Регенерация катионита проводится для чего
Регенерация натрий катионитового фильтра солью
Для умягчения воды часто применяют засыпку из ионообменных смол. Правилами технологического процесса предусмотрена регулярная промывка и восстановление рабочего слоя. Качественная регенерация катионитовых фильтров обеспечивает плановую функциональность, продлевает срок службы наполнителя. Точный расчет поможет рациональным образом использовать расходные материалы и техническую жидкость.
Основные определения и особенности технологии умягчения
Молекулы натрия образуют растворимые гидрокарбонатные соединения, которые при нагреве в рабочей зоне котла преобразуются в гидроксиды. Следует отметить, что созданная смесь обладает выраженными щелочными свойствами. Это объясняет ускорение коррозийных реакций, которые способны повредить металлические части технологического оборудования.
Упомянутый недостаток объясняет ограниченную сферу применения технологии умягчения. Такую подготовку рекомендуется применять для обработки добавочной жидкости (подпитки), которой пополняют заполненную систему теплоснабжения. При повышенной исходной щелочности нужен натрий катионитовый фильтр и дополнительная предварительная подготовка.
Регенерационный раствор проходит через слой гранулированной засыпки последовательно. Поэтому в следующих слоях его начальная действенность ухудшается вытесненными ионами. Для идеального расчета берут поправочный коэффициент n= 5,14. Этот параметр соответствует расходу солей в пропорции 290-310 г на каждый грамм вытесняемых соединений. Однако такой уровень значительно увеличивает эксплуатационные затраты, провоцирует чрезмерное загрязнение технических стоков. На практике применяют не более 140-150 г.
Следующее ограничение – скорость пропускания регенерационного раствора. При высоте засыпки 150-160 см поддерживают этот параметр на уровне 5±1 м/ч. Нижний предел (3,5-4 м/ч) обусловлен гидродинамическими параметрами фильтрационного слоя.
При выборе технологии регенерации катионита кислотами определенное значение имеет направление потоков (рабочего и регенерационного режима). Наиболее эффективен противоположный способ. В этом случае наиболее качественно выполняется обработка нижних слоев. Одновременно выполняется перемешивание наполнителя для итогового формирования качественной рабочей зоны с равномерным распределением функциональных компонентов.
Что такое регенерация катионитовых фильтров солью и кислотами?
Для изучения технологических процессов нужно рассмотреть состав и эксплуатацию типового комплекта специализированного оборудования для обессоливания воды. Для исключения вредного влияния отдельных примесей и улучшения фильтрационных способностей применяют предварительную подготовку. На этой стадии уменьшают содержание механических фракций до 7-9 мг на литр. По цветности обеспечивают уровень загрязненности не хуже 25-30 градусов.
Процедура регенерации кислотами выполняется с использованием трех основных этапов (время в минутах):
В профессиональных установках применяют последовательно регенерационные смеси с разным содержанием солей. Сначала используют 1,5-2% раствор из расчета 1,25 куб. м жидкости на каждый куб. метр катионита КУ 2 8. Далее – повышают концентрацию до 8-9%. На этой стадии устанавливают скорость потока по рассмотренным выше рекомендациям – не менее 3,5 м/ч, до 5 м/ч. На финишной промывке – увеличивают не более чем до 9-11 м/ч.
Для подготовки регенерационной смеси устанавливают отдельный бак с засыпным фильтром (гранулы 2-8 мм). На этот слой загружают очищенную поваренную соль. В бытовых установках применяют NaCl в таблетках. Такие расходные материалы обеспечивают равномерное растворение реагента. В промышленных комплектах используют предварительно подготовленную восстановительную жидкость с дозированной концентрацией действующих соединений.
Расчет и настройка фильтра
Рассматриваемая технология умягчения обеспечивает снижение жесткости до 0,1-0,2 мг экв/литр при начальном уровне до 8-10 мг-экв/ литр. Для питания промышленных котельных устанавливают повышенные требования к эффективности очистки. Двумя стадиями обработки уменьшают содержание вредных примесей до 0,05-0,02 мг-экв/литр.
