Пористость. Обменная емкость ионитов любой структуры не зависит от размера их зерен, так как весь объем зерна более или менее доступен для ионообменной реакции. Однако во многих случаях пористые иониты имеют существенные преимущества перед массивными, гелевыми. Пористость ионитов является важным фактором, который способствует ускорению процесса ионного обмена во внутридиффузионной области и снижает отравление анионитов органическими примесями [7].
Структура пористых сополимеров обусловлена природой порообразователя и в случае применения спиртов имеет глобулярный характер, что приводит к образованию межглобулярных пор большого размера. Так, при использовании в качестве порообразователя изооктилового спирта средний радиус глобул равен 30-60нм, однако присутствуют поры и существенно меньших размеров. При увеличении числа атомов в изомерном спирте сополимеры получаются с более однородными по размерам порами, а суммарный объем пор уменьшается. Наилучшими порообразователями считаются первичные одноатомные алифатические спирты.
Селективность. В связи с проблемами прямого избирательного определения элементов в сложной смеси и извлечения металлов при комплексной переработке руд и из технологических растворов в гидрометаллургии возник интерес к селективным сорбентам.
Селективность ионообменных сорбентов определяется двумя факторами. С одной стороны, при обычном типе обмена (например, катионы на катионите) селективность может быть обусловлена точным соответствием размеров пор сорбента размеру гидратированного радиуса иона элемента: ионы с большими радиусами не входят в объем зерна ионита (ситовой эффект), а ионы слишком малых размеров характеризуются меньшей энергией сорбции. Такой эффект проявляется тем более четко, чем меньше набухаемость сорбента [7].
С другой стороны, селективность ионообменных сорбентов может быть обусловлена и химическим взаимодействием компонентов с функциональными группами ионита, например комплексообразованием металлов, появлением помимо ионной дополнительной координационной связи с атомами функциональных групп. Для металлов типа железа, урана, редкоземельных элементов характерно образование комплексных соединений с кислородом в качестве адденда; неслучайно селективными по железу являются иониты с большим числом фенольных групп, а по урану и редкоземельным металлам - карбоксильные и фосфорнокислые катиониты. Кобальт, никель, медь, цинк, образующие в растворах устойчивые аммиакаты, селективно сорбируются анионитами, особенно содержащими первичные аминогруппы.
При синтезе катионитов в качестве кислотных функциональных групп, определяющих катионообменные свойства, в матрицы ионитов обычно вводят сульфогруппы, карбоксильные, фосфорнокислые, мышьяковокислые, сульфогидрильные и другие группы. В качестве сульфирующих агентов для сополимера стирола и ДВБ обычно используют серную кислоту, олеум, хлорсульфоновую кислоту, в последнем случае ионит омыляют горячей (500С) водой. Во избежание растрескивания зерна сополимера в процессе сульфирования оставляют набухать в растворителях (толуол, тетрахлорэтилен, трихлорэтилен, дихлорэтан).
При синтезе анионитов в качестве основных групп, определяющих анионообменные свойства, в матрицы ионитов обычно вводят первичные, вторичные, третичные аминогруппы, четвертичные аммониевые основания, гетероциклические азотсодержащие соединения. Это во многом определяет силу анионитов как оснований и их селективность. Многообразие конденсационных анионитов, в том числе и по их основности, определяется составом исходных мономеров и конденсирующих агентов [7].
1.4. Характеристики ионитов, требования к ним
Практическое применение для очистки сточных вод получили синтетические ионообменные смолы. Соединения эти состоят из пространственно сшитых нерастворимых в воде углеводородных цепей (матрицы) с фиксированными на них активными ионогенными группами, имеющими заряд, который нейтрализуется расположенными внутри полимера ионами противоположного знака - противоионами, способными вступать в реакции обмена с ионами того же знака, находящимися в растворе. При отрицательном заряде фиксированных групп ионит обменивает катионы (катионит), при положительном - анионы (анионит).
Различают следующие виды ионитов:
1. Сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы - SО3Н или фосфорнокислые группы - РО(ОН)2, и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания - N+(R)3. К данному виду ионитов относятся, например, катионит и анионит.
Равновесная (статическая) обменная емкость этих ионитов по отношению к различным ионам остается постоянной (максимальной) в широком интервале рН.
2. Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные - СООН и фенольные ОН группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные - NН2 и вторичные - NН - аминогруппы (например аниониты), диссоциирующие при рН<7.
3. Иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислот или оснований. Так, катионит содержит сульфогруппу и фенольную группу.
4. Иониты, обменная емкость которых постепенно изменяется в широком интервале рН. Они ведут себя подобно смеси кислот и оснований различной силы [6].
Особую группу представляют окислительно-восстановительные полимеры или редокситы, обладающие способностью к окислительно-восстановительным реакциям.
При соприкосновении ионитов с водой происходит их набухание. Обычно применяемые промышленные образцы ионитов увеличивают свой объем при набухании в 1,5-2 раза.
Одной из основных характеристик ионитов является обменная емкость, предельная величина которой определяется числом ионогенных групп. Полная емкость ионита - количество грамм - эквивалентов ионов, находящихся в воде, которое может поглотить 1м3 ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита - количество грамм - эквивалентов ионов, которое может поглотить 1м3 ионита в фильтре при обработке воды до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов.
Характерной особенностью ионитов, важной для практического использования, является их обратимость, т.е. возможность проведения реакций в обратном направлении. Это дает возможность производить регенерацию ионитов [6].
Катиониты" включает сильнокислотные катиониты КУ-2-8, КУ-2-8чС, КУ-2-20, КУ-1, КУ-23 (в модификациях 10/60, 12/18, 15/100, 30/100) и слабокислотные катиониты КБ-2, КБ-2-4, КБ-4, КБ-4П-2, КБ-4-10П, КБ-2-7П, КБ-2-10П. ГОСТ 20301-74 "Смолы ионообменные. Аниониты" включает высокоосновные аниониты АВ-17-8, АВ-17-8чС, АВ-17П (в модификациях 10П/0,6; 10П/0,8; 12П/1,0), АВ-29-12П, АВ-16ГС и низкоосновные АН-21 (в модификациях 6 и 14), АН-18-8, АН-22-8, АН-221, АН-18П (в модификациях 10П и 12П), АН-31,АН-1, АН-2ФН, ЭДЭ-10П. В обоих ГОСТах содержатся требования и нормы по гранулометрическому составу ионитов (размер зерен, содержание рабочей фракции, эффективный размер зерен, коэффициент однородности), содержанию влаги, удельному объему катионитов в Н+ и Nа+ - формах и анионитов в ОН—форме, удельной поверхности, полной и равновесной статической обменной емкости (для низкоосновных анионитов только ПСОЕ), динамической обменной емкости (для катионитов - при полной и частичной регенерации), перманганатной окисляемости и рН фильтрата, осмотической стабильности, содержанию железа и хлора; для анионитов дополнительно нормируются содержанию щелочи, карбонатов и обесцвечивающая их способность.
Сильнокислотный катионит КУ-2-8 (ГОСТ 20298-74) имеет структуру геля, содержит только один вид ионообменных групп - сульфогруппу. Катионит получают сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. Насыпная плотность товарного катионита 0,8т/м3. Обменная емкость в динамических условиях при полной регенерации 1360 экв/м3. В Н+ - форме катионит может работать в водных растворах при 110-1200С. При температуре до 1700С относительные потери обменной емкости вследствие десульфирования заметно возрастают и через 24ч достигают 19,5%. Катионит отличается высокой химической стойкостью в разбавленных растворах щелочей и кислот, органических растворителях и некоторых окислителях. Кипячение катионита в 5М растворе Н2SO4 или NаОН, в 1М НNO3 и 10% - ном растворе Н2О2 не снижает полную обменную емкость в статических условиях [6].
Сильнокислотный катионит КУ-2-8чС (ГОСТ 20298-74) представляет собой модификацию катионита КУ-2-8 и отличается от него особой чистотой. Применяется для глубокого обессоливания воды и разделения смесей различных элементов.
Сильнокислотный катионит КУ-2-20 (ГОСТ 20298-74) имеет гелевую структуру и отличается от КУ-2-8 высоким (20%) содержанием дивинилбензола. Выпускается в Н+ - форме, применяется для очистки растворов гальванических производств.
Сильнокислотный катионит КУ-23 (ГОСТ 20298-74) (химический аналог катионита КУ-2-8) имеет макропористую структуру, содержит только сульфогруппу. Его получают сульфированием гранульного макропористого сополимера стирола с дивинилбензолом. Отличается от катионита КУ-2-8 несколько меньшей обменной емкостью. Макропористая структура катионита обеспечивает его улучшенные кинетические свойства и повышенную осмотическую стабильность.
Высокоосновный анионит АВ-17-8 (ГОСТ 20301-74) имеет гелевую структуру, содержит только один вид ионогенных групп четвертичные аммониевые основания. Получают хлорметилированием сополимера стирола с 8% дивинилбензола с последующим взаимодействием с триметиламином. При комнатной температуре анионит сравнительно устойчив к действию разбавленных кислот, щелочей и окислителей. При кипячении в течение 30мин. в 5М растворах щелочей и серной кислоты обменная емкость в статических условиях снижается соответственно на 14 и 7%, при взаимодействии с 10% - ным раствором Н2О2 при комнатной температуре в течение 48ч - на 16,4%. Температурные пределы его использования зависят от требований, предъявляемых к обессоленной воде, и составляют 40-450С при обескремнивании воды (содержание кремниевой кислоты в фильтрате 10-15мкг/кг) и 85-900С при сорбции анионов минеральных кислот.
