

Совокупность процессов Н-катионированния и ОН-анионирования ведет к получению частично или полностью обессоленной воды. Как пра­вило, ионирование производят пропусканием воды через неподвижные слои катионита и анионита в соответствующих реакторах, которые из-за аналогичности механическим фильтрам называются ионитовыми фильтрами. Их размеры представлены в каталоге «Водоподготовительное оборудование».

По силе сродства с катионитом катионы располагаются в ряд:

Fe³⁺ > Cu²⁺ > Ni²⁺ > Cd²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ – ряд сорбируемости.

Хуже всех перечисленных сорбируются ионы натрия. Поэтому при сорбции смеси различных катионов время работы катионитового фильтра до «проскока» ионов натрия в фильтрат будет таким, как если бы в очищаемом растворе (воде) были только одни ионы натрия, но в количестве, равном общей концентрации всех катионов.

Ряд сорбируемости анионов имеет вид:

.

Обратимость реакций ионного обмена, главным образом обмена катионов, приводит к тому, что фильтрат может содержать некоторое коли­чество наименее сорбируемых ионов. При одноступенчатом обессоливании допускается проскок на уровне 0,1–0,3 г-экв/м³.

После исчерпания сорбционной емкости иониты подвергаются реге­нерации. Для этого через слой катионита пропускают раствор той или иной минеральной кислоты, а через слой анионита – раствор щелочи, соды или аммиака.

Регенерация катионита описывается реакцией:

[Kaт]Na + HCI  [Кат]Н + NaCl,

[Кат]₂Сu + H₂SO₄  2[Кат]Н + CuSO₄.

Регенерация анионита

[Ан]Cl + NaОН  [Ан]ОН + NaCl,

[Aн]₂SO₄ + 2NaOH  2[Aн]OH + Na₂SO₄,

[Ан]₂CrO₄ + 2NaOH  2[Ан]ОН + Na₂CrO₄.

Различают три вида емкости ионитов: 1) полная обменная емкость (ПОЕ), величина которой определяется общим количеством активных групп в единице массы или объема ионита. Это исходный химический показатель сорбента;

2) восстановленная обменная емкость (ВОЕ). Ее величина зависит от затрат реагентов на регенерацию ионитов и условий ее проведения.

ВОЕ =   ПОЕ,

где  – степень регенерации, выражаемая в долях ПОЕ (0,5; 0,7 и т.д.);

3) рабочая обменная емкость (РОЕ).

Значения  для наиболее часто используемых ионитов в зависимости от затрат реагентов на их регенерацию, выраженных в эквивалентах на эквивалент ПОЕ и обозначаемых через , представлены на рисунке 4.1.





2

3

1

Рисунок 4.1 – Степень регенерации () в зависимости от затрат реагента (),

выра­женного в экв/экв ПОЕ:

1 – катионит КУ-2; 2 – анионит АН-31; 3 – анионит АВ-17

Для полной регенерации катионита от ионов двухвалентных металлов требуется 6-7-кратное количество кислоты. Поэтому в промышленных фильтрах емкость катионита обычно восстанавливают на 40–60 % от ПОЕ ( = 0,4–0,6). Для этого достаточно затратить удвоенное-утроенное против ВОЕ количество кислоты. Как правило, этого достаточно для удаления из слоя катионита ионов натрия, проскок которых в фильтрат лимитирует продолжительность рабочего периода фильтра.

Емкость слабоосновных анионитов легко восстановить на 70–75 % ( = 0,7–0,75), затрачивая полуторное против ВОЕ количество щелочи. Труднее всего регенерировать сильноосновный анионит. Для восстановления емкости на 50–55% ( = 0,5–0,55) затрачивается 4-5-кратное количество щелочи. Эти обстоятельства оказывают очень значительное влияние на экономические показатели процессов обессоливания и учитываются при проектировании обессоливающих установок.

Приняты несколько способов выражения затрат реагентов на регенера­цию: 1) в экв/экв ПОЕ; 2) в экв/экв РОЕ; 3) в процентах к РОЕ (например, 250 %, 400 % и т.д.); 4) в г реагента на 1 г-экв сорбированных ионов; 5) в кг/м³ ионита и др. Показатели легко пересчитать один в другой.

При неполной регенерации нижняя часть слоя или глубинные части отдельных зерен содержат извлекаемые ионы. Однако при обессоливании пресных вод с минерализованностью до 10 г-экв/м³ неполнота регенерации практически не сказывается на качестве обессоливания воды при условии, что из слоя катионита практически полностью удалены ионы натрия. Это является одновременно и условием качественной работы анионитового фильтра.

Рабочая обменная емкость (РОЕ) данного фильтра – функция целого ряда условий проведения процесса сорбции-десорбции.

POE = f (к, , U, L, с, , ),

где к – константа обмена наименее сорбируемого иона, проскок которого является причиной отключения фильтра на регенерацию;

 – кинетический коэффициент, зависящий от скорости диффузии обменивающихся ионов;

U – скорость пропускания воды через слой сорбента;

L – высота слоя иона;

с – исходная концентрация;

 – степень очистки.

Рабочая обменная емкость всегда меньше восстановленной. Схематически это показано на рисунке 4.2.

РОЕ  ВОЕ (от 4.2б к 4.2д) с уменьшением скорости ионирования, концентрации солей в воде. Увеличение заданной степени очистки, скорости ионирования и концентрации солей в воде, наоборот, приводит к уменьше­нию доли отработанной восстановленной емкости.

Рисунок 4.2 – Схема соотношений РОЕ и ВОЕ в зависимости от скорости

ионирования, концентрации и заданной степени очистки

Для достижения равенства РОЕ = ВОЕ без ухудшения качества очистки принято подключать фильтр, отработавший до проскока, к отрегенерированному фильтру и дорабатывать ту часть слоя, которая обозначена символом «» (ширина фронта сорбции или ширина так называемого «защитного слоя»). С увеличением высоты слоя ионита уменьшается разница между значениями ВОЕ и РОЕ, поскольку недоработавшая часть «» относится при этом к большей части сорбента. При высоте слоя 1,5–2 м РОЕ может отличаться от ВОЕ всего на несколько процентов.