Для расчета уточняют исходные данные:
Чтобы узнать обменную емкость учитывают:
В реальных условиях эксплуатации теоретические расчеты подтверждают результатами измерений. Для проверки применяют формулу Ер = (Жвх – Ж вых)*О/Vзас, где:
С учетом оптимального удельного расхода NaCl (145±5 мг-экв/литр) вычисляют потребление реагента на одну регенерацию натрий катионитовых фильтров солью.
При обслуживании ионообменного фильтра пользуются относительной величиной – обменной способностью определенного типа засыпки на единицу объема. Специалисты учитывают дополнительно конструктивные особенности оборудования и другие важные нюансы при смягчении воды. В частности – принимают во внимание увеличение размеров гранул катионита КУ 2 8 при впитывании жидкости.
Некоторые промышленные рабочие емкости создают в открытом исполнении. При сравнительно меньших потребностях используют закрытые резервуары. Типичный вариант для бытового применения – бак, установленный вертикально на специальной опоре. По центральной оси ставят трубу с решетчатым заборным устройством. На дно засыпают слой песка для механической очистки. В цикле уменьшения жесткости воду подают через горловину. Для регенерации катионитовых фильтров кислотами применяют несколько этапов с промывкой и восстановлением по рассмотренной выше схеме.
Особенности применения технологии в домашних условиях
Представленное описание наглядно демонстрирует сложности, которыми сопровождается эксплуатация. Для решения производственных задач создают специальные подразделения, которые занимаются обслуживанием и ремонтом. Подобные кадровые решения применяют снабжающие организации. Опытные специалисты корректно настраивают регенерацию натрий катионитовых фильтров кислотами, обеспечивают своевременное выполнение контрольных и регламентных операций. Оплату труда и другие сопутствующие затраты учитывают в расчетах с покупателями готовой продукции, потребителями сетей водоснабжения.
Рядовым пользователям без профессиональной подготовки трудно воспроизводить технологии умягчения без ошибок. Поэтому производители предлагают типовые комплекты оборудования, рассчитанные на определенную производительность и уровень жесткости на входе.
Установки в современном варианте оснащения дополняют средствами автоматизации. На горловине монтируют блок электроники с встроенными электромагнитными клапанами, который переключает потоки жидкости (восстановительного раствора) по заданной программе. Таймером при первичной настройке специалист магазина устанавливает цикличность регенерации катионитовых фильтров. Пользователю надо только своевременно засыпать поваренную соль в отдельную емкость. Срок службы основного наполнителя составляет до 8 лет и более.
В процессе реальной эксплуатации первичные установки придется корректировать. Даже в глубокой скважине после сильного дождя изменяется химический состав воды. Такие проявления непродолжительны, поэтому их можно игнорировать. Весной при бурном таянии снега существенное повышение концентрации солей наблюдается до нескольких недель. В этой ситуации рекомендуется перенастроить рабочие циклы для гарантированного задержания соединений.
По упрощенной схеме регенерацию катионитовых фильтров кислотами рассчитывают следующим образом (условные цифры приведены в качестве примера):
По данным из технического паспорта уточняют количество соли на одну регенерацию катионитовых фильтров. Создают необходимый запас NaCl, чтобы исключить частые посещения магазина.
Альтернативные методики умягчения
Если рассмотренная технология не подходит, рассматривают иные предложения профильных производителей. При выборе фильтра обращают внимание на следующие нюансы:
Любой комплект оборудования будет работать эффективно и долго, если предварительно удалить механические примеси. Как отмечено выше, при работке с ионообменными методиками нужно контролировать щелочные параметры. Таке рекомендуется проверять концентрацию хлора, сульфитов и некоторых других соединений. Единственное исключение – электромагнитная установка, которая сохраняет работоспособность вне зависимости от загрязненности воды.
Восстановление ионообменной смолы
Чтобы обеспечить высокий уровень очистки воды в домашних условиях, необходимо использовать трехступенчатую систему фильтрации. Такая система включает в себя картридж механической очистки, умягчения (в котором используется ионообменная смола) и доочистки из активированного угля.
Ресурс подобных картриджей приблизительно составляет 5-7 тысяч литров, поэтому их достаточно менять раз в год на новые. Но есть один важный момент: эффективность картриджа с ионообменником напрямую зависит от уровня жесткости поступающей жидкости и его полноценное применение возможно только при проведении регулярной регенерации.
