способ очистки воды слабодиссоциируемыми полидисперсными ионитами

Формула изобретения

1. Способ очистки воды полидисперсными ионитами, включающий пропускание очищаемой воды в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала и отделенный от него зоной свободного пространства слой полидисперсного ионита с размещенным непосредственно на нем слоем крупнозернистого фильтрующего инертного материала, имеющего высокую механическую прочность и плотность больше 1 г/см³, но меньше плотности используемого ионита, периодическую промывку слоев ионита и крупнозернистого фильтрующего инертного материала восходящим потоком с последующей подачей регенерационного раствора, отличающийся тем, что в качестве полидисперсного ионита используют слабодиссоциируемые иониты, промывку слоев ионита и крупнозернистого фильтрующего инертного материала осуществляют во взрыхляющем режиме при скорости восходящего потока 15-20 м/ч, обеспечивающей послойное их расширение на всю высоту зоны свободного пространства, а регенерационный раствор подают в направлении сверху вниз и последовательно пропускают его через слои инертного материала, крупнозернистого фильтрующего инертного материала и ионита.

2. Способ п.1, отличающийся тем, что высота зоны свободного пространства составляет 10-100% от общей высоты слоя ионита и слоя крупнозернистого фильтрующего инертного материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике ионообменной очистки воды с помощью полидисперсных слабодиссоциируемых ионитов, включающих слабокислотные катиониты и низкоосновные аниониты, и может быть использовано в теплоэнергетике и других областях промышленности.

Известен способ очистки воды в фильтре, загруженном слабокислотным полидисперсным катионитом, включающий пропускание очищаемой воды нисходящим потоком через карбоксильный катионит, периодическую взрыхляющую промывку всего слоя катионита с последующей его нисходящей регенерацией раствором серной кислоты (см. журн. «Энергосбережение и водоподготовка», №1, 2003 г., с.25-28).

Недостатками указанного способа являются его невысокая производительность, связанная с высоким гидравлическим сопротивлением слоя загрузки катионита, который имеет полидисперсный гранулометрический состав в пределах 0,3-1,2 мм, а также вымывание мелких рабочих фракций ионита из фильтра при взрыхляющей промывке.

Наиболее близким техническим решением является способ очистки воды полидисперсными ионитами, включающий пропускание очищаемой воды в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала и отделенный от него зоной свободного пространства, загрузку со слоем полидисперсного ионита. Непосредственно на слое ионита размещен слой крупнозернистого фильтрующего инертного материала, имеющий высокую механическую прочность и плотность больше 1 г/см³, но меньше плотности используемого ионита, обеспечивающий снижение гидравлического сопротивления слоя загрузки и повышения производительности способа ионообменной очистки воды. Периодическую промывку и регенерацию слоев осуществляют в направлении снизу вверх в плотном слое (см. патент РФ №2206520, C02F 9/02, B01J 47/02, опубл. 20.06.2003 г.).

Однако данный способ предназначен только для использования в нем сильнодиссоциированных ионитов, для регенерации которых по традиционной прямоточной технологии требуется значительный избыток химических реагентов. Поэтому применение противоточной регенерации в данном способе позволяет сократить избыток реагентов, но влечет сложные технологические приемы по ее реализации. Использование в этой противоточной технологии слабодиссоциированных ионитов не эффективно, так как известно, что при использовании слабодиссоциированных ионитов для очистки воды их регенерация при прямоточной технологии проводится практически стехиометрическим расходом химических реагентов, то есть практически без их избытка (см. Б.Е.Рябчиков «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования», Москва, ДеЛи принт, 2004 г., с.118).

Кроме того, промывку материалов загрузки осуществляют в плотном слое, что не позволяет эффективно выводить примеси из спрессованных частиц ионита и фильтрующего материала без увеличения расхода воды и энергетических затрат.

Изобретение направлено на создание способа, позволяющего расширить область применения слабодиссоциируемых полидисперсных ионитов, повысить срок их службы, снизить потери рабочих фракций ионита и повысить производительность способа очистки и эффективность использования этих ионитов в сочетании с более простой нисходящей прямоточной регенерацией.

Поставленная задача достигается тем, что очищаемую воду пропускают в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала и отделенный от него зоной свободного пространства слой слабодиссоциируемого полидисперсного ионита с размещенным непосредственно на нем слоем крупнозернистого фильтрующего инертного материала, имеющего высокую механическую прочность и плотность больше 1 г/см ³, но меньше плотности используемого ионита, осуществляют периодическую взрыхляющую промывку слоя ионита со слоем крупнозернистого фильтрующего инертного материала при скорости восходящего потока 15-20 м/час, обеспечивающей послойное их расширение на всю высоту зоны свободного пространства, и подают регенерационный раствор в направлении сверху вниз и последовательно пропускают его через слои инертного материала, крупнозернистого фильтрующего материала и ионита.

Высота зоны свободного пространства составляет 10-100% от общей высоты слоя ионита и слоя крупнозернистого фильтрующего инертного материала.

В качестве крупнозернистого фильтрующего инертного материала используют, например, сополимер стирола и дивинилбензола.

Гранулометрический состав сополимера стирола и дивинилбензола составляет 0,5-3,0 мм, что значительно больше, чем гранулометрический состав 0,3-2,0 мм слабодиссоциируемых полидисперсных ионитов. Данный материал обладает высокой механической прочностью. Для примера, зерно сополимера разрушается при нагрузке 15-20 кг на зерно, а зерно любого ионита разрушается при нагрузке 0,4-1,2 кг на зерно.

На фиг.1 представлена схема способа очистки воды слабодиссоциируемым полидисперсным ионитом на стадии очистки и регенерации, на фиг.2 - схема в режиме промывки.

Фильтр 1 содержит штуцер 2 для подачи очищаемой воды, регенерационного раствора и вывода потока после взрыхляющей промывки, верхнее распределительное устройство 3, соединенное со штуцером 2, штуцер 4 для отвода очищенной воды, отработанного регенерационного раствора и подачи восходящего потока для взрыхляющей промывки, нижнее распределительное устройство 5, соединенное со штуцером 4, плавающий слой инертного материала 6 и загрузку, состоящую из слоя слабодиссоциируемого полидисперсного ионита 7 и расположенного на нем слоя крупнозернистого фильтрующего инертного материала 8. Между слоями плавающего инертного материала и крупнозернистого фильтрующего инертного материала находится зона свободного пространства 9 (фиг.1).

Способ осуществляется следующим образом.

Очищаемую воду подают в фильтр 1 через штуцер 2 и верхнее распределительное устройство 3. Вода проходит нисходящим потоком последовательно плавающий слой инертного материала 6, слой крупнозернистого фильтрующего инертного материала 8 и слой слабодиссоциируемого полидисперсного ионита 7. Вывод очищенной воды производят через нижнее распределительное устройство 5 и штуцер 4. Неперемешивание слоев загрузки обеспечивается разностью плотностей зерен крупнозернистого фильтрующего инертного материала и ионита. Крупнозернистый фильтрующий инертный материал, например сополимер стирола и дивинилбензола, защищает слой полидисперсного ионита, имеющего низкие гидравлические характеристики, от загрязнений и механического разрушения за счет снижения гидравлического сопротивления, так как основную нагрузку до 90% по сопротивлению принимает верхний слой высокопрочного и крупнозернистого сополимера стирола и дивинилбензола (фиг.1).

После завершения рабочего цикла проводят процесс промывки (фиг.2) и последующую регенерацию (фиг.1) с целью соответственно вывода примесей и восстановления обменной емкости ионита. Для этого через штуцер 4 (фиг.2) и нижнее распределительное устройство 5 подают восходящий поток воды для взрыхляющей промывки загрузки со скоростью, обеспечивающей послойное расширение загрузки. При таком режиме промывки мелкие рабочие фракции ионита не вымываются с потоком воды. При этом объем загрузки расширяется и занимает зону свободного пространства 9. Благодаря возникающему эффекту внутрислоевого трения происходит эффективный процесс очистки поверхности зерен фильтрующего материала и ионита от загрязнений. Плавающий инертный материал свободно пропускает поток воды с примесями во время взрыхления и задерживает целые зерна загрузки.

