УДК 621.311.22;621.311.25

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНОБМЕННОГО ЦЕОЛИТНОГО ФИЛЬТРА

Столяренко Г.С.1, Костыгин В.А.1, Малявка К.А.1
1Черкасcкий государственный технологический университет

Аннотация
В статье приведенные результаты экспериментальных исследований лабораторной установки фильтра непрерывного противоточного действия с подвижным слоем, что обеспечивает одновременно проведение двух процессов : процессу противоточной сорбции ионов и процесса регенерации сорбента.

Ключевые слова: ионообменный фильтр, умягчение


RESULTS OF RESEARCHES OF PROCESS OF SOFTENING OF WATER WITH THE USE IONEXCHANGE ZEOLITE FILTER

Stolyarenko G.S.1, Kostigin V.A.1, Maluavka K.A.1
1Cherkasy state technological university

Abstract
This paper presents the results of experimental research laboratory filter continuous countercurrent moving bed of action that provides simultaneous two processes: the process of countercurrent adsorption of ions and sorbent regeneration process.

Библиографическая ссылка на статью:
Столяренко Г.С., Костыгин В.А., Малявка К.А. Результаты исследований процесса умягчения воды с использованием ионобменного цеолитного фильтра // Современная техника и технологии. 2014. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/09/4393 (дата обращения: 29.05.2017).

Постановка проблемы и анализ существующих конструкции и технологий

Требования сегодняшнего дня к развитию науки и техники является   внедрение в практику  конструкций и технологий, обладающих высокими технико-экономическими параметрами, обеспечивающие минимизацию энергетических и материальных затрат,  достаточную степень автоматизации и высокую  надежность в работе.

В ранее опубликованных работах [1-4]  приведены результаты исследований лабораторной модели ионообменного реактора беспрерывного действия КОСТОЛ-1, КОСТОЛ-2, и полупромышленной  установки КОСТОЛ-3. Сорбентом  этих установках служили катионит КУ-2-8  и специально очищенная смола  КУ-2-8чс. С точки зрения токсикологической безопасности получения питьевой воды на ионообменных установках существует проблема вымывания мономеров дивинилбензола и стирола, для всех марок катионитов. В случае с специально очищенной смолой это, вероятно, происходит из-за старения зерен катионита, частичного разрушения пространственной структуры сополимера дивинлбензола и стирола, которое и приводит к вымыванию получаемых олигомеров сополимера в очищаемую воду. В работе [5]  приводятся многочисленные исследования по негативному  воздействии синтетических ионообменных материалов на качество пищевых продуктов.

Существует целый класс природных ионообменных сорбентов, из которых наиболее широко используются цеолиты различных месторождений и различных кристаллических форм. Наиболее доступен и дешев цеолит закарпатского месторождения – клиноптилолит. Данный цеолит характеризуется высокими антитоксикологическими свойствами и совершенно безопасен для человека. Поэтому использование его для нужд водоподготовки для пищевых целей обоснованно. Полная обменная емкость клиноптилолита превышает 2мг-экв/г. Однако динамическая обменная ёмкость, которая сильно зависит от гидродинамических  условий сорбционного процесса,  обычно значительно ниже классических синтетических сорбентов на основе дивинлбензола и стирола. Это приводит низкой эффективности использования цеолитов в сравнении с вышеуказанными сорбентами. Она обусловлена низкой скоростью диффузии сорбируемого иона внутрь зерна цеолита, т.е. цеолит работает в кинетическом режиме. Было установлено, что исследуемые нами самопромывные ионообменные фильтры непрерывного действия работают преимущественно в кинетическом режиме, поэтому вполне целесообразно использовать в качестве сорбента в этих аппаратах клиноптилолит.

Оптимизация  процесса удаления солей жесткости из питательной воды, идущей на нужды энергетического хозяйства с использованием  ионообменных материалов – актуальная практическая задача. Обычная технологическая задача – снизить содержание солей жесткости с 10-15мг-экв/дм3 до 0,1-0,01мг-экв/дм3[6]. Ионообменный аппарат  типовой конструкции представляет собой цилиндрический сосуд, имеющий систему подачи очищаемой воды и регенерирующего раствора, который содержит в себе стационарный фильтрующий слой адсорбента – ионообменной смолы. Главный недостаток процесса сорбции ионов в таком аппарате является образование в стационарном слое смолы так называемых паразитных каналов, по которым технологическая жидкость движется с наименьшими гидравлическими потерями. Это приводит к преждевременному проскоку ионов, что обуславливает более раннюю необходимость регенерации ионообменной смолы, что в свою очередь вызывает дополнительный простой аппарата и перерасход регенерирующего реагента. Вторым важным  недостатком данной технологии является то, что взвешенные вещества, присутствующие в исходной технологической жидкости, попадая в смолу,  приводят к загрязнению фильтрующего слоя, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и нарушению процессов сорбции – десорбции.