Ионообменные смолы: общее описание
Это соединения в виде мелких шариков, обычно янтарного цвета. Они способны улавливать из водных растворов ионы магния и кальция и заменять на ионы натрия (или водорода). В результате жидкость приобретает нормальный уровень жесткости.
Такие материалы широко применяются в процессах водоподготовки, начиная с 60-х годов прошлого века. Это один из доступных, экологически безопасных и быстрых способов фильтрации. Он позволяет избавиться от накипи, добиться хорошего пенообразования при контакте с моющими средствами и получить питьевую воду без посторонних примесей.
В бытовых фильтрах наиболее часто используются иониты гелевого типа (например, катионит КУ-2-8, Dowex, Relite, Lewatit и др. Они обладают химической стойкостью, осмотической стабильностью и не выделяют в очищаемую воду вредные примеси.
Так как емкость ионитов ограничена, необходимо своевременно проводить ее восстановление. Для этого ионообменник погружают в раствор, содержащий избыток ионов натрия. В этом случае процесс пойдет в обратном направлении: ионы натрия поглощаются, а ионы кальция и магния отдаются в раствор. В качестве регенерационного соединения обычно используют поваренную соль.
Как регенерировать смолу при помощи поваренной соли?
Для этого следует закрыть кран на входе, чтобы перекрыть подачу воды в фильтр, и включить чистую воду, чтобы сбросить давление в корпусах системы. Затем следует достать картридж механической очистки и тщательно очистить его от загрязнений, промыв под струей воды со щеткой, а также вымыть колбу фильтра. После этих процедур картридж механической очистки установить на место.
Затем необходимо достать картридж с ионообменником. Процедура его регенерации зависит от типа фильтрационной системы: в простых фильтрах содержимое можно высыпать и регенерировать в отдельной емкости, в более сложных восстановление проводится без извлечения гранул.
В первом случае следует залить смолу 2 л 10 %-ного раствора нейодированной поваренной соли (100 г соли на 1 л воды) и дать настояться в течение 6-8 часов. После этого ионообменник промывают чистой водой 2-3 раза и засыпают обратно.
Второй вариант предполагает заливание смолы прямо в картридже 2 л 10 %-ного солевого раствора, после чего картридж ставят в промытую колбу и заливают еще 0,5 л раствора, оставляют на 8-10 часов. По истечении этого времени жидкость сливают и вновь погружают ионообменник в 2 л раствора. Для устранения избытка соли после этого гранулы промывают 2 л чистой воды.
Важный момент! Восстановление смолы может проводиться неоднократно, но постепенно она загрязняется примесями, которые содержатся в воде, и теряет ионообменную емкость. Поэтому картридж с ионообменником подлежит замене примерно раз в год (в зависимости от интенсивности использования и жесткости воды).
Регенерация ионообменной смолы
Процесс очистки воды методом ионного обмена проходит в фильтрах ионообменного действия. В промышленных установках умягчения регенерация ионообменной смолы проводится автоматически с помощью клапанов управления, последовательно проходя стадии сорбции, регенерации и промывания. Аналогично этот процесс происходит в фильтрах умягчения для частных и загородных домов. Домашние фильтры картриджного типа необходимо промывать самостоятельно при утрате ионообменным материалом сорбционных свойств. Регулярность промывки ионообменной смолы зависит от качества поступающей воды, интенсивности использования фильтра.
Что такое ионообменная смола и где она применяется
Ионообменная смола представляет собой синтетическое органическое высокомолекулярное соединение, которое имеет в составе ионогенные группы, диссоциирующие в растворе и способные к обмену подвижных ионов на другие ионы, содержащиеся в водной среде. Свойства ионитов определяются природой функциональных групп:
Ионообменные смолы представляют собой мелкие зерна или гранулы разных геометрических параметров и размеров в зависимости от метода получения: при полимеризации получаются практически идеальные сферы, поликонденсационные смолы имеют гранулы неправильной формы. Размеры варьируются от нескольких микрон до 1,5 мм.
По структуре полимерной основы ионообменные смолы бывают гелевые (непористые) и изопористые. Величина обменной емкости ионита зависит от числа активных групп на поверхности зерен, размера пор, углублений, каналов в его структуре.
Ионообменные смолы применяют для деминерализации, умягчения, обескремнивания водных растворов, избирательного удаления определенных ионов. Применение ионитов в технологических процессах позволяет сократить трудоемкость многих операций, переводя их на непрерывный процесс, и получить конечные продукты в более чистом виде. Ионообменные фильтры используют в быту для получения мягкой воды, применяемой при приготовлении пищи, стирке, на другие хозяйственные нужды.
Как можно регенерировать ионообменную смолу
При насыщении смолы удаляемой группой ионов до проскока их в фильтрат происходит истощение ионита. Процесс восстановления первоначальной формы ионообменной смолы называется регенерацией.
Полезная обменная емкость катионита зависит от:
После истощения катионита его отключают на регенерацию ионообменной смолы. В промышленных установках продолжительность восстановления фильтра с ионообменной смолой составляет примерно 1,5-2 часа:
Взрыхляют катионитовый слой восходящей струей исходной воды, отработанным раствором после регенерации ионообменной смолы или отмывочным водным раствором.
Чем регенерируют ионообменные смолы
Существует несколько реагентов для процесса регенерации ионообменной смолы
Соль таблетированная для регенерации ионообменных смол
В связи с доступностью и небольшой стоимостью хлорида Na, он стал основным реагентом для восстановления фильтров с ионообменными смолами, используемых при водоподготовке. Образующиеся после восстановления поваренной солью MgCl2 и CaCl2 полностью растворяются в воде, в отличие от CaCO3, образуемом при регенерации карбонатом Na, или CaSO4 при применении сульфата Na.
Процесс регенерации ионообменной смолы можно представить:
Восстановление ионообменной смолы кислотой и щелочью
Кроме раствора поваренной соли промывку ионообменной смолы проводят кислотой (соляной, лимонной и т.д.) или щелочь. Это необходимо для регенерации специальных ионообменных смол, которые применяются для деминерализии воды. Данный процесс должен проводиться под контролем специалистов.
Расчет соли для регенерации ионообменной смолы
Расход NaCl (кг) на один цикл регенерации натриевого катионита рассчитывают по формуле:
Как провести регенерацию ионообменной смолы
В промышленных установках ионообменной фильтрации, восстановление сорбционной способности фильтра заложено в технологический процесс работы оборудования. Методику восстановления ионообменной смолы можно описать четырьмя ступенями.
Восстановление ионообменной смолы в домашних условиях
Регенерацию картриджей с ионообменной смолой бытовых фильтров можно проводить самостоятельно по мере их истощения с использованием технической поваренной соли. Также популярным вопросом является «Сколько регенерировать ионообменную смолу?». В зависимости от устройства фильтра, промывание проводится непосредственно в фильтрующем блоке или посредством регенерации ионообменной смолы в отдельном сосуде. Инструкция по регенерации ионообменной смолы:
Регенерация или замена: сколько раз можно регенерировать ионообменную смолу
Необходимая глубина умягчения при фильтровании воды через катионитовый фильтр может быть достигнута только при правильно выбранных и точно рассчитанных параметрах его работы. Регенерацию можно проводить много раз, но после каждого восстановления степень умягчения воды будет снижаться. Когда смола перестала восстанавливать свои первоначальные обменные свойства, картридж или загрузка фильтра подлежит замене на новый.
Мы знаем все о регенерации смол ионного обмена
Мы предлагаем ионообменные фильтры для бытового использования и промышленные установки для умягчения воды разной конструкции и обменной емкости, а также техническую поваренную соль для осуществления своевременной регенерации ионообменной смолы. Получить подробную консультацию и сделать заказ можно по телефону или электронной почте. Оформление заказа также возможно через форму обратной связи на сайте.
Сточные воды установки Na-катионирования воды. Состав. Способ утилизации
Na-катионитовое умягчение воды — пожалуй, самый распространённый процесс подготовки воды для различных производственных целей и питьевого потребления. Смысл данного процесса в том, что в воде происходит замещение растворённых многовалентных ионов на ионы натрия. В результате вода умягчается, и из воды удаляются тяжёлые металлы.
