Фильтрование воды

В качестве фильтрующих материалов на ТЭС используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит и др. В настоящее время предложены и испытаны новые фильтрующие материалы, обладающие повышенной емкостью поглощения и эффективностью очистки воды: керамзит, вулканические шлаки, горелые породы, шунгизит и др.

Для очистки воды от ГДП успешно применяют плавающие загрузки из гранул вспененного полистирола, газонаполненных гранул керамзита и др.

Все применяемые фильтрующие материалы должны удовлетворять следу­ющим требованиям:

- обладать высокой механической прочно­стью,

- химической стойкостью,

- правильно подобранным фрак­ционным составом,

- по возможности большим коэффициентом формы, так как слой из гладких окатанных зерен фильтрует плохо.

Технологический процесс очистки воды и применяемое на ТЭС оборудование накладывают определенные требования к фильтрующему материалу. Так, на ТЭС высокого давления не допускается применение кварцевого песка, способного вы­делять в воду соединения кремния. В этом случае рекомендуется применять антрацит марки АС. Особое внимание должно уделяться правильному подбору и рассеву фракций фильтру­ющего материала. Фракция зерен антрацита, загруженного в фильтры, должна составлять 0,6—1,4 мм (при однослойном фильтровании) при коэффициенте неоднородности не более 2, представляющем отношение калибра сита, через которое прошло менее 80% всего материала, к калибру сита, через которое прошло менее 10% материала. При коагуляции сернокислым алюминием применяется фракция антрацита 0,8— 1,8 мм. По требованию механической прочности годовой износ фильтрующего материала не должен превышать 2,5%.

Осветлительные фильтры можно классифицировать по сле­дующим признакам:

1) фракционному составу фильтрующего материала — насыпные и намывные,

2) давлению — открытые и напорные,

3) количеству фильтрующих слоев — однослойные и многослойные,

4) числу параллельно работающих камер — од­нокамерные и многокамерные,

5) способу фильтрования — одно-поточные и двухпоточные.

В схемах ВПУ ТЭС применяются в основном насыпные напорные однопоточные однокамерные фильтры с числом фильтрующих слоев от одного до двух, а также весьма перспективные напорные двухкамерные фильтры. Применение последних позволяет существенно со­кратить расход металла и площадь, необходимую для установ­ки фильтров.

Напорный однопоточный фильтр (рисунок) состоит из цилиндрического корпуса с приваренными к нему сферическими днищами. Внутри фильтра расположены слой фильтрующего

Рисунок - Вертикальный однопоточный напорный осветлительный фильтр: 1—верхнее распределительное устройство; 2 —нижнее распределительное устройство; 3 — фильтрат; 4 —сжатый воздух, промывочная вода; 5 — спуск первых порций фильтрата; 6 —спуск промывочной воды; 7—обрабатываемая вода; 8 —фильтрующий слой; 9 — корпус фильтра

материала и дренажно-распределительные устройства, необ­ходимые для равномерного распределения и сбора воды по всей площади поперечного сечения фильтра. Верхнее дренажное устройство чаще всего оформляется в виде отбойного щита, гасящего энергию потока воды, а нижнее расположено на слое кислотоупорного бетона, заливаемого на нижнее днище фильтра, и выполнено в виде трубной системы, состоящей из коллектора с боковыми ответвлениями, снабженными для отвода воды специальными колпачками или щелевыми устрой­ствами.

Высота фильтрующего материала, загруженного в фильтр, составляет около одного метра. Часть полости фильтра остается свободной. Это необходимо для выравнивания эпюры скоростей воды, поступающей на фильтрующий слой, и для возможности расширения слоя при его взрыхлении.

На ВПУ большой производительности для снижения пло­щади, занимаемой механическими фильтрами, и экономии металла применяют трех- и двухкамерные фильтры. Камеры в этих фильтрах работают параллельно.

Режим эксплуатации механических адгезионных фильтров заключается в обеспечении необходимой степени очистки воды при постоянстве ее расхода, своевременном отключении фильтра на промывку и промывке (взрыхлении).

Скорость воды при работе фильтра должна составлять 4—6 м/ч. Накопление отложений в фильтрующем слое приводит к росту перепада давлений воды и, следовательно, к падению расхода. Гидравлическое сопротивление отмытого слоя составляет около 0,01 МПа. Чтобы не допустить большого падения расхода, фильтр отключают на промывку при перепаде давления воды, равном 0,1—0,12 МПа. Эксплуатационные данные показывают, что время работы фильтра обычно составляет 18—24 ч при рабочей емкости фильтрующего слоя 3—4 кг/м³ [3].

Промывку слоя от удержанной примеси ведут в течение 20 мин в направлении, противоположном направлению потока воды. При промывке слой расширяется на 30—50% и вследствие трения зерен между собой освобождается от удержанной примеси, которая с потоком воды выбрасывается из фильтра. При эксплуатации многокамерных фильтров промывка каждой камеры производится отдельно, причем первой промывается нижняя камера.

В настоящее время промывочную воду направляют в освет­лители.

Для интенсификации процесса промывки под слой подают сжатый воздух, что одновременно позволяет ускорять процесс промывки и сокращать расход промывочной воды.

Промывку механических фильтров проводят осветленной водой, поэтому емкость баков осветленной воды должна учитывать кроме часового запаса также и объем воды, необходимой для промывки одного фильтра.

При расчете фильтровальной части предочистки следует иметь в виду, что на ВПУ с осветлителями количество устанавливаемых механических фильтров выбирается из расчета скорости фильтрования 10 м/ч, а при прямоточной коагуля­ции— 5 м/ч. При этом необходимо предусматривать установку не менее трех фильтров (два в работе, один в регенерации), а также еще одного фильтра для перегрузки фильтрующего материала при ремонте или осмотрах основных фильтров.

Глава 2. ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей и в значительной степени освобождена от коллоидных. Однако основная часть примесей в истинно-растворенном состоянии остается в этой воде и должна быть удалена из нее. В настоящее время для этого применяют ионный обмен, а также мембранные и термический методы. Последний метод для получения воды необходимого качества чаще всего используют в комплексе с ионным обменом [23, 28, 35].

Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. Процесс ионного обмена существенно отличается от процесса адсорбции тем, что если при адсорбции происходит лишь накопление вещества, сорбируемого из раствора на поверхности какого-либо материала, то при ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида обязательно со­провождается переходом ранее сорбированных ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене ионы одного вида заменяются ионами другого.

Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (мат­рицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, т. е. к возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионов). Появление потенциалообразующих ионов мо­жет происходить либо за счет адсорбции функциональными

Рисунок - Схема структуры зерна ионита:

а —катионит; б —анионит; 1 — матрица; 2- потенциалообразующие ионы; 3 —ионы диффузного слоя

группами ионита из раствора ионов какого-либо знака заряда (например,

— NH₃ + H ⁺ → — NH₄ ⁺), либо диссоциации функцио­нальных групп под действием молекул воды (например, — SO₃H→ — SO₃^-+H ⁺). В последнем случае противоионами, образующими диффузный слой, являются ионы, переходя­щие в раствор в процессе диссоциации. Ионы диффузного слоя обладают повышенным запасом кинетической энергии и могут выходить из диффузного слоя в раствор, но при этом из раствора в диффузный слой должны переходить ионы того же знака заряда. Таким образом, ионит можно представить как твердый электролит, неподвижная часть которого представ­ляет одну его часть, а подвижные противоионы—другую (рис. 3.1). Следовательно, реакции ионного обмена подчиняются правилам, характерным для реакций обычных электролитов, в частности правилам эквивалентности обмена ионов и обратимости этого процесса. Кроме того, при ионном обмене большое значение имеют селективность и ско­рость установления ионообменного равновесия.

Эквивалентность обмена ионов заключается в том, что понижение концентрации какого-либо иона в растворе в резуль­тате протекания ионообменного процесса вызывает эквивалент­ное повышение концентрации другого иона, поступающего в раствор из ионита. Кажущиеся отступления от этого закона в некоторых случаях объясняются вторичными реакциями, в которые вступают переходящие в раствор ионы. Так, например, если в результате обмена ионов в раствор попадают ионы Н⁺, то они могут реагировать с ионами НСО₃^- с образованием СО₂ При этом концентрация ионов Н ⁺ в растворе понижается и создается впечатление неэквивален­тности обмена ионов.

Обратимость процесса обмена ионов является одной из важнейших закономерностей, позволяющих экономично использовать ионообменный материал в технологических схе­мах. Преимущественное направление реакции ионного обмена определяется согласно закону действующих веществ. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию ионного обмена в направлении восстановления ионита в исходное состояние, т. е. произвести регенерацию ионита.

Равновесие в системе ионит—раствор электролита описыва­ется законом Никольского

(2.1)

где q и С —концентрации обменивающихся ионов i и j соот­ветственно в ионите и растворе, г-экв/кг и г-экв/м³; к,:, —коэффициент равновесия ионного обмена, (кг/м³)^1/zi, (м /кг)^1/zj; Z_i; и Z_j —валентности обменивающихся ионов.

Чтобы левая часть этого уравнения равнялась нулю, необходимо, чтобы С_i и С_j равнялись нулю, что при ионном обмене невозможно. Следовательно, даже в равновесном состоянии невозможно положение, при котором обменные ионы могут быть нацело вытеснены в раствор и заменены ионами другого вида.

Если в ионите и растворе одновременно находятся ионы видов А и В, то, положив соотношение их концентраций в растворе т = С_А/С_в, а в ионите n = q_A/q_В, в общем случае можно записать, что т><п. Если п>т, то ион А лучше сорбируется ионитом, чем ион В, если п<т, то наоборот. Это говорит о том, что природа иона играет важную роль в процессе его сорбции ионитом. Способность ионита к пре­имущественной сорбции одних видов ионов по сравнению с другими называется селективностью. Она количественно может быть выражена через коэффициент селективности

Т_А/В = q_AС_B/q_BС_А. (2.2)

Коэффициент селективности обычно определяется экспери­ментально на основании построения изотерм адсорбции иони­том ионов рассматриваемого вида.

Селективность, как будет показано ниже, играет очень большую роль в технологии ионного обмена. Физико-хими­ческая сущность селективности при ионном обмене вытекает из закона Кулона. Ясно, что с увеличением заряда (валент­ности) иона возрастает и сила его притяжения к иониту. Если представить заряд иона сконцентрированным в его центре, то за расстояние от этого заряда до поверхности ионита можно принять радиус иона. В пределах каждой основной подгруппы периодической системы элементов радиусы ионов возрастаю! с увеличением атомной массы элементов. Однако при этом уменьшается плотность заряда ионов, а следовательно, и степень их гидратации. Гидратная оболочка, состоящая по крайней мере из двух слоев молекул воды вокруг иона, увеличивает радиус этого иона. Так, например, эффектив­ные радиусы ионов Na⁺ и К⁺ в 0,1 н. растворах составляют соответственно 9,8 и 13,3 нм. Однако изменение плотности заряда приводит к тому, что гидратные оболочки этих ионов соответственно состоят из 8,6 и 4,2 молекулы воды. Поэтому гидратированный радиус ионов Na⁺>K⁺. С учетом этого в пределах каждой основной подгруппы периодической системы радиусы ионов в гидратированном состоянии будут уменьшаться с увеличением атомной массы элементов и, следовательно, будет увеличиваться сила их притяжения к по­верхности ионита. Селективность ионов при ионном обмене представляется обычно в виде рядов селективности: для катионов на сильнокислотном катионите

H ⁺ <Na⁺<NH⁺₄ <Mg²⁺<Ca²⁺<Al³⁺; (2.3)

для анионов на высокоосновном анионите

OH^-<HSiO₃<HCO^-₃<Cl^-<H₂PO^-₄ <NO^-₃<SO^2-₄. (2.4)

Для слабокислотных катионитов ион Н⁺, а для низкооснов­ных анионитов ион ОН^- перемещаются правее в зависимости от степени диссоциации ионитов в процессе ионного обмена.

В динамических условиях вода, проходящая через слой ионита, контактирует (по высоте слоя) с новыми для нее объемами ионита. При этом в верхнем слое ионита вода содержит наибольшую концентрацию ионов, а ионит — на­именьшую. Естественно, что наибольшая сорбция ионов будет наблюдаться именно в верхнем слое ионита. В поступающей на верхние слои ионита воде концентрация ионов не изменяется, а в ионите вследствие ионообменного процесса их количество будет увеличиваться. Таким образом, со временем ионит в этой части слоя будет истощаться и процесс сорбции передвинется дальше по слою. Очевидно, что концентрация удаляемых ионов, поступающих на какой-то участок слоя х в момент времени τ ₁ и τ ₂, будет различной, причем если τ₂> τ ₁, то ∆C = C_t2 —C _t1>0. В пределе при каком-то τ_n С _τn = С_ИСХ для этого участка². Это означает, что все участки, расположен­ные выше этого, уже не осуществляют ионный обмен. С другой стороны, для распределения концентрации удаляемых ионов по высоте фильтра для участков x_t и х₂ (причем х₂>х₁) в некоторый момент времени т справедливо, что ∆C = С_Х2 — C_x1<0, т.е. концентрация удаляемых ионов падает по высоте слоя. Непрерывное снижение концентрации по высоте слоя приводит к тому, что их концентрация на каком-то участке слоя становится практически равной нулю. Таким образом, при осуществлении ионного обмена путем фильтрования воды через слой в последнем можно выделить

три участка: отработавший, рабочий и еще не работавший. На границе между первым и вторым участками располагается зона исходной концентрации ионов, а на границе между вторым и третьим—зона их нулевой концентрации (рис. 3.2). В определенный момент времени зона нулевой концентрации достигает нижней границы слоя и происходит проскок ионов в фильтрат. Это обычно служит сигналом для отключения фильтра на регенерацию. К этому времени обменная емкость фильтра использована не полностью и очевидно, что на степень ее использования будет влиять ширина рабочего участка, т. е. область между исходной и нулевой концент­рациями удаляемых ионов. Распределение концентраций на этом участке носит название фронта фильтрования. Вид кривой фронта фильтрования может изменяться при перемещении его по слою. В общем случае справедливо, что v_Cmc^v₀, где v —скорость перемещения обеих зон. При ^с_исх < fо" скорость перемещения зоны с нулевой концентрацией выше, чем с ис­ходной, и рабочий участок будет в процессе фильтрования растягиваться, образуя диффузный фронт фильтрования (рис. 3.3). Если v_BCX>v₀, то рабочий участок слоя сожмется и образуется острый фронт фильтрования, который после формирования перейдет в стадию параллельного переноса, когда v_Cxci = v₀. От вида кривой фронта фильтрования зависит степень использования обменной емкости при работе фильтра, поэтому при синтезе иониты подбирают так, чтобы сорбция наиболее важных ионов в водоподготовке происходила при остром фронте фильтрования.

Дата добавления: 2014-01-13