2015-10-22
16535
В технологии водоподготовки применяются два основных процесса для удаления из воды ионизированных примесей: катионирование и анионирование. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрий-катионирование, натрий-катионитный фильтр; H (водород)-катионирование, H-катионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитный фильтр. Соответственно называется фильтрат, полученный в этих процессах: Na-катионированная вода, H-катионированная вода, OH-анированная вода и т.п. Процессы Na-катионирование имеет самостоятельное значение и используется для умягчения воды, в то время как процессы H - и OH-ионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды.
Н-катионирование может осуществляться в схемах H-Na-катионирования воды. Процессы ионирования воды на водоподготовительных установках реализуются в насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действия.
Na-катионирование. Этот процесс применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca2+ и Mg2+, обуславливающие жесткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na2+:
|
|
|
| 2 R Na + Ca2+ «R 2Ca + 2Na+, | (4.6) |
| 2 R Na + Mg2+ «R 2Mg + 2Na+, | (4.7) |
где R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.
Остаточная жесткость фильтра при Na-катионировании может быть получена при надлежащих условиях регенерации фильтра на уровне 5 - 10 мкг-экв/дм3, что является определяющим при реализации этого процесса.
Анионный состав Na-катионированной воды остается неизменным, поэтому карбонатная жесткость исходной воды переходит в гидрокарбонат натрия, что можно пояснить реакцией:
| Ca(HCO3)2 + 2NaR ® R 2Ca + 2NaHCO3. | (4.8) |
Это соединение, попадая с подпиточной водой в котел, превращается в конечном итоге в гидроксид натрия по реакциям:
| 2NaHCO3 + H2O ® Na2CO3 + CO2 + H2O, | (4.9) |
| Na2CO3 + H2O ® 2NaOH + CO2, | (4.10) |
который может инициировать щелочную коррозию.
Неизменность величины щелочности при Na-катионировании является основным недостатком этого процесса, поэтому он может иметь самостоятельное значение только при подготовке воды для подпитки теплосети и добавочной воды для котлов низкого и среднего давлений при сравнительно низкой щелочности исходной воды. Второй недостаток рассматриваемой технологии определяется увеличением солесодержания фильтрата при выражении его в массовых единицах, что связано с эквивалентными массами ионов Na+ (23 единицы),Ca2+ (20 единиц) и Mg2+ (12 единиц). Напомним, что ионный обмен характеризуется эквивалентностью, поэтому из воды удаляются ионы с меньшей эквивалентной массой (Ca2+, Mg2+), а их место занимает ион натрия с большей эквивалентной массой.
|
|
|
Процесс умягчения при Na-катионировании заканчивается при наступлении проскока жесткости (рис. 4.10), после чего истощенный катионит в фильтре надо регенерировать, т.е.восстанавливать его способность к обмену ионами. Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 - 10% раствора NaCl. Вследствие относительно большой концентрации ионов Na+ в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Ca2+ и Mg2+ по реакциям:
Рис. 4.10. Выходная криваяNa-катионитногофильтра
| R 2Ca + n Na+ «2 R Na + Ca2+ + (n - 2)Na+, | (4.11) |
| R 2Mg + n Na+ «2 R Na + Mg + (n - 2)Na+, | (4.12) |
где n - избыток NaCl против его стехиометрического расхода.
Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком (n). При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован лобовой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном растворе ионов Ca2+ и Mg2+, вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенеранта ионами Na+. Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической NaCl ионами Ca2+ и Mg2+.
Эффект прироста обменной емкости с увеличением расхода соли при регенерации показан на рис. 4.11, из которого следует, что эффект прироста обменной емкости с увеличением удельного расхода более 300 г/г-экв заметно снижается. Поясним, что 300 г NaCl на 1 г-экв вытесняемых ионов жесткости при эквивалентной массе NaCl равной 58.5 г соответствует300/58.5 = 5.13 г-экв избытка соли, т.е. n = 5.13 г-экв/г-экв. На практике расход соли на регенерацию принимают в пределах 120 - 140 г/г-экв по экономическим и экологическим соображениям, поэтому рабочая обменная емкость (E р) не достигает значения полной. Ограничение расхода соли позволяет уменьшить ее количество в сточных регенерационных водах, так как непосредственно на вытеснение из катионита 1 г-экв поглощенных ионов расходуется 1 г-экв ионов натрия. Таким образом, в сточных водах будет содержаться для рассматриваемых условий (n = 2.4 г-экв/г-экв = 140 г/г-экв) на каждый вытесненный 1 г-экв ионов Ca2+ и Mg2+ - 1.4 г-экв ионов Na+ и 2.4 г-экв ионов Cl-.
Рис. 4.11. Влияние расхода соли на эффект регенерации катионита
Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора ограничивают пределами 4 - 6 м/ч при высоте слоя катионита 1.5 - 2.0 м. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям работы фильтра.
Регенерацию ионита в фильтрах можно проводить несколькими способами, которые отличаются друг от друга направлениями потоков обрабатываемой воды и регенерационного раствора. При совпадении направлений потока воды и регенерационного раствора, подаваемых обычно сверху - вниз, регенерацию называют параллельно-точной, такая регенерация создает невыгодные условия для процесса умягчения из-за распределения ионов Na+ и ионов жесткости в слое отрегенерированного материала (рис. 4.12, а). На выходе из слоя катионита умягчаемая вода, в которой резко снижена концентрация ионов жесткости, проходит через участки плохо отрегенерированного катионита и поэтому не может глубоко умягчаться. Кроме того, такое обстоятельство может привести к переходу некоторой части ионов жесткости из катионита в воду. При противоточной регенерации регенерационный раствор подается в направлении, противоположном подаче потока обрабатываемой воды, при этом наиболее полно регенерируются выходные (по воде) слои катионита (рис. 4.12, б). Это позволяет не только сохранить постоянное значение остаточной концентрации ионов в фильтрате, но и получить фильтрат более высокого качества при сниженных избытках реагента и, следовательно, меньших объемах сточных вод. Эффективная противоточная технология позволяет сократить количество ступеней очистки воды за счет повышения качества фильтрата. К недостатку противоточной регенерации относится усложнение конструкции фильтра, связанное с недопущением перемешивания слоев ионита при подаче раствора или воды в нижнюю часть фильтра.
|
|
|
Рис. 4.12. Характер изменения остаточных концентрацийионов Ca2+и Mg2+в слое катионита и остаточная жесткость фильтрата при прямоточной(а)и противоточной(б)регенерациях
Для сокращения расхода реагентов с использованием параллельно-точной технологии регенерации применяют двухступенчатую схему Na-катионирования, т.е. последовательное включение двух фильтров. Фильтр 1 ст. регенерируется с относительно наибольшем избытком NaCl (n = 1.8 - 2.4), поэтому остаточная жесткость фильтрата получается высокой, науровне 0.1 мг-экв/дм3. Фильтр 2 ст. регенерируется с 6.5 - 7.5-кратным избытком соли, поэтому остаточная жесткость воды снижается со 100 до 5 - 10 мкг-экв/дм3. Технико-экономическиерасчеты показали, что, несмотря на увеличение количества фильтров в двухступенчатой схеме, последняя имеет преимущества перед одноступенчатой схемой за счет снижения расхода NaCl при равноценном качестве умягченной воды.
H-катионирование. Обработка воды методом H-катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Вода за H-катионитнымифильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na-катионированием или анионированием. Обмен катионов при H-катионировании протекает согласно реакциям:
|
|
|
| 2 R H + Ca2+ «R 2Ca + 2H+, | (4.13) |
| 2 R H + Mg2+ «R 2Mg + 2H+, | (4.14) |
| R H + Na+ «R Na + H+. | (4.15) |
Выделяющиеся ионы H+ реагируют в обрабатываемой воде с гидрокарбонатными ионами:
| H+ + HCO3 «CO2 + H2O. | (4.16) |
Остаточная кислотность фильтрата после завершения реакции (4.16) с учетом равенства эквивалентных концентраций катионов и анионов будет равна:
| C H+ = (S Ан - С HCO3-)исх = (С SO42- + C Cl-)исх, | (4.17) |
что позволяет контролировать полноту обмена ионов при H-катионировании по кислотности и по известным показателям качества поступающей на фильтр воды. При наличии в исходной воде ионов NO3 - и NO2 - они также должны быть учтены в расчетной оценке кислотности H-катионированной воды.
Сорбция катионов Ca2+, Mg2+ и Na+ ионитом осуществляется в соответствие с расположением этих ионов в ряду селективности (Ca2+ > Mg2+ > Na+), поэтому в слое H-катионита сверху располагается зона поглощения иона Ca2+, ниже - иона Mg2+ и далее - иона Na+. Эти три зоны по мере истощения H-катионита передвигаются одна за другой по направлению к нижней границе слоя ионита и первым обнаружится проскок иона Na+.
