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.

.

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- H_0k) e ^–βt  + H_0k                                                 (1)

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

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

H_0k – 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- C_f(t);

-сечение фильтра –S_f;

-высота фильтрующего слоя -l_{сорб.слой};

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

-производительность фильтра Q_Ф;

-коэффициент пропорциональности β*= k* _сорб l_{сорб.слой} S_f / Q_Ф;

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

-объемная скорость дренажа: Q_перел;

-объемная скорость очищенной воды: Q_очист, q=(Q_очист+ Q_перел)/ Δt;

-начальная концентрация солей жесткости на входе в фильтр: С_f0;

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

Найти:

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

2.установившуюся концентрацию солей жесткости С_fпред;

Решение

1. Δm/β*=-ΔV C_f(t)+ Δm*;
2. Δm/β*V₀ =-ΔV C_f(t) /V₀ + Δm*/V₀;
3. Δm/ β* V₀dt=-ΔV C_f(t) /V₀dt+ Δm*/V₀dt;
4. (1/β*)dC_f(t) =-ΔV C_f(t) dt /V₀dt+ Δm* dt /V₀dt;
5. (1/β*)dC_f(t) =-q C_f(t) dt /V₀ + m* dt /V₀;
6. (1/β*)dC_f(t) =(-q C_f(t) /V₀ + m* /V₀)dt;
7. dC_f(t)/(-q β* C_f(t) /V₀ + β*m* /V₀)= dt;
8. (– V₀/q β*)d(-q β*/V₀C_f(t)+ β*m* /V₀)/(-q β* C_f(t) /V₀ + β*m* /V₀)= dt;
9. – V₀/q β*ln(-q β*/V₀C_f(t)+ β*m* /V₀)= t+lnC*
10.  – V₀/q β*ln[(-q β*/V₀C_f(t)+ β*m* /V₀) / C*]= t;
11.  ln[(-q β*/V₀C_f(t)+ β*m* /V₀) / C*]= -(q β*/V₀)t;
12. (-q β*/V₀C_f(t)/C*+ (β*m* /V₀)/C* =exp{-(q β*/V₀)t};
13. C_f(t)= (m*/q)-(V₀ C*/(q β*))exp{-(q β*/V₀)t};
14. C_f0(0)=(m*/q)-(V₀ C*/(q β*),  обозначаем C_f0(0)=C_f0;
15. C*=[(m*/q)- C_f0] ( q β*/V₀);

C_f(t)= (m*/q)-[(m*/q)- C_f0] exp{-(q β*/V₀)t}                             (2)

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

C_f(t)= (C_f0 – С_fпред) exp-βt +  С_fпред                                          (З)

С учетом, что β = q k*_сорб l_{сорб.слой} S_f / (Q_Ф V₀)  принимаем k_сорб= q k*_сорб/V₀ и получаем β=  k _сорб l_{сорб.слой} S_f / Q_Ф.

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

H₀(t)= (Н₀₀ –Н_0K) e^-βt +  H_0k                                               (4)

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

H_0k = (H₀₀ Q_Ф– q_eE_C)/Q_Ф                                                 (5)

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

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

Q_Ф – производительность фильтра (дм³/с).

Условие получения предельной концентрации равной нулю является соблюдение равенства:

                            H₀₀ Q_Ф ≤  q_eE_C                                                                       (6)

Коэффициент β определяется выражением:

β = k_сорб  l_{сорб.слой} S_ф/ Q_Ф                                                       (7)

где k_сорб –коэффициент пропорциональности;

l_{сорб.слой} –толщина сорбционного слоя (дм);

S_ф –площадь сечения фильтра (дм²);

Q_Ф  – 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 k_сорб = 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.