РАЗДЕЛ 2
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КАТИОНИРОВАНИЯ С ПОВТОРНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАБОТАННЫХ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ РАСТВОРОВ
Комплекс лабораторных исследований проводился с целью определения принципиальной возможности повторного использования отработанных регенерационных растворов Na-катионитовых фильтров, а также основных параметров процесса отбора и использования отработанного регенерационного раствора при последующих регенерациях.
В лабораторных исследованиях решались следующие задачи:
- изучение процесса катионирования и регенерации на лабораторной установке с получением основных параметров этих процессов, а именно определение продолжительности умягчения воды и общего содержания хлоридов и ионов жесткости в отработанных регенерационных растворах по времени;
- определение основных параметров процесса повторного использования отработанных растворов поваренной соли, а именно соотношения времени подачи отработанного и свежего регенерационных растворов, минимально допустимой концентрации поваренной соли в отработанном растворе;
- определение рациональных параметров отбора отработанных регенерационных растворов, пригодных для повторного использования, в частности - начального момента и продолжительности отбора отработанного регенерационного раствора на повторное использование, а также вычисление средней концентрации поваренной соли в отработанном растворе за каждый период отбора.
2.1 Установка для лабораторных исследований
Для проведения экспериментов была сконструирована и изготовлена лабораторная установка, схема которой приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема лабораторной установки
1 - колонка с катионитом; 2 - емкость отработанного раствора поваренной соли; 3 - емкость свежего регенерационного раствора; 4 - емкость отмывочной воды; 5 - ротаметр; 6 - зажим; 7 - емкость для сбора умягченной воды или отработанного раствора поваренной соли.
Лабораторная установка включает в себя следующие элементы [108]: стеклянную колонну 1, диаметром d=65 мм, высотой 300 мм, заполненную катионитом КУ-2-8, высота слоя загрузки H=150 мм; три стеклянные емкости 2, 3 и 4, каждая объемом по 3 дм3, соответственно для отработанного, свежего регенерационных растворов и отмывочной воды; ротаметр 5 и зажим 6, предназначенный для регулирования расходов регенерационного раствора и отмывочной воды; сборная емкость 7 объемом 5 дм3.
Во всех опытах были исследованы режимы обычного прямоточного катионирования с подачей умягчаемой воды и регенерационного раствора сверху, как наиболее широко применяемый в производстве вариант. Катионированию подвергалась вода Донецкого водопровода с жесткостью 6-8 мг-экв/дм3. Проводилось по 2-3 фильтроцикла в день. Ионообменная колонна, как и Na-катионитовые фильтры первой ступени в промышленных условиях, отключалась на регенерацию при достижении жесткости фильтрата 0,3 мг-экв/дм3. Продолжительность регенерации колонны принималась в течение 15 минут, затем отмывка водопроводной водой так же в течение 15 минут.
Толщина защитного слоя была принята равной толщине слоя загрузки, из этого условия определяли скорость фильтрования воды по формуле [100]:
, (2.1)
где Нзащ - толщина защитного слоя катионита, м, Нзащ=Н=0,15 м;
d - диаметр зерен, мм, для КУ-2-8 d?0,8 мм;
Жо - жесткость умягчаемой воды, мг-экв/дм3, Жо?7 мг-экв/дм3;
Жф - жесткость фильтрата, мг-экв/дм3, Жф=0,3 мг-экв/дм3;
м/час.
Умягчаемая вода в ионообменную колонну подавалась при фиксированной высоте столба над слоем катионита, равной потерям напора в колонне, что позволяло поддерживать постоянную скорость фильтрования. Согласно [99] для катионитов со средним диаметром зерен до 1,5мм и при скорости фильтрования менее 40м/час числа Рейнольдса принимают значения менее 3, в этом случае величину потерь напора в сантиметрах водяного столба вычисляли по формуле [99]:
, (2.2)
где ? - коэффициент вязкости воды, г/см?с, при Т=20оС ?=0,010 г/см?с;
р - пористость катионита, для КУ-2-8 р=0,4;
dэкв - эквивалентный диаметр зерен, см, dэкв?0,08 см;
Ф - коэффициент формы зерна, для шара Ф=0,167;
L - толщина слоя катионита, см, L=15 см;
v - скорость фильтрования, см/с, определяемая по формуле (2.1) и равная v=0,086 см/с
см.
Высота столба воды над слоем катионита была принята равной 17 мм.
Объем регенерационного раствора (Vр.р.), как было сказано выше в разделе 1 п.1.3, определялся из условия, что он должен составлять 1,25-1,5 м3 раствора на 1 м3 катионита в фильтре [103], то есть:
Vр.р.=1.5=(1,5?3,14?0,0652?0,15)/4=0,75?10-3 м3,
Исходя из этого, было решено проводить регенерацию из емкости 3 одним дм3 регенерационного раствора в течение 15 мин без настаивания. Тогда расход регенерационного раствора равен Qр.р.=10-3/0,25=0,004 м3/час. В качестве регенератора использовали 6% раствор хлорида натрия марки ч.д.а.
Объем отмывочной воды находили из соотношения:
Vо.в.=qудVкат., (2.3)
где Vкат. - объем катионита в фильтре, м3;
qуд - удельный расход воды на одну отмывку, м3/м3, согласно [102] qуд=5-6 м3/м3.
Vо.в.=6?(3,14?0,0652?0,15)/4=3?10-3 м3
Отмывка проводилась в течение 15 мин водопроводной водой объемом 3 дм3 из бака 4. Расход отмывочной воды составляет Qо.в.=3?10-3/0,25=0,012 м3/час. Регенерационный раствор и отмывочная вода поступали в колонну самотеком через ротаметр 5.
Общая жесткость умягченной воды и отработанного регенерационного раствора определялась трилонометрически [109]. Общее содержание хлорид-ионов в отработанных регенерационных растворах и промывных водах определяли методом потенциометрического титрования хлоридов нитратом ртути [109] на автотитраторе АТ-2.
2.2 Методика обработки результатов лабораторных исследований
Лабораторные исследования состояли из трех серий экспериментов, для каждого режима проводилось по пять циклов сорбции-десорбции. Полу