В работе H-катионитного фильтра можно выделить два основных периода (рис. 4.13):
Полное поглощение всех катионов (абсцисса O a). Фильтрат имеет кислотность, равную (С Cl- + С SO42-)исх. В точке a наблюдается проскок иона Na+.
Появление нарастающей концентрации иона Na+. В этот период концентрация иона Na+ постепенно возрастает, а кислотность начинает снижаться за счет уменьшения количества вытесняемых ионов H+. К моменту достижения начального содержания иона Na+ в исходной воде его поглощение прекращается, но происходит обмен в катионитеионов Ca2+ и Mg2+ исходной воды на сорбированный катионитом ион Na+ до его полного вытеснения. В этот момент (точка E) появляется проскок жесткости.
Рис. 4.13. Изменение качества H-катионированной воды:
1 – концентрация Na+ в исходном растворе; 2 – жесткость исходного раствора; 3 – концентрация Na+ в фильтрате; 4 – жесткость фильтрата; точки: a – проскок Na+, b – отсутствиепоглощения Na+, c – максимум вытеснения Na+ из катионита, d – окончание вытеснения Na+, e – начало проскока жесткости, f – выравнивание жесткости в фильтрате и в исходном растворе
Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов кислотность фильтрата после проскока ионов Na сначала уменьшается и достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая исходных значений при обмене ионов Ca2+ и Mg2+ на Na+. Эффект умягчения воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Na-катионировании.
Работа фильтра до проскока ионов Na+ или ионов жесткости зависит от технологической схемы его использования, соответственно изменяется его рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na+ или жесткости.
Для регенерации истощения H-катионита по технико-экономическим соображениям в условиях России используется обычно H2SO4 концентрацией 1.0 - 1.5% (на некоторых установках применяются HCl и HNO3). Процесс регенерации характеризуется следующими реакциями:
| R 2Ca + n H+ «2 R H + Ca2+ + (n - 2)H+. | (4.18) |
| R 2Mg + n H+ «2 R H + Mg2+ + (n - 2)H+, | (4.19) |
| R Na + n H+ «R H + Na+ + (n - 1)H+. | (4.20) |
Ограничение концентрации раствора H2SO4 связано с возможностью выделения на зернах регенерируемого катионита трудно растворимого CaSO4, т.е. его загипсовывания. Следующим мероприятием для борьбы с загипсовыванием катионита является ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом, что реализуется на практике увеличением скорости пропуска 1.5%-ного раствора H2SO4 до не менее 10 м/ч.
Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра, схема которого приведена на рис. 4.14.
Рис. 4.14. Схема противоточного ионитного фильтра ФИПр:
1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды; 3 – подвод промывочной воды общий; 4 – подвод промывочной воды в нижнее распределительное устройство (РУ); 5 – подводпромывочной воды в блокирующее РУ; 6 – отвод промывочной воды; 7 – подвод регенерационного раствора в нижнее РУ; 9 – подвод регенерационного раствора в блокирующее РУ;10, 11 – дренаж; 12 – гидрозагрузка; 13 – гидровыгрузка; 14 – подвод воды для взрыхления в среднее РУ; 15 – подвод воды для взрыхления в нижнее РУ
D модель
Конструкция фильтра, изготавливаемого на ТКЗ предусматривает кроме верхнего и нижнего распределительных устройств (РУ), также среднее и блокирующее РУ, расположенные соответственно на глубине 0.3 м и у входной поверхности слоя ионита. Среднее распределительное устройство предназначено для равномерного сбора отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды, подаваемых через нижнее (80%) и блокирующее РУ (20%). Блокирующее РУ служит для подвода раствора реагента или отмывочной воды, используемых одновременно для регенерации и зажатия блокирующего слоя ионита. Взрыхлению подвергается только блокирующий слой ионита, а через 10 - 20 фильтроциклов взрыхляется весь слой.
Промежуточным вариантом между противоточной и прямоточной регенерацией является двухпоточно-противоточная регенерация, осуществляемая в фильтре по схеме, приведеннойна рис. 4.15. Среднее РУ заглублено в ФИПр-2П на 0.6 и 1.0 м соответственно для фильтров, загруженных анионитом или катионитом. Конструкция двухпоточно-противоточного фильтра позволяет использовать его как в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации, так и в режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации. При любом режиме работы в выходном слое ионита осуществляется принцип противоточного ионирования, при котором обрабатываемая вода перед выходом из фильтра соприкасается с хорошо отрегенерированными слоями ионита, благодаря чему обеспечивается высокое качество фильтрата при сокращенных расходах реагентов на регенерацию ионита. При работе фильтра в режиме двухпоточного фильтрования взрыхлению подвергается весь слой ионита, при однопоточном фильтровании - только верхний слой, а взрыхление всего слоя производится через 10 - 20 фильтроциклов. При работе фильтра в режиме однопоточного фильтрования и двухпоточной регенерации 40% раствора реагента пропускается через верхний слой ионита, 60% - через нижний. При режиме двухпоточного фильтрования и однопоточной регенерации весь регенерационный раствор проходит через оба слоя ионита сверху - вниз.
Рис. 4.15. Схемадвухпоточно-противоточногоионитногофильтра ФИПр-2П:
1 – подвод исходной воды; 2 – отвод обработанной воды или отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 3 – подвод исходной воды или отвод отработанной воды;4 – подвод регенерационного раствора; 5 – подвод воды для взрыхления; 6 – подвод регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – подвод отмывочной воды; 8 – отвод отработанного регенерационного раствора и отмывочной воды; 9 – дренаж; 10 – подвод взрыхляющей воды, дренаж
Значения оптимального удельного расхода серной кислоты в зависимости от содержания в исходной воде Cl- и SO42- ионов, определяющих величину противоионного эффекта, показаны нарис. 4.16 применительно к H-катионитным фильтрам 1 ст. при параллельном токе и противотоке. Помимо экономии серной кислоты, при противотоке снижается содержание ее в сбросных регенерационных водах, что облегчает нейтрализацию сбросов.
Рис. 4.16. Удельный расход серной кислоты на регенерациюH-фильтров1 ступени:
1 – параллельный ток; 2 – противоток
Теоретические представления о динамике ионного обмена в совокупности с обработкой экспериментальных данных позволили обобщить влияние различных факторов на время наступления проскока заданных концентраций примесей в ионитных фильтрах. Расчетное уравнение для выходной кривой ионирования на катионите КУ-2-8 имеет вид:
 ,
| (4.21) |
где t - время фильтрования до заданной величины проскока, ч; w - скорость фильтрования, м/ч; d - диаметр зерна катионита, мм; h сл - высота слоя катионита, м; j = C ф/C0; b = C0/q0; C 0 и C ф - концентрации иона соответственно исходная и в фильтрате; q 0 - концентрация иона, сорбированного единицей объема катионита.
Уравнение (4.21) получено на кафедре ТВТ МЭИ (ТУ) А.А. Громогласовым.
Анионирование воды ведется с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксила. При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в обмен на ионы ОН- и Н+, т.е. осуществляется химическое (ионитное) обессоливание воды. При фильтровании через слой анионита осуществляется сорбция анионов согласно реакциям:
| R OH + Cl- «R Cl + OH-, | (4.22) |
| 2 R OH + SO42- «R 2SO4 + 2OH-. | (4.23) |
Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот H2CO3 и H2SiO3 и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов:
| R OH + H+ + HCO3- «R HCO3 + H2O, | (4.24) |
| R OH + H+ + HSiO3 «R HSiO3 + H2O. | (4.25) |
С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов (E АН ³ E АВ), а также способности только последних сорбировать анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный анионит, удаляющие ионы SO42- и Cl-; на второй ступени в фильтры загружается сильноосновный анионит, предназначенный главным образом для обескремнивания воды.
Согласно ряду селективности в анионитном фильтре 1 ст. первыми проскакивают в фильтрат ионы Cl-, поэтому время выхода на регенерацию этого фильтра сопоставляют с концентрацией хлоридов; отключение анионитных фильтров 2 ст. на регенерацию проводят на основании контроля фильтрата по кремнекислоте.
Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:
| R Cl + n OH- «R OH + Cl - + (n - 1)OH-, | (4.26) |
| R 2SO4 + n OH- «2 R OH + SO42- + (n - 2)OH-, | (4.27) |
| R HCO3 + n OH- «R OH + HCO3- + (n - 1)OH-, | (4.28) |
| R HSiO3 + n OH- «R OH + HSiO3- + (n - 1)OH-. | (4.29) |
Избыток щелочи (n) при регенерации слабоосновных анионитов при поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/дм3 (рис. 4.17). Для снижения удельного расхода щелочи регенерацию параллельно-точных анионитных фильтров 2 и 1 ступеней проводят последовательно, либо используют противоточную или ступенчатопротивоточную технологию.