  Цель исследования

Целью исследования является изучение процесса умягчения воды на базе лабораторной модели ионообменного реактора беспрерывного действия, в котором в качестве сорбента используется клоноптилолит закарпатського месторождения (Украина) и определение возможности его практического использования для умягчения воды.

Результаты исследования

В данной работе представлен экспериментальный материал, полученный на на базе лабораторной модели ионообменного реактора беспрерывного действия, конструкция которого позволяет избежать недостатки процесса сорбции ионов в  аппарате с стационарным слоем смолы . Ставится обычная технологическая задача – снизить содержание солей жесткости воды с 3,4-10мг-экв/дм3 до 0,1-0,01мг-экв/дм3[6].  Принципиальная схема устройства ионообменного фильтра приведена на рис.1. Внешний вид установки представлен на рис.2.

Работа ионообменного фильтра заключается в следующем: технологическая жидкость, которая подлежит очистке, через входной патрубок 12 поступает в распределительный коллектор 5, затем в верхний рабочий слой сорбента 4, где происходит сорбция ионов жесткости ионообменным материалом. Рабочий слой сорбента 4 движется навстречу движению технологической жидкости, так как из лабиринтного канала 3 регенерированный сорбент падает сверху на рабочий слой сорбента. Отработанный сорбент поступает в зону регенерации сорбента 16. Очищенная от солей жесткости вода через сливной патрубок 15 поступает по назначению. Через входной патрубок 11 подается регенерирующий раствор, который через распределительный коллектор 6 поступает в зону регенерации. Отрегенерированный  сорбент с помощью эрлифта 19 поступает в дренажный стакан 13, жидкость, содержащая десорбированные иона и механические примеси через дренажные патрубки 9,10 сбрасывается в канализацию. Сетка дренажного стакана 14 служит для разделения механических примесей и раствора содержащего десорбированные ионы жесткости. Обезвоженная масса сорбента пересыпается через край дренажного стакана 13 и падает вниз в лабиринтный канал 3, и так как уровень жидкости в промывном узле ниже уровня жидкости в корпусе фильтра, то осуществляется промывка сорбента очищенной жидкостью. Полученная данная дренажная жидкость сбрасывается через дренажный патрубок 11. Разница уровней осуществляется с помощью патрубков 9,10,11. Таким образом, реализуется противоточный процесс промывки регенерированного сорбента в лабиринтном канале 3, и затем сорбент  поступает в верхнюю часть рабочего слоя сорбента. Таким образом, выполняются процессы одновременной противоточной сорбции ионов жесткости из технологической жидкости , регенерация сорбента и удаление механических примесей, которые могут быть в подаваемой технологической жидкости.

Основные геометрические размеры фильтра: общая высота – 1,2м, внутренний диаметр корпуса – 0,145м, высота рабочего слоя сорбента – 0,50м.

     Рис.1  Схема устройства  ионообменного   фильтра

  Рис.2 Внешний вид установки

Для очистки воды использовался свежеотмытый (от токодисперсной пыли) закарпатский (Украина)  клиноптилолит, специально отсеянная фракция размером 1-2мм. В качестве регенерирующего раствора использовался насыщенный раствор технического  хлорида натрия. Общий расход воды до 4,8дм3/час. Жесткость входной воды (использовалась водопроводная вода, г.Черкассы), составляла 3,4-4,0мг-экв/дм3. Общий максимальный расход подаваемой воды на фильтр составлял величину  170дм3/час, что составляет: 90дм3/час – производительность по очищенной воде и 80дм3/час – производительность по дренажной воде. Расход воздуха в эрлифте 200мл/мин. Температура водопроводной воды 15°С.

В процессе проведения исследований, для определения общей жесткости был использован стандартный  комплексонометрический  метод,  основанный на использовании трилона Б .  Полная обменная емкость клиноптилолита  составляла 510мг-экв/кг. Было проведено несколько серий экспериментов. В таблице 1 представлены результаты исследования для жесткости входной воды 3,4мг-экв/дм3

Таблица 1. Результаты очистки технологической воды на лабораторной установке от времени с  подачей регенерирующего раствора (на восстановление смолы), серия экспериментов М3.

№ п/п

Общий

расход воды

 

дм3/час

Расход очищенной воды

дм3/час

Жесткость входной воды

ЖО,

мг – экв/дм3

Жесткость очищенной воды

ЖОч,

мг – экв/дм3

Время очистки

 

час

1

170

90

3,4

3,4

0

2

170

90

3.4

2,5

2,2

3

170

90

3,4

2,0

3,8

4

170

90

3,4

1,9

4,3

На рисунке 3 представлена графическая зависимость изменения концентрации очищенной  воды от времени и на рисунке 4 представлена эта же зависимость, но ось ординат отображена  в логарифмических координатах

.