Далее через штуцер 2 и распределительное устройство 3 нисходящим потоком подают регенерационный раствор, пропускают его нисходящим потоком через все слои и выводят отработанный регенерационный раствор через нижнее распределительное устройство 5 и штуцер 4 (фиг.1)

Пример 1.

В параллельноточный водород-катионитный фильтр диаметром 2000 мм загружают слабокислотный катионит типа MAC-3, IRC-86, С-104 или CNP-80 импортного производства с гранулометрическим составом 0,3-1,2 мм, плотностью 1,15-1,20 г/см ³ и в количестве 3800 л на высоту 1,2 м. В качестве крупнозернистого фильтрующего инертного материала используют гранулированный сополимер стирола и дивинилбензола с гранулометрическим составом 0,8-2,0 мм и плотностью 1,05 г/см³, расположенный на слое катионита. Высота слоя фильтрующего инертного материала составляет 300 мм. В качестве инертного материала плавающего слоя используют полиэтилен низкого давления с гранулометрическим составом 2-5 мм и плотностью 0,95 г/ см³ , нижний слой которого на 200 мм ниже верхнего распределительного устройства 3. Высота зоны свободного пространства 9 составляет 1000 мм. Очищаемую воду с содержанием взвешенных веществ 7-8 мг/л, общей жесткостью 4,5 мг-экв/л и общей щелочностью 3,5 мг-экв/л пропускают со скоростью 30 м/час, то есть с расходом 94 м ³/час в направлении сверху вниз последовательно через слой плавающего инертного материала, слой фильтрующего инертного материала и слой катионита. На выходе из водород-катионитного фильтра очищенная вода имела содержание взвешенных веществ менее 0,5 мг/л, общую жесткость 1,7 мг-экв/л, общую щелочность 0,7 мг-экв/л. Качество очищенной воды полностью соответствует требованию качества подпитки тепловых сетей по карбонатному индексу для температуры нагрева до 130°С.

При увеличении общей щелочности в очищенной воде свыше 1,0 мг-экв/л водород-катионитный фильтр отключается на регенерацию. С этой целью предварительно подают в фильтр воду в направлении снизу вверх со скоростью потока 15-20 м/час с целью взрыхляющей промывки фильтрующего слоя и слоя катионита, которые находятся во взвешенном состоянии и послойно занимают весь объем фильтра. При этом слой плавающего инертного материала не пропускает зерна сополимер стирола и дивинилбензола, но пропускает нерастворенные загрязнения, задержанные слоем сополимера во время фильтрации очищаемой воды. Послойное расширение загрузки необходимо по причине недопущения выноса мелких рабочих фракций катионита из фильтра. После завершения взрыхляющей промывки подают регенерационный раствор 0,7%-ной серной кислоты нисходящим потоком со скоростью 10 м/час для восстановления обменной емкости катионита.

Пример 2.

В параллельноточный анионитный фильтр диаметром 2000 мм загружают низкоосновной анионит АН-31 отечественного производства с гранулометрическим составом 0,3-2,0 мм, с плотностью 1,15-1,20 г/см³ и в количестве 4000 л на высоту 1,3 м. Слой фильтрующего инертного материала и слой плавающего инертного материала используют аналогично вышеуказанному примеру 1. Известно, что анионит АН-31 обладает низкой механической прочностью и ежегодная досыпка его в фильтр составляет до 30% от используемого объема, что в свою очередь ограничивает скорость потока очищаемой воды через него не более 10 м/час. Использование крупнозернистого фильтрующего слоя высокопрочного сополимера стирола и дивинилбензола позволит защитить анионит от механического разрушения, а также увеличить скорость очистки воды до 20-25 м/час.

Таким образом, использование данного способа обеспечивает расширение области применения полидисперсных слабодиссоциированных ионитов, повышает производительность очистки воды и позволяет произвести эффективную регенерацию ионитов.