Расчет ионитного фильтра

Теоретическая часть

Ионитная или ионообменная очистка воды является наиболее распространенным методом очистки природных и сточных вод от загрязняющих ионов. В ионитных фильтрах используются иониты, которые представляют собой не подвижную форму на поверхности, которой адсорбированы ионы способные к обмену. Не подвижная фаза представляет собой гранулы диаметром 1 – 5 мм из активного угля или специальных полимеров, которые называются ионообменные смолы.

Так как на поверхности ионитов происходит реакция обмена ионов то необходимо рассмотреть влияние различных факторов на адсорбционную способность ионов. Это способность характеризуется леотропными рядами.

Адсорбционная способность иона увеличивается при увеличении радиуса и заряда иона. Ион, обладающий большей адсорбционной способностью, вытесняет с поверхности ионита, ион с меньшей адсорбционной способностью. Поэтому леотропный ряд представляет собой, ряд ионов расположенных в порядке повышения их адсорбционной способности.

H⁺ < Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Pb⁺                   (R )

Be²⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Sr²⁺        (R ) 

Na⁺ < Mg²⁺ < Al³⁺                              (заряд )

F < Cl  < Br  < I

Если в ряду увеличивается и радиус, и заряд то адсорбционная способность увеличивается более резко

Li⁺ << Mg²⁺ << Ga³⁺                      (R , заряд )

Исходя из этого положения иониты, подготовленные к процессу очистки воды, содержат на своей поверхности ионы с минимальным радиусом или зарядом, обычно это ионы H⁺, Na⁺, Cl . В зависимости от вида адсорбционных ионов иониты подразделяются на катионы, которые содержат на поверхности положительные ионы и аниониты, которые содержат отрицательные ионы.

В настоящее время предложены комплексные иониты, которые содержат на своей поверхности ионы обоих знаков. Процесс обмена адсорбированных ионитом ионов и загрязняющихся ионитов, содержащихся в воде можно представить следующей схемой (для катионита)

    - Na⁺

R                        n – ионов + Meⁿ⁺          R   Meⁿ⁺ + n Na⁺

    - Na

                                   очистка

R – (Na)_n + Meⁿ⁺    R – Me + n Na⁺

                 регенерация

где R – неподвижная фаза (ионит)

Реакция является обратимой, поэтому ион металла может вытесняться ионом натрия, водорода, если концентрация этих ионов в растворе будет достаточно велика. Поэтому прямая реакция используется для очистки сточных вод от загрязняющих компонентов, а обратная реакция используется для восстановления (регенерации) ионита.

Иониты используются для очистки сточных вод (природных) содержащих не высокие концентрации загрязняющих ионов. Поэтому ионитные фильтры используются для доочистки сточных вод после их предварительной очистки (например, осаждение) или глубокой очистки природных вод (например, от солей жесткости).

Промышленный выпуск большого ассортимента ионитных фильтров (ФИП) которые представляют собой закрытый цилиндр, состоящий из дренажной системы, фильтровального слоя и загрузочных люков.

ФИП – 1,4 – 0,6

диаметр, м    допустимое давление воды, мПа

Высота или длина фильтра составляет примерно 3 – 5 диаметров, при эксплуатации фильтров они обычно устанавливаются вертикально, а их производительность определяется исходя из условия скорости движения воды по сечению фильтра в пределах W = 0,1 м/мин.

                        СВ

                                распределитель

                                          загрузочный люк

слой ионита 2 – 3 м

                                         дренажная система

очищенные волы                   

При эксплуатации фильтров качество очищаемой воды периодически контролируется путем химических анализов, по мере заполнения ионитов загрязняющими ионами наступает момент полного насыщения или обмена в этом случае фильтр отключают от системы очистки и подвергают регенерации. Для регенерации используют либо 8% раствор NaCl, либо 6 – 8% HCl, регенерационный раствор подают снизу вверх в количестве обеспечивающим скорость раствора через слой ионита в пределах 4 – 5 м/мин, при этом обеспечивается удаление адсорбированных ионов с поверхности ионитов, заполняется ионами Na⁺ или H⁺ (для катионитов) и ионами Cl  для анионитов. Одновременно с регенерацией ионита из слоя ионита вымывается взвешенные вещества, и зерна раздробленного ионита компенсируется дополнительной загрузкой ионита через загрузочные люки.

Отработанный регенерационный раствор, содержащий загрязняющие ионы в концентрированном виде поступает на утилизацию (либо захоронение) либо химическую переработку, т.к. этот раствор представляет собой уже химическое сырье.