Физико-химические основы ионного обмена

Лекция 5. Обработка воды методами ионного обмена

Классификация фильтров

Фильтрующие материалы

Фильтрующие материалы должны иметь определенные качества, соответствовать требованиям, предъявляемым к механической и химической стойкости, иметь определенный гранулометрический состав.

1. Гранулометрический состав.

Высота слоя, мм: 700 2000

Однослойный: 0,7-0,8 1,1-1,2

Двухслойный: SiO2 0,8 (высота слоя по 500 мм)

антрацит 1,1

2. Механическая прочность — минимальные годовые потери металла не более 2,5 %.

3. Химическая стойкость зерен. Вода в процессе фильтрования не обогащается примесями железа, кремниевой кислоты, органическими и другими соединениями.

Условиям механической прочности соответствуют кварцевый песок и дробленый антрацит:

АЛ - антрацитная плита

АК - кулак зольность не более 5 %, сера не более 3 %

АС - семечко. Также этим требованиям соответствует дроблёный антрацит.

1. По типу:

-вертикальные (рис. 10.2; а-к);

- горизонтальные (рис. 10.2; л-м).

2. По давлению воды над фильтрующим слоем:

- самотечные или открытые (рис. 10.2; а) - работают под напором, создаваемым разностью уровней воды в фильтре и сборном баке осветленной воды;

- напорные или закрытые (рис. 10.2; б-м) - работающие под напором, создаваемым насосом или высоко расположенным баком.

3. По количеству последовательно работающих фильтров:

- однослойные (рис. 10.2; а, б, в, е, л, м);

-двухслойные (рис. 10.2; г, д).

4. По числу параллельно работающих камер:

- однокамерные (рис. 10.2; а, б, в, д, л, м);

-двухкамерные (рис. 10.2; г, ж);

-двухэтажные (рис. 10.2; е);

- батарейные (рис. 10.2; и, к).

5. По способу фильтрования:

- однопоточные (рис. 10.2; а, б, г, д, л);

- двухпоточные (рис. 10.2; в, м).

Высокая степень обессоливания природных вод достигается с применением ионитов, т.е. нерастворимых высокомолекулярных веществ, которые благодаря наличию в них иогенных групп способны к реакциям ионного обмена. Ионообменными свойствами обладают многие соединения самой различной природы.

В практике водоподготовки нашли применение в основном иониты на основе синтетических смол. Они состоят из «пространст­венно слитых» углеводородных цепей (матрицы) с жестко закреплен­ными на них активными иогенными группами. Матрица полимера с фиксированными отрицательными ионами называется поликатион, с положительными - полианион. В качестве исходных мономеров ис­пользуется стирол и дивинилбензол.

Природа фиксирующих групп или ионов оказывает решающее значение на ионообменные свойства смолы. В качестве фиксирующих групп (ионов) может служить:

для катионов: -SO₃ -СОО-,,; фенольная группа

- для анионов: -NH₃⁺, =NH₂⁺, sS⁺, N

Иониты обладают способностью удерживать на своей поверхности различные ионы и при определенных условиях обменивать их на другие, находящиеся в растворе, контактирующем с ионитами. Способные к обмену катионов иониты называются катеониты, способные к обмену анионов - аниониты.

В соответствии с основами физической химии, иониты - особь класс электролитов, которые обладают рядом общих технологических признаков:

- нерастворимостью;

- способностью к диссоциации на ионы;

- способностью к гидролизу;

- способностью к образованию ионной атмосферы.

Схематично диссоциация ионитов выглядит следующим образом:

где - катионит, в котором подвижным обменным катионом является К⁺, а неподвижным анионом катионита - органическая матрица, условное обозначение;

R_a⁺ - анионит, в котором подвижным анионом является, а неподвижным катионом — органическая матрица R_a⁺;

I - условный знак, указывающий на способность твердого электролита к диссоциации в твердых растворах без растворения само: электролита.

Характеристикой ионообменной способности ионита являете, величина его рабочей обменной емкости, которая характеризуется количеством ионов, поглощенных ионитом, при пропускании раствора солей или кислот определенной концентрации через лабораторный или промышленный фильтр, загруженный испытуемым ионитом, до начала «проскока» в фильтрат поглощаемых ионов.

Рабочая обменная емкость ионита выражается в грамм-эквивалентах ионов, поглощенных 1 м набухшего ионита (г-экв/м).

Рабочая обменная емкость ионита зависит:

- от удельного расхода регенерирующего агента;

- от вида извлекаемой из воды иона;

- от значения рН воды;

- от скорости фильтрования обрабатываемой воды;

- от режима эксплуатации ионитного фильтра.

Рабочая объёмная емкость - основная технологическая характеристика ионита, т.к. от нее зависит объем ионита, необходимый для нагрузки фильтров при заданных условиях эксплуатации.