У данного процесса имеются два существенных недостатка. Первое — в умягчённой воде в качестве катионов содержится только натрий. Для производственных целей это иногда бывает полезно, но в основном это относят к недостаткам. И второе — самое главное — в процессе работы установки образуется большое количество высокоминерализованных сточных вод. Их минерализация составляет около 20 г/л, поэтому данные стоки нельзя сбрасывать в канализацию. Для сброса в канализацию допускается вода с минерализацией не более 1,0–1,5 г/л. Возникает вопрос, что делать с такими стоками: разбавлять или очищать (осаждать)?
На предприятиях, где установки умягчения воды потребляют совсем немного воды (в общем балансе водопотребления и водоотведения), сточные воды установки умягчения разбавляются естественным способом. То есть, если сброс воды с установки умягчения в общий канализационный коллектор предприятия составляет, предположим, 1 % от общих стоков предприятия, и остальные стоки слабоминерализованные, высокоминерализованные стоки установки умягчения не будут значительно влиять на общую минерализацию всех сточных вод. Таким образом, в данном случае не требуется дополнительная очистка сточных вод установки умягчения, так как происходит их естественное разбавление остальными стоками предприятия.
Но что делать, когда остальных стоков предприятия не хватает для естественного разбавления стоков установки умягчения или остальные из них — сами по себе уже высокоминерализованные? В этом случае требуется разбавление стоков исходной водой или уменьшение минерализации их путём осаждения из них солей.
Разбавление стоков установки умягчения, по логике, является довольно странным способом утилизации. Например, если минерализация исходной воды составляет 0,35 г/л, а объём фильтроцикла установки умягчения — 100 м³, то для получения сточной воды с минерализацией до 1 г/л потребуется в процессе регенерации после каждого фильтроцикла потребить ещё 70 м³ исходной воды с минерализацией 0,35 г/л, чтобы получить смешанные стоки с концентрацией солей 1,05 г/л. Получается некая глупость, некое экономически совершенно недопустимое условие. Для получения 100 м³ умягчённой воды требуется затратить 170 м³ исходной воды.
В таких условиях предприятия, естественно, просто сбрасывают стоки установки умягчения в канализацию без всякого разбавления.
Но, как было сказано, если для предприятий с небольшим количеством стоков от системы умягчения в общем балансе это вполне допустимо, то там, где умягчение имеет существенную долю в общем балансе водопотребления, необходимо применять технологии уменьшения минерализации сточных вод путём осаждения солей.
Для того, чтобы основательно разобраться в процессе осаждения солей высокоминерализованных сточных вод установки умягчения, необходимо чётко представлять себе их химический состав и понимать, за счёт чего он формируется.
На рис. 1 представлена схема установки умягчения с обозначенным химическим составом исходной воды, умягчённой воды, регенерационного раствора и образующихся сточных вод. А также указано, какие соли могут быть выведены в осадок, а какие возвращены в цикл регенерации. Фактически при использовании данной технологии осаждения в качестве стоков образуется только твёрдый шлам определённой влажности.
Рис. 1. Схема установки умягчения с обозначенным химическим составом исходной воды, умягчённой воды, регенерационного раствора и образующихся сточных вод
В исходной воде в качестве катионов содержится Ca, Mg, Na, а анионов — HCO3, SO4, Cl. В результате процесса Na-катионирования ионы Ca и Mg замещаются на ионы Na. В результате в умягчённой воде содержаться только катионы Na, при том, что анионный состав не меняется. После истощения катионита по ионам Na катионит регенерируют, пропуская через него раствор поваренной соли (NaCl) с концентрацией 6–8 г/л. В результате происходит замена ионов Na, содержащихся в регенерационном растворе, на ионы Ca и Mg, содержащиеся в катионите.
В процессе регенерации образуются сточные воды, в которых в качестве катионов содержатся Ca, Mg и Na, а в качестве анионов — только хлорид (Cl).
Получается, что в сточной воде установок умягчения содержаться три соли: CaCl2, MgCl2 и NaCl.
Хлорид кальция и магния можно осадить из сточной воды, добавляя в неё техническую и каустическую соду (Na2CO3, NaOH). То есть, если к данной воде добавить карбонат натрия и гидрат натрия, то будут протекать следующие химические реакции:
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 (осадок) + 2NaCl, (1)
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 (осадок) + 2NaCl. (2)
В результате в виде шлама будут образовываться соли карбоната кальция и гидрата магния. Взамен в обработанной таким образом сточной воде будет образовываться эквивалентное количество хлорида натрия.
Теоретически полученного хлорида натрия в обработанной сточной воде будет хватать для того, чтобы провести очередную регенерацию установки умягчения воды. Поэтому сточную воду после осаждения из неё солей жёсткости можно использовать в качестве регенерационного раствора для катионита установки умягчения. Получается своего рода регенерационный цикл, из которого выводятся соли жёсткости и одновременно добавляется эквивалентное количество Na. При этом анионный состав воды никак не меняется.
Фактически мы получаем процесс, в котором в качестве соли для регенерации катионита используется не поваренная соль NaCl, а каустик (едкий натр) и сода — NaOH и Na2CO3.
Технико-экономические расчёты показывают, что стоимость каустика и соды для одной регенерации меньше, чем стоимость поверенной таблетированной соли. И это при том, что происходит утилизация сточных вод. То есть сточные воды практически отсутствуют, и при этом стоимость соли для регенерации уменьшается, так как меняется её состав.
Для наглядного представления данной технологии утилизации сточных вод установки умягчения рассмотрим пример. Допустим, имеется необходимость в умягчении воды следующего состава:
Производительность по умягчённой воде должна быть не менее 5 м³/ч.
Рассчитаем требуемый диаметр фильтра умягчения.
Для этого необходимо найти требуемую площадь фильтрования, которую определяем путём деления часовой производительности на линейную скорость фильтрования: 5/25 = 0,2 м², где 25 — рекомендуемая линейная скорость фильтрования для первой ступени умягчения, м/ч. Теперь определяем диаметр фильтра:
На основании диаметра, равного 0,5 м, выбираем корпус фильтра типоразмером 18–65. Номинальный диаметр данного корпуса — 0,45 м.
Реальная площадь фильтрования равна 0,45×0,45×0,785 = 0,16 м². Высота слоя катионита в корпусе — 1,1 м. Получается, что общий объём смолы в корпусе равен 0,16×1,1 = 176 л смолы.
Общая обменная ёмкость катионита, засыпанного в фильтр, равна 176×1,2 = 211 г-экв, где 1,2 — удельная обменная ёмкость 1 л смолы, г-экв/л. Фильтроцикл установки умягчения равен 211/(2 + 1) = 70 м³.
Рассчитаем количество поваренной соли необходимой для регенерации катионита после завершения фильтроцикла:
NaCl — 176×150 = 26400 г. или 26,4 кг,
где 150 г/л — удельный расход поваренной соли для регенерации одного литра катионита.
Рассчитаем количество требуемого регенерационного раствора с концентрацией NaCl, равной 7, 4 % или 80 г/л, которое составит: 26400/80 = 330 л. То есть для того, чтобы отрегенерировать катионит, требуется 330 л. 7, 4 % раствора поваренной соли.
После непосредственно регенерации требуется отмыть катионит от продуктов регенерации. Для отмывки катионита используется исходная вода — на отмывку 1 л катионита требуется около 7 л исходной воды. Получается, что для отмывки 176 л катионита требуется 176×7 = 1232 л исходной воды. Итого на регенерацию тратится 330 + 1232 = 1562 л исходной воды, при это тратится 26,4 кг поваренной соли. Соответственно, средняя минерализация получаемых сточных вод составит 26400/1562 = 16,7 г/л.
Минерализацией исходной воды можно пренебречь как незначительной по отношению к минерализации регенерационного раствора и воды отмывки.
Все сточные воды необходимо собрать в бак. Затем в бак добавляется (с небольшим превышением от необходимого эквивалентного количества) гидрат натрия и карбонат натрия. Начинается процесс образования шлама карбоната кальция и гидрата магния. После завершения реакции шлам выводится в нижней части бака, а из верхней части забирается раствор с концентрацией около 17 г/л, но содержащий в своём составе только соли NaCl. В данный раствор необходимо добавить соляную кислоту для связывания гидрата натрия в поваренную соль и уменьшения показателя рН раствора. Затем известными способами (выпарка или обратный осмос) необходимо сконцентрировать данный раствор до рабочей концентрации 6– 8 %. И уже этот рабочий раствор можно направлять на следующую регенерацию катионита. Как видно, сточные воды в таком режиме работы установки умягчения отсутствуют. Поваренная таблетированная соль используется только при проведении первой регенерации катионита.
Далее, для регенерации и одновременно утилизации сточных вод используется только техническая и каустическая сода. Та часть поваренной соли (примерно половина от общего количества), которая обеспечивает процесс ионообмена Na из регенерационного рабочего раствора на Ca и Mg, всё время остаётся в контуре и никуда не выводится. Она попадает в регенерационный контур при первой регенерации. Количество Na, замещаемого на смоле на ионы жёсткости, поступает в регенерационный контур с технической и каустической содой, при этом обеспечивая процесс шламообразования из солей жёсткости.
Можно сказать, что суммарное количество технической и каустической соды будет примерно в два раза меньше, чем количество таблетированной соли, требующейся для одной и той же регенерации. Поэтому при примерно одинаковых стоимости соды и таблетированной соли общие затраты на регенерацию будут в два раза ниже при использовании соды в условиях осаждения солей жёсткости.
Проведём примерный технико-экономический расчёт стоимости эксплуатации установки Na-катионирования воды с системой утилизации сточных вод, образующихся при процессе регенерации катионита.
Для начала используя данные выше представленного примера проведём расчёт требуемого количества технической и каустической соды для одной регенерации катионита и, соответственного, одного осаждения солей жёсткости.
Рассчитаем количество образующихся на катионите катионов Ca и Mg за один фильтроцикл. Доля кальция в общей жёсткости — 2/(2 + 1) = 0,67, отсюда 211×0,67 = 141 г-экв; доля магния в общей жёсткости — 1/(2 + 1) = 0,33, поэтому 211×0,33 = 70 г-экв. В соответствии с уравнением реакции (1) для осаждения 1 моля хлорида кальция требуется 1 моль карбоната натрия. Получаем, что для осаждения 141 г-экв хлорида кальция требуется 141 г-экв карбоната натрия, или на 70,5 моль хлорида кальция требуется 70,5 моль карбоната натрия. Тогда:
Na2CO3–70,5×106 = 7473 г.,
где 106 г/моль — молярная масса Na2CO3.
Для осаждения 70 г-экв хлорида магния требуется 70 г-экв гидрата натрия, или на 35 моль хлорида магния требуется 70 моль гидрата натрия:
NaOH — 70×40 = 2800 г.,
где 40 г/моль — молярная масса NaOH.
С учётом произведения растворимости необходимо добавлять техническую и каустическую соду с небольшим избытком. Окончательно примем, что для полного осаждения солей жёсткости требуется следующее количество реагентов:
Na2CO3–7473×1,1 = 8220 г.,
NaOH — 2800×1,1 = 3080 г.
Для перевода избыточного гидрата в воду с образованием хлорида натрия в сточную воду после осаждения необходимо дозировать соляную кислоту. Расход соляной кислоты будет равен избыточному количеству гидрата в сточной воде. Для данного примера на 1 моль Na2CO3 будет тратиться 0,5 моль HCl и на 1 моль NaOH будет тратиться 1 моль HCl. Получаем:
HCl — 7,05×36,5 + 7×36,5 = 513 г.
Таким образом, общая стоимость реагентов для одной регенерации составит:
Na2CO3–8220×25 = 205,5 руб.,
где 25 руб/кг — средняя стоимость 1 кг технической и каустической соды при оптовых закупках. 100 руб/кг — стоимость 1 кг соляной кислоты.
NaOH — 2800×25 = 70 руб.,
HCl — 0,5×100 = 50 руб.
Итого стоимость реагентов для одной регенерации: 205 + 70 + 50 = 325 руб.
Если предположить, что в сутки производится две регенерации, то общее количество регенераций в год составит 660. Таким образом, годовые затраты на реагенты составят 660×325 = 214,5 тыс. руб/год.
