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.
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) e –βt + 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
- Δm/β*=-ΔV Cf(t)+ Δm*;
- Δm/β*V0 =-ΔV Cf(t) /V0 + Δm*/V0;
- Δm/ β* V0dt=-ΔV Cf(t) /V0dt+ Δm*/V0dt;
- (1/β*)dCf(t) =-ΔV Cf(t) dt /V0dt+ Δm* dt /V0dt;
- (1/β*)dCf(t) =-q Cf(t) dt /V0 + m* dt /V0;
- (1/β*)dCf(t) =(-q Cf(t) /V0 + m* /V0)dt;
- dCf(t)/(-q β* Cf(t) /V0 + β*m* /V0)= dt;
- (– V0/q β*)d(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0)/(-q β* Cf(t) /V0 + β*m* /V0)= dt;
- – V0/q β*ln(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0)= t+lnC*
- – V0/q β*ln[(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0) / C*]= t;
- ln[(-q β*/V0Cf(t)+ β*m* /V0) / C*]= -(q β*/V0)t;
- (-q β*/V0Cf(t)/C*+ (β*m* /V0)/C* =exp{-(q β*/V0)t};
- Cf(t)= (m*/q)-(V0 C*/(q β*))exp{-(q β*/V0)t};
- Cf0(0)=(m*/q)-(V0 C*/(q β*), обозначаем Cf0(0)=Cf0;
- 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=β 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)= (Н00 –Н0K) e-βt + H0k (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
- 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.
- Костыгин В.А. Исследование процесса умягчения воды с использованием реактора беспрерывного действия. Сообщение 2/ В.А. Костыгин // Вісник ЧДТУ -2006 №4 с.169-176.
- 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.
- 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.
- Омельянц Н.Н. Гигиена применения ионообменных смол в водоснабжении.-Киев, издательство «Здоровья», 1979,-101с.
- Шкроб М.С., Вихрев В.Ф.Водоподготовка. – М.: Л., издательство «Энергия», 1966, – 416 с.