Анионит АВ-17-8чС (ГОСТ 20301-74) является модификацией анионита АВ-17-8 и отличается особой чистотой.
Высокоосновный анионит АВ-29-12П (ГОСТ 20301-74) имеет макропористую структуру. Получают суспензионной сополимеризацией стирола и ДВБ в присутствии порообразователя с последующим хлорметилированием, а затем аминированием сополимера диметилэтаноламином. По химической и термической стабильности несколько уступает аниониту АВ-17-8, но обладает более легкой регенерируемостью. Предназначается для процессов водоподготовки при невысоких требованиях к остаточному содержанию анионов кремниевой и угольной кислот и для очистки сточных вод [7].
В 1978г. компания Degremont запантентовала и предложила потребителям противоточную технологию регенерации ионитов под названием UFD. По этой технологии рабочий цикл осуществляется сверху вниз, а регенерация - снизу вверх. Весь внутренний объем фильтра заполняется активной смолой. Наличие инертного материала не является обязательным, и если он применяется, то исключительно для защиты верхнего распределительного устройства от ионитной мелочи (аналогично технологии SCHWEBEBETT). Благодаря такой загрузке фильтра слой ионита всегда находится в зажатом состоянии (как при проведении рабочего цикла, так и при регенерации); обеспечиваются варьирование рабочих скоростей потоков в очень широком диапазоне и возможность чередования технологических остановов с возобновлением рабочего цикла. Конструкция фильтра отличается простотой. Имеются верхнее и нижнее распределительные устройства, а в верхней части фильтра установлен штуцер для гидроперегрузки ионита, который обеспечивает возможность удаления 30…50% ионита во внешнюю емкость для промывки взрыхлением. Оставшийся в фильтре ионит также подтвергается взрыхлению.
Технология UFD позволяет эффективно удалять накопившиеся за время проведения рабочего цикла взвешенные вещества и ионитную мелочь и предотвращать тем самым появление одной из проблем, свойственных противоточным технологиям. Однако возникает другой, более существенный, недостаток (необходимость проведения двойной регенерации после каждого взрыхления), который сводит к нулю преимущества противотока, основанные на экономии реагентов.
Технология UPCORE является зарегистрированной торговой маркой компании Dow Chemical [13].
На первый взгляд, UPCORE идентична SCHWEBEBETT: также практически весь объем фильтра заполнен активной смолой, над которой находится слой плавающего инертного материала. Но за кажущимся внешним сходством скрываются принципиальные отличия. Во - первых, рабочий цикл проводится сверху вниз, а регенерация - снизу вверх. Во - вторых, применяемый для UPCORE инертный материал коренным образом отличается по своим характеристикам от используемого для SCHWEBEBETT. В UPCORE он должен задерживать в фильтре только целые, неразрушенные зерна смолы, обеспечивая возможность свободного перемещения высокодисперсных взвесей и фрагментов зерен, а в SCHWEBEBETT - воспрепятствовать попаданию в технологический тракт любых дисперсий. Простота и удобство эксплуатации, свойственные прямоточной технологии (относительно невысокая стоимость конструкции фильтра, возможность изменения рабочей нагрузки в широком диапазоне, неограниченная степень свободы в чередовании технологических остановов с возобновлением рабочего цикла), также являются неоспоримыми преимуществами и для UPCORE, благодаря абсолютной идентичности рабочего цикла в обеих технологиях.
Взвешенные вещества, поступающие в фильтр с обрабатываемой водой, аккумулируются главным образом на поверхности слоя загрузки (и частично в верхних слоях), откуда они эффективно удаляются при проведении операции "зажатия" слоя на стадии регенерации. Важным достоинством рассматриваемой технологии является возможность удаления из слоя смолы накопленных взвесей непосредственно в рабочем фильтре (т.е. без гидроперегрузки ионита).
Эффективность очистки слоя ионита от взвесей может быть существенно повышена барботажем воздуха [13].
Необходимо отметить, что концентрационная характеристика, используемая в России для оценки количества взвешенных веществ, не является объективной, если требуется определить степень применимости той или иной технологии противоточного ионирования в конкретных условиях эксплуатации. В самом деле, при длительном фильтроцикле количество взвесей, поступающих в ионитный фильтр с обрабатываемой водой (даже если их концентрация и незначительна), может оказаться существенно большим в абсолютном выражении, чем в условиях короткого фильтроцикла (пусть даже и при более высокой исходной концентрации дисперсий).