Рисунок 3. Изменение концентрации жесткости очищенной  воды Н0 (мг-экв/час) на лабораторном фильтре от времени t (час), экспериментальная кривая 

Анализ рисунков 3 и 4 даёт нам сделать предположение, что зависимость изменения концентрации солей жесткости в очищенной воде есть ниспадающая экспонента. Нами предложена следующая эмпирическая зависимость:

H0 = (H00- H0k) eβt  + H0k                                                 (1)

где H0 –жесткость на выходе из фильтра (мг-экв/дм3);

H00 –жесткость на входе в фильтр (мг-экв/дм3);

H0k – установившееся (предельная) жесткость на выходе из фильтра (мг-экв/дм3);

β- коэффициент, зависящий от скорости фильтрации, высоты фильтрующего слоя, обменной емкости сорбента, производительности эрлифта (1/с);

t- время (с).

Процедура вывода формулы (1) следующая:

Рисунок 4. Изменение концентрации жесткости очищенной  воды Н0 (мг-экв/час) от времени t (час),  логарифмическая  шкала оси ординат.

Дано:

-имеется однокорпусной цилиндрический ионообменный фильтр непрерывного действия;

-концентрация солей жесткости- Cf(t);

-сечение фильтра –Sf;

-высота фильтрующего слоя -lсорб.слой;

-константа пропорциональности, характеризующая процесс сорбции –k* сорб;

-производительность фильтра QФ;

-коэффициент пропорциональности β*= k* сорб lсорб.слой Sf / QФ;

-свободный объем внутри фильтра, включая объем между зернами сорбента :V0;

-объемная скорость дренажа: Qперел;

-объемная скорость очищенной воды: Qочист, q=(Qочист+ Qперел)/ Δt;

-начальная концентрация солей жесткости на входе в фильтр: Сf0;

-удельная скорость поступления солей жесткости в фильтр: m*.

Найти:

1.функцию изменения концентрации солей жесткости в очищенной воде Cf(t) от времени;

2.установившуюся концентрацию солей жесткости Сfпред;

Решение

  1. Δm/β*=-ΔV Cf(t)+ Δm*;
  2. Δm/β*V0 =-ΔV Cf(t) /V0 + Δm*/V0;
  3. Δm/ β* V0dt=-ΔV Cf(t) /V0dt+ Δm*/V0dt;
  4. (1/β*)dCf(t) =-ΔV Cf(t) dt /V0dt+ Δm* dt /V0dt;
  5. (1/β*)dCf(t) =-q Cf(t) dt /V0 + m* dt /V0;
  6. (1/β*)dCf(t) =(-q Cf(t) /V0 + m* /V0)dt;
  7. dCf(t)/(-q β* Cf(t) /V0 + β*m* /V0)= dt;
  8. (– V0/q β*)d(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0)/(-q β* Cf(t) /V0 + β*m* /V0)= dt;
  9. – V0/q β*ln(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0)= t+lnC*
  10.  – V0/q β*ln[(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0) / C*]= t;
  11.  ln[(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0) / C*]= -(q β*/V0)t;
  12. (-q β*/V0Cf(t)/C*+ (β*m* /V0)/C* =exp{-(q β*/V0)t};
  13. Cf(t)= (m*/q)-(V0 C*/(q β*))exp{-(q β*/V0)t};
  14. Cf0(0)=(m*/q)-(V0 C*/(q β*),  обозначаем Cf0(0)=Cf0;
  15. C*=[(m*/q)- Cf0] ( q β*/V0);

Cf(t)= (m*/q)-[(m*/q)- Cf0] exp{-(q β*/V0)t}                             (2)

Принимая во внимание, что m*/q=Сfпред и qβ*/V0 формула (З.2.1) приобретает вид:

Cf(t)= (Cf0 – Сfпред) exp-βt +  Сfпред                                          (З)

С учетом, что β = q k*сорб lсорб.слой Sf / (QФ V0)  принимаем kсорб= q k*сорб/V0 и получаем β=  k сорб lсорб.слой Sf / QФ.

Запишем формулу (З.2.2) в общепринятых обозначениях концентраций солей жесткости

H0(t)= (Н00Н0K) etH0k                                               (4)

Установившееся  (предельная) жесткость на выходе из фильтра  определяется выражением:

H0k = (H00 QФ– qeEC)/QФ                                                 (5)

где qe – объемная производительность эрлифта (дм3/с);

EC – удельная объемная емкость сорбента (мг-экв/дм3);

QФ – производительность фильтра (дм3/с).