Рассчитаем годовую стоимость поваренной таблетированной соли в случае, если бы регенерация проводилась таблетированной солью. На одну регенерацию тратится 26,4 кг таблетированной соли. При средней стоимости 1 кг соли, равной 25 руб., получаем 26,4×660×25 = 435,6 тыс. руб/год.
В случае очистки сточной воды при помощи соды экономия по сравнению с вариантом, где используется таблетированная соль, составляет половину. При этом отсутствуют высокоминерализованные стоки от процесса регенерации установки умягчения.
Ещё одним важным достоинством применения соды является то, что независимо от того, сколько натрия содержится в исходной воде, не будет требоваться уменьшения фильтроцикла для компенсации его влияния или увеличения расход соли на регенерацию. Потому что количество ионов жёсткости в любом случае будет выводится из воды в очень близком соотношении к стехиометрическому. При этом для обеспечения ионообмена можно поддерживать сколь угодно много «инертного» хлористого натрия в регенерационном контуре. Это обстоятельство позволяет экономить существенное количество соли в случае очистки воды с изначальным большим содержанием натрия, который значительно уменьшает обменную ёмкость катионита и требует большего количества соли для его регенерации.
Вернёмся к вопросу концентрирования очищенных сточных вод до 70–80 г/л. Данная минерализация раствора позволяет осуществлять регенерацию катионита. После удаления из сточной воды ионов жёсткости вода имеет концентрацию около 16–20 г/л. Необходимо сконцентрировать соли натрия в этой воде, то есть в 4,5–5 раз. Принципиально для этих целей можно использовать два метода — выпаривание и обратный осмос.
На первый взгляд выпаривание воды представляется более экономически предпочтительным для данной задачи получения концентрированного раствора. Но на практике соответствующее оборудование будет занимать много места и требовать постоянной эксплуатации и обслуживания. Также выпарная установка обязательно потребует теплоносителя и холодоносителя, что значительно усложняет принципиальную схему и, соответственно, автоматизацию процесса.
Для этой цели гораздо эффективнее, по крайней мере для небольших установок умягчения, использовать обратный осмос. В процессе обратноосмотического разделения воды образуется насыщенный концентрат и фильтрат с низкой минерализацией. Как правило, фильтрат является основным продуктом установки обратного осмоса. Но в данном случае именно концентрат является искомым продуктом, так как при четырёхкратном концентрировании исходной воды с минерализацией 20 г/л он будет содержать 80 г/л солей натрия. И именно этот концентрат используется как регенерационный рабочий раствор катионита установки умягчения. Получаемый при этом фильтрат полностью возвращается в очищенную воду, так как является высококачественной очищенной водой.
Конструктивно установка обратного осмоса представляет обычный осмос для опреснения морской воды. Из-за того, что требуется получить концентрат с минерализацией около 80 г/л, давление для процесса обратноосмотического разделения составит около 80–82 бар, что является предельно допустимым давлением для мембран типа SW. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании подобных установок.
Основным недостатком применения обратного осмоса для этих целей является большое потребление электрической энергии для обеспечения процесса обратноосмотического разделения воды. Тем не менее, оборудование компактное, полностью автоматизированное и не требует других энергоносителей, кроме электрической энергии.
Система утилизации сточной воды на основе обратного осмоса полностью автоматизированная и не требует постоянного обслуживающего персонала.
Выводы
1. Утилизация сточных вод установки Na-катионитового умягчения воды путём разбавления не имеет экономического смысла, так как количество воды, потребляемое установкой, в некоторых случаях возрастает до 10 0 %.
2. Утилизация сточных вод установки умягчения методом осаждения солей жёсткости при помощи каустической и технической соды с последующей корректировкой соляной кислотой представляется высокоэффективным процессом, в результате которого значительно экономятся реагенты для регенерации установки умягчения и полностью отсутствуют сточные воды. В результате процесса образуется только шлам определённой влажности.
3. Применение технологии обратноосмотического обессоливания воды с целью получения концентрата насыщенного солями натрия в качестве регенерационного рабочего раствора для установки умягчения представляется довольно эффективной технологией. Данный процесс простой, полностью автоматизированный и не требующей постоянного эксплуатационного персонала.