По UPCORE в настоящее время в мире работает около 700 установок деминерализации и умягчения. При этом исходная вода, поступающая на ионирование имеет рабочие параметры чрезвычайно широкого диапазона:
Солесодержание, мг-экв/л 1..15
Содержание, мг/л:
Органических примесей
(по перманганатной окисляемости) до 120
кремниевые кислоты
(по диоксиду кремния) до 130
взвесей 0,1…15
Эксплуатируемые противоточные фильтры, оснащенные распределительными устройствами в виде как лучевых систем, так и ложных днищ (диаметры 0,5..4м, высота слоя загрузки 1…4м) обеспечивают производительность единичного фильтра в рабочем режиме 5…600м3/ч. Для регенерации ионитов по UPCORE в зависимости от конкретной области применения с успехом используются растворы соли, щелочи, серной, соляной и азотной кислот.
Данная технология свободна от недостатков, присущих большинству других противоточных технологий, исключительно проста и надежна в эксплуатации. Ее применение позволяет минимизировать объем капитальных затрат при создании (а особенно при реконструкции действующих) ВПУ и эксплуатационные расходы. Технология UPCORE в последнюю четверть прошлого века стала наиболее широко применяемой противоточной регенерацией в мире [13].
Методы противоточного ионирования обычно применяются на ВПУ для умягчения и деминерализации. Выбор технологии SCHWEBEBETT для умягчения воды может оказаться предпочтительным по сравнению с UPCORE в тех случаях, когда:
· вода, подаваемая на умягчение, практически свободна от взвешенных веществ;
· производительность установки постоянна;
· отсутствует необходимость в технологических остановах.
Благодаря тому что регенерация по SCHWEBEBETT проводится сверху вниз и нет необходимости в зажатии слоя, уплотненного под собственным весом, можно снизить линейную скорость подачи концентрированного (8-12%) солевого раствора (например, до 5 м/ч). Это, в свою очередь, позволяет минимизировать потребление соли (доводя его до уровня 120% от стехиометрического соотношения), обеспечивая при этом необходимую длительность контакта реагента с катионитом, одновременно сокращая потребление воды на отмывку и уменьшая объем образующихся солевых стоков. При проведении регенерации по UPCORE (снизу вверх) возможность для подобного снижения расхода потока реагента отсутствует, так как при низкой линейной скорости несущего потока слой ионита разуплотнится и будет перемешиваться. Поэтому, если требуется минимизировать удельный расход соли на регенерацию при реконструкции существующей прямоточной схемы используя UPCORE для умягчения, часто приходится наращивать цилиндрическую часть обечайки фильтра и увеличивать высоту слоя загрузки катионита (а это приводит к дополнительным затратам и возрастанию потребления воды на отмывку).
Необходимо также отметить случаи, когда применять SCHWEBEBETT оказывается целесообразно и для деминерализации воды. Прежде всего это установки малой производительности (до 10…15 м3/ч) с постоянной рабочей нагрузкой по обессоленной воде [13].
В современных комплексных технологиях водоподготовки сочетают мембранные методы очистки с ионным обменом и (или) электродеионизацией. Использование мембранных технологий (ультра-, нанофильтрации и обратного осмоса) перед ионным обменом гарантирует практически полное отсутствие взвесей в воде, поступающей на ионитные фильтры. Поэтому когда не требуется получать обессоленную воду с остаточной электропроводностью менее 0,1 мкСм/см, применение раздельного Н - ОН - ионирования по SCHWEBEBETT (если производительность установки постоянна и отсутствует необходимость в технологических остановах) является технологически и экономически оправданным даже по сравнению с фильтрами смешанного действия.
Рассматривая проблемы применения противотока, нелязя не обсуждать вопросы выбора используемых технологических схем, оборудования и ионитов, так как именно это определяет возможность достижения максимального положительного эффекта от внедрения противотока. Конструкции фильтров должны быть оптимизированы или, по крайней мере, адаптированы к особенностям конкретной противоточной технологии. Если работоспособность противоточной технологии напрямую не зависит от выбора ионита, то показатели ее эффективности (качество достигаемых результатов, капитальные затраты и издержки при эксплуатации) - зависят непосредственно.
В заключение необходимо отметить, что добиться максимальной эффективности при использовании любой противоточной технологии можно только путем комплексного подхода, в котором оптимальность выбора технологии должна обязательно сочетаться с оптимальными режимными параметрами работы установки, с конструктивными характеристиками основного и вспомогательного оборудования, с грамотным выбором типа и качественных показателей применяемых ионитов и, наконец, при скрупулезном соблюдении положений технологического регламента. Пренебрежение даже одним из перечисленных критериев может снизить эффективность (экономичность) эксплуатации ВПУ, что будет служить дополнительным фактором, подталкивающим потребителей к выбору электродеионизации в качестве альтернативы ионному обмену в процессах деминерализации воды [13].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