Рис. 4.17. Удельный расход NaOH на регенерацию анионитаАВ-17при обескремнивании воды:
1, 2 3, 4 – остаточное кремнесодержание фильтрата, соответственно 0.16; 0.12; 0.10; 0.08 мг/дм3 при расходе NaOH 100, 120, 150, 200 кг/м3
При проектировании технологии химического обессоливания учитывают, что наличие в H-катионированной воде свободной углекислоты, более сильной, чем кремниевая, уменьшает кремнеемкость анионита и вызывает более ранний проскок ионов HSiO3 - в фильтрат. Поэтому перед поступлением H-катионированной воды на слой сильноосновного анионита из нее необходимо возможно более полно удалить CO2, для чего в схему включается декарбонизатор. Еще сильнее снижает кремнеемкость анионита наличие в H-катионированной воде ионов Na+, так как помимо истощения анионита анионами, уравновешивающими эти катионы, увеличивается концентрация в фильтрате противоионов (OH-), что резко ухудшает глубину обескремнивания воды. С учетом приведенных фактов схемы обессоливания создаются, как правило, в виде двухступенчатых, содержащих основное оборудование, приведенноена рис. 4.18.
Рис. 4.18. Принципиальная схема двухступенчатого химического обессоливания:
H1 и H2 – катионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней; A1 и A2 – анионитные фильтры 1-ой и 2-ой ступеней с загрузкой соответственно низкоосновными и высокоосновными анионитами, Д – декарбонизатор, БДВ – бак декарбонизованной (частично обессоленной) воды; H2SO4 – кислота для регенерации H-катионитных фильтров; NaOH – едконатриевая щелочь для регенерации OH-анионитных фильтров
Установки двухступенчатого химического обессоливания надежны в работе. Они обеспечивают высокое качество обработанной воды, отвечающее эксплуатационным нормам питательной воды барабанных котлов сверхвысокого давления.
Регенерация ионитов
После истощения емкости поглощения Н-катионитовые фильтры регенерируют кислотой. Десорбция ионов, поглощение которых описывается выпуклой изотермой, чаще всего идет по вогнутой изотерме и, следовательно, требует обязательного избытка реагентов по сравнению со стехиометрическим количеством. Ряд десорбции будет обратным ряду сорбируемости ионов.
В свое время предложено было выражать конечный результат регенерации через восстановленную обменную емкость, а степень регенерации — через отношение восстановленной обменной емкости к полной.
На степень регенерации ионитов влияют такие факторы, как тип ионита, состав насыщенного слоя, природа, концентрация и расход регенерирующего вещества, температурные условия, время контакта. Наиболее важной для расчета экономичности процесса является зависимость степени регенерации от расхода реагентов (расход реагентов выражают несколькими способами: в эквивалентах на эквивалент полной обменной емкости ионитов; в эквивалентах на эквивалент рабочей обменной емкости; в кг реагента на 1 м3 фильтрующего слоя ионитов; в г на эквивалент содержания солей в очищаемой воде; в процентах от величины рабочей обменной емкости).
Результаты ранних работ по обессоливанию, где экспериментальные данные по регенерации были неразрывно связаны с последующим рабочим процессом обессоливания конкретной воды, использовать для иных условий невозможно. Общие закономерности регенерации исследованы в работах, в которых показана целесообразность неполной регенерации катионитов и частичного повторного использования последних фракций регенерата. Вопрос о затрате реагентов на регенерацию рассматривался также с позиций равновесной динамики сорбции.
Уравнения зависимости полноты регенерации от расхода реагентов, выраженной через константы обмена, но без учета кинетических факторов, оказались недостаточно точными, особенно при регенерации анионообменных фильтров. С учетом внутридиффузионного характера кинетики процесса и состояния, предшествующего регенерации, расчеты велись послойным методом с помощью ЭВМ.
Вначале определяется рабочий период до проскока при Н-катионировании раствора заданного состава при полностью отрегенерированном катионите; затем, зная распределение ионов по слою, решают послойно задачу распределения извлекаемых ионов в зависимости от расхода реагента, затем снова считают распределение ионов в цикле сорбции и т. д. Расчеты показали, что после 2—3 полных циклов сорбции — десорбции состояние сорбента и состав Н-катионированной воды стабилизируются. По программе рассчитывают влияние концентрации кислоты, ее расхода, скорости пропускания и т. д. Условием, разрешающим использование программы, является наличие справочных данных о константах обмена данных ионов на данных ионитах и коэффициентов диффузии в них сорбируемых (десорбируемых) веществ. Необходима также н некоторая предварительная экспериментальная работа, позволяющая определить слойность данной колонки путем наложения экспериментальной выходной кривой на набор теоретически рассчитанных выходных кривых.
При противоточной регенерации возникают некоторые особенности. Прежде всего, регенерация идет через слой ионита, полностью насыщенный извлекаемыми ионами, а это приводит к некоторой экономии реагентов по сравнению с регенерацией не полностью отработанного фильтра. Из сравнения данных послойного расчета на ЭВМ прямоточной и противоточной регенераций катионита КУ-2 можно сделать вывод о следующих преимуществах последней: при равных затратах реагента несколько увеличивается степень регенерации, меньшую роль играет концентрация кислоты. В то же время при противоточной регенерации освобождение слоя катионита от ионов натрия затруднительно и для полного их извлечения требуется намного больший расход реагентов. Поэтому противоточную регенерацию практически невозможно вести в режиме так называемой «голодной» регенерации, а ожидаемое улучшение качества фильтра благодаря отсутствию в нижнем слое катионита извлекаемых ионов реализуется только в начале рабочего периода фильтра.
Противоточная регенерация представляет наибольший интерес при работе с минерализованной водой, содержащей мало натрия, или для умягчения воды. К недостаткам противоточной регенерации относится необходимость работы на фильтре, имеющем устройство для сохранения неподвижности слоя катионита при подаче раствора снизу вверх. По совокупности указанных причин этот способ регенерации не нашел широкого применения при Н-катионировании.
В чередующихся актах сорбции—десорбции уже после 2—3 фильтроциклов распределение ионов в слое ионита стабилизируется, а величина восстановленной при регенерации обменной емкости фактически лимитируется десорбцией наиболее трудно извлекаемого иона.
Для случаев, когда распределение ионов после регенерации не имеет значения, предложено аналитическое описание регенерации в виде эмпирического уравнения. Через колонки с ионитами в заданной солевой форме при высоте слоя 40 см пропускали по одному эквиваленту регенерирующего раствора различной концентрации. В фильтрате, соединенном с промывной водой, определяли содержание извлеченных ионоэ и отношение восстановленной емкости к полной, характеризующей эффективность регенерации. Установлено, что оптимальной концентрацией при регенерации катионитов КУ-2 и КУ-1, сульфоугля, КБ-4П2 в кальциевой форме являются соответственно 2,0, 1,05, 0,5 и 0,1 н. растворы НСl. Катионит КУ-2 в натриевой форме лучше регенерировать 0,5—0,7 н. раствором НСl. Для анионитов АВ-17, ЭДЭ-10П и АН-31 оптимальными являются соответственно 0,5, 0,25 и 0,25 н. растворы NaOH.
Последующие опыты проводили уже с выбранными оптимальными растворами. Для этого каждый ионит в заданной солевой форме загружался в пять-шесть одинаковых колонок и через них со скоростью 2—3 м/ч пропускали соответственно 1, 2, 3, 4, 5 и 6 эквивалентов кислоты или щелочи с последующей отмывкой водой. В регенератах, соединенных с промывной водой, определяли содержание извлеченных ионов. Получали набор зависимостей степени регенерации от расхода реагентов, в эквивалентах на эквивалент полной обменной емкости ионита.
Анализ опытных данных показал, что каждый последующий эквивалент реагента дает приблизительно такой же эффект, если отнести его к оставшейся в колонке части сорбированных ионов.
Для практически полной регенерации катионнта КУ-2 от ионов кальция (95—97%) требуется примерно 6 эквивалентов кислоты на 1 эквивалент полной обменной емкости ионита.
Для полного удаления ионов натрия достаточно 2,5 эквивалента кислоты на 1 эквивалент полной обменной емкости катионита. В практике водоподготовки при работе с катионитом КУ-2 на регенерацию подают 1 эквивалент серной кислоты на 1 эквивалент полной обменной емкости катионита (80—100 кг/м3 ионита). Восстановленная емкость при этом составляет 60% от полной, т. е. около 800 экв/м3. Причем нижние слои в колонне обогащены главным образом трудно десорбируемыми катионами кальция и магния.