Условие получения предельной концентрации равной нулю является соблюдение равенства:

                            H00 QФ ≤  qeEC                                                                       (6)

Коэффициент β определяется выражением:

β = kсорб  lсорб.слой Sф/ QФ                                                       (7)

где kсорб –коэффициент пропорциональности;

lсорб.слой –толщина сорбционного слоя (дм);

Sф –площадь сечения фильтра (дм2);

QФ  – производительность фильтра (дм3/с).

Для нашего случая выполняется условие (6), т.е. предельное значение равняется нулю. Вычислив тангенс угла наклона кривой представленной на рисунке 3, находим β= 0,135с-1, (а kсорб = 0,0077с-2) т.е. формула (1) для нашего случая выглядит следующим образом:

H0 = 3,4 e –0,135t                                                           (8)

На рисунке 5 приведена теоретическая кривая, рассчитанная по формуле (8).

 Рисунок 5. Изменение концентрации жесткости очищенной  воды Н0 (мг-экв/час) от времени t (час), теоретическая кривая.

Приведенные результаты свидетельствуют о практической возможности использовать закарпатский цеолит (клиноптилолит) для умягчения воды до очень низких значении концентрации солей жесткости. При этом продуцируется вода, которая совершенно безопасна в токсикологическом отношении.

Преимущества фильтрации на фильтре непрерывного действия позволяет реализовать использование  всей обменной емкости цеолита; устранить нежелательные паразитные каналы, которые обычно образуются в неподвижном слое сорбента и через которые происходит проскок адсорбируемых ионов; непрерывно удалять механические примеси, присутствующие в очищаемой воде и которые обычно загрязняют фильтрующий слой в фильтре периодического действия, и что приводит к увеличению гидравлических сопротивлений; обеспечить лучшую сорбцию плохо сорбируемых ионов (например, натрий) которые обычно проходят раньше через фильтрующий слой, (ввиду уширения диффузионных пиков в неподвижном слое сорбента), что в конечном виде усложняет всю технологическую схему, это особенно актуально в линиях получения глубокообесоленной воды; подвижный слой сорбента обеспечивает минимальное потребление реагента (близкое к стехиометрическому).

Выводы

На основании  изложенного можно сделать следующие выводы:

-предложенная конструкция ионообменного цеолитного фильтра позволяет получить умягченную воду с остаточной жесткостью не более 0,1 мг-экв/дм3, обеспечив при этом   одновременность сорбции ионов жесткости и процесса регенерации цеолита;

-возможно использовать всю обменную емкость цеолита;

-в подвижном слое сорбента устранено образование нежелательных паразитных каналов, через которые происходит проскок адсорбируемых ионов;

-механические примеси, присутствующие в очищаемой воде удаляться при постоянной промывке цеолита в лабиринтном канале, что устраняет их накопление    в слое цеолита, что приводит к уменьшению и стабилизации гидравлических сопротивлений;

-фиксированная дозировка регенерирующего раствора позволяет минимизировать количество реагента;

-использование данного устройства позволяет производить концентрирование ценных компонентов из сточных вод, рассолов, шахтных и морских вод.

-использование данного устройства позволяет производить обработку питьевой воды, соков, молока и других биологических жидкостей и лекарственных растворов.


Библиографический список
  1. Костыгин В.А. Исследование процесса умягчения воды с использованием реактора беспрерывного действия/ В.А. Костыгин, Т.О. Задвирнюк, М.В. Гордиенко, Г.С. Столяренко //Вісник ЧДТУ .-2006 №1 с.153-159.
  2. Костыгин В.А. Исследование процесса умягчения воды с использованием реактора беспрерывного действия. Сообщение 2/ В.А.  Костыгин // Вісник ЧДТУ -2006 №4 с.169-176.
  3. Костыгин В.А, Столяренко Г.С. Расчет изотермы сорбции ионообменной смолы КУ-2-8 и его интерпретация к процессу сорбции в ионообменном фильтре непрерывного действия./ В.А. Костыгин, Г.С. Столяренко // Вестник ЧГТУ -2009 №2 с.95-96.
  4. Костыгин В.А., Очистка скважинной воды с помощью самопромывного цеолитного фильтра / В.А. Костыгин, Г.С. Столяренко, Д.В. Каптоновский, С.В.Овчаренко, Т.П Проценко// Вестник ЧГТУ -2008 №4 с.42-44.
  5. Омельянц Н.Н. Гигиена применения ионообменных смол в водоснабжении.-Киев, издательство «Здоровья», 1979,-101с.
  6. Шкроб М.С., Вихрев В.Ф.Водоподготовка. – М.: Л., издательство «Энергия»,  1966, – 416 с.


Все статьи автора «Виталий»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: