Результаты лабораторных и промышленных исследований импортных ионитов

УДК 621.187.11

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИМПОРТНЫХ ИОНИТОВ

БУШУЕВ Е.Н., канд. техн. наук, ЛАРИН А.Б., асп.

Представлены результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний импортных ионитов С-100, С-104, А-100, А-400 (фирмы «Purolite»), а также анионитов IRA-67 и IRA-900 (фирмы «Rohm and Haas») в фильтрах ионитной обработки воды на отечественных водоподготовительных установках. Показана возможность автоматического химического контроля качества обессоленной воды, в том числе по кремниевой кислоте, с помощью измерения электропроводности и рН.

Ключевые слова: иониты, аниониты, химическое обессоливание воды, сорбционная емкость, противоточ-ное ионирование.

THE RESULTS OF LABORATORY AND INDUSTRIAL RESEARCHES

OF IMPORTED IONITES

BUSHUEV E.N., Ph.D., LARIN A.B., postgraduate

The article contains the results of laboratory researches and industrial tests of imported ionites C-100, C104, A-100 by "Purolite"as well as IRA-67 and IRA-900 by "Rohm and Haas" in filters of ionite water treatment at home water preparing installations. The possibility of deionized water automated chemical quality control and cilicic acid with the help of electroconductivity and pH.

Key words: ionites, anionites, chemical deionization of water, sorptive capacity, counter flow ionization.

В лаборатории кафедры ХХТЭ ИГЭУ была проведена серия лабораторных исследований по определению динамических сорбционных характеристик ионитов фирмы «Риго^е» в условиях противо-точной технологии химического обессоливания. Технологическая схема, разработанная фирмой-производителем «СИгма» (Германия), обеспечивает Н-катионирование и ОН-анионирование осветленной одной коагуляцией природной воды (р. Шексна). Для ионитной обработки применяются двухкамерные фильтры (рис. 1). Катионитный фильтр загружен парой катионитов: слабокислотным катионитом типа рРС-104 (нижняя камера) и сильнокислотным типа рРС-100 (верхняя камера). Анионитный фильтр загружен парой анионитов: слабоосновным анионитом рРА-100 и сильноосновным рРА-400. Такой подбор ионитов рекомендуется также фирмой «Риго^е».

Были проведены лабораторные исследования ионитов по технологии ЭИмеЬеЬей на водопроводной воде. Показатели качества воды по стадиям обработки приведены в табл. 1. Условия окончания фильтроцик-ла отвечают увеличению в обессоленной воде концентрации кремниевой кислоты до 150-200 мкг/л.

Результаты исследования (табл. 1) позволяют сделать вывод о том, что основная сорбционная нагрузка идет на высокоосновной анионит (рРА-400, второй по ходу воды) как по анионам слабых кислот (бикарбонатов и силикатов), так и по органическим веществам. В этом случае анионит рРА-400 в цепочке ионообменной технологии является наиболее слабым звеном. При ухудшении сорбционных свойств аниони-та рРА-400 одновременно ухудшается качество обессоленной воды, что недопустимо. Анализ отработанных регенерационных растворов подтвердил это положение. При соотношении объемов анионитов рРА-100 и рРА-400 1:1,5 на слабоосновном анионите за фильтроцикл сорбировано 23 % от суммы всех анионов, из них бикарбонатов только 3,6 %о. На сильноосновном анионите рРА-400 сорбировано 77 % всех анионов, из них около 75 % бикарбонатов. Таким об-

разом, большая часть сорбционной емкости сильноосновного анионита занята бикарбонат-ионами, а не силикат-ионами, как это должно быть.

Отвод

Рис. 1. Принципиальная схема Н-катионитного фильтра: ДУ01 - подвод осветленной воды/ввод доотмывочной воды; ДУ02 - выход химически очищенной воды; ДУ05 -опорожнение/выход отмывочной воды/выход отработанного регенерационного раствора; ДУ06 - воздушник; ДУ08 -подвод регенерационного раствора; ДУ09 - выход доотмывочной воды; 1РДУ05 - опорожнение; 1РДУ04 - сброс отработанного регенерационного раствора в дренаж/сброс отмывочной воды в дренаж

В процессе проведения лабораторных опытов и последующих расчетов оказалось, что сорб-ционная емкость пары катионитов достаточно высока во всем диапазоне расходов кислоты и резко уменьшается лишь при расходах Н2Э04 < 100 кг/м3 для сильнокислотного катионита рРС-100. Это позволяет рекомендовать 100 кг/м3 сильнокислотного катионита как рабочий расход реагента для промышленной водоподготовительной установки.

Таблица 1. Усредненные показатели качества воды по стадиям обработки в лабораторных опытах

Стадия обработки Ж», мг-экв/л Що, мг-экв/л [СП+[8С>42-], мг-экв/л [Ма+], мг/л ПО, мгО/л [81Сз2-], мг/л х, мкСм/см

Исходная вода 2,9 2,4 0,6 2,2 6,3 8,3 270

После Н-катионитного фильтра

(рРС-104, рРС-400) < 0,01 К=0,55 0,6 0,5 6,0 8,3 227

После анионита рРА-100 < 0,01 - 0,015 0,5 3,6 - 27

После анионита рРА-400 < 0,01 0,05 - 0,5 1,2 0,03 0,6

Сорбционная емкость пары анионитов рРА-100 и рРА-400 по всем анионам ниже рекомендуемых фирмой-изготовителем значений. Это обусловлено отсутствием в схеме декарбонизатора, большой концентрацией углекислоты в поступающей воде и малой сорбционной емкостью по кремниевой кислоте.

Еще одним недостатком такой технологической схемы является малая сорбционная емкость слабоосновного анионита рРА-10о по органическим примесям (около 40 % от общего количества органических веществ, поступающих на фильтр). При этом органическая нагрузка на сильноосновной анионит превышает рекомендуемые значения.

Таким образом, для проекта промышленной установки было рекомендовано заменить анионит рРА-100 на другой, обладающий большей сорбци-онной емкостью по органическим веществам, установить в схеме после Н-катионитного фильтра де-карбонизатор, а в случае невозможности такого решения увеличить объем сильноосновного анионита рРА-400.

Для непрерывного автоматического химического контроля качества воды, обессоленной на установке противоточного ионирования, может быть применен метод измерения х и рН, разработанный на кафедре ХХТЭ ИГЭУ.

Принятая упрощенная методика расчета [1, 2] предполагает измерение в обессоленной воде двух физико-химических величин: удельной электропроводности (х25) и рН - и рассмотрена на примере 2 опытов. В табл. 2 приведены измеренные и расчетные значения для одного опыта.

Таблица 2. Показатели качества воды, обессоленной на стенда, в течение полного фильтроцикла

В этих двух опытах отключение блока фильтров в регенерацию производилось при истощении Н-катионита. Первопричиной срабатывания пары Н-ОН-ионитных фильтров в первом опыте является истощение анионитов (интенсивное увеличение концентрации [8Ю32-]), а во втором случае -истощение катионитов в Н-фильтре (проба №5 табл. 2). Показательным является изменение рН обессоленной воды: в первом опыте рН понижается, во втором - увеличивается (рис. 2). В практической водоподготовке это является важным показателем, так как позволяет оптимизировать работу блока фильтров. Для увеличения фильтроцикла Н-ОН-фильтров в данном случае была увеличена высота слоя сильноосновного анионита в ОН-фильтре во втором опыте.

Одновременное измерение рН и х обессоленной воды позволяет точно определять время и причину срабатывания блока Н-ОН-фильтров (рис. 2).

При этом наблюдается корреляция измеренного анализом проскока кремниевой кислоты и расчетного значения щелочности обессоленной воды (рис. з). Это позволяет контролировать концентрацию кремниевой кислоты в обессоленной воде по измерению рН и %.

Проведенное исследование позволяет рекомендовать данный метод в качестве основного метода автоматического химического контроля за работой промышленной обессоливающей установки на ХВО ТЭЦ-ПВС-1 ОАО «Северсталь» по описанной выше технологии.

Н-ОН-фильтрах в условиях лабораторного

№ Объем Измеренные показатели Рассчитанные показатели

пробы воды, л Х25, мкСм/см рН [8Ю32 ], мкг/л Що, [Ма+], [СП, [СО2],

мкг-экв/л мкг/л мкг-экв/л мкг-экв/л

1 20 0,35 8,2 <50 2 10 1,5 1,0

2 36 0,66 7,8 <50 3 140 2,8 4,8

3 50 0,75 8,0 <50 3 155 3,1 3,5

4 58 1,10 8,2 <50 5 230 4,8 3,2

5 65 9,90 9,9 87 56 2020 31,3 0,4

6 72 - - 188 - - - -

Таблица 3. Технологические показатели акрилового анионита !РЛ-67 за 7,5 лет эксплуатации на химводоочистке ТЭЦ-26 «Мосэнерго»

Показатель Дата испытаний

1998 1999 2000 2001 2005

Объем обработанной воды, 1000 м3 220 670 1100 1800 3600

Рабочая обменная емкость по анионам сильных кислот, г-экв/м3 1200 1100 1050 1080 750

Органическая нагрузка фильтрата,(ПО) кг КМпС4/м3 смолы 8 6 5 5 4

Удельный расход ЫаСИ на регенерацию, кг/м3 70 77 81 81 113

Расход воды на отмывку, м3/м3 смолы 15-17 18 18 20 35

рН 14

12 12

10 10

8 - 8

6 - 6 -

4 4

2 2

0 - 0

X,мкСм/см

0

10

20

30

40

—I—

50

60

70

Рис. 2. Графики зависимости показателей кондуктометра и рН-метра на обессоленной воде в двух опытах на Н-ОН-ионитных фильтрах от объема пропущенной воды

25 -,

20 -

Що, мкг-экв/дм3

15

10 -

ï-60

50

40

-30

20

10

тации с 1998 г. по 2005 г. Результаты анализа (табл. 3) позволяют сделать вывод о том, что основные технологические параметры имели характерную устойчивость и высокую органо-емкость. Наблюдаемое в первый год эксплуатации снижение рабочей обменной емкости и увеличение расхода воды на отмывку в дальнейшем стабилизируется. В [3] отмечалось накопление в фильтре органических веществ и железа, увеличение окис-ляемости обработанной воды.

Таким образом, результаты данного исследования и ранее проведенных испытаний показали, что применение акрилового анионита 1РА-67 в связке с анионитом 1РА-900 обеспечивает минимальную загрязненность пароводяного тракта органическими соединениями. Итогом работы является вывод о необходимости лабораторных исследований новых ионитов и технологий, предлагаемых фирмами-изготовителями.

"Г

10

~г

50

~г

60

Рис. 3. Графики изменения концентраций кремниевой кислоты и щелочности в течение фильтроцикла в обессоленной воде на лабораторном стенде

Задача полного использования сорбционной емкости анионитов успешно решается при обработке воды на отдельных анионитных фильтрах с прямоточной регенерацией. Так, на ТЭЦ-26 «Мосэнерго» с 1998 г. успешно эксплуатируются ор-ганоемкие аниониты Amberlite IRA-67 и Amberlite IRA-900 в первой и второй ступенях установки химического обессоливания воды [3, 4]. Мы провели анализ работы одного фильтра первой ступени с анионитом IRA-67 в течение всего периода эксплуа-

Список литературы

1. Ларин Б.М., Коротков А.Н.

Испытание промышленного образца системы автоматического

химконтроля за обессоливанием воды // Теплоэнергетика. - 1993. -№ 7. - С. 27-29.

2. Ларин Б.М., Коротков А.Н., Опарин М.Ю. Автоматический хим-контроль термохимического обессо-ливания воды // Теплоэнергетика. -1996. - №7. - С. 59-62.

3. Результаты испытаний анионитов, поглощающих органические вещества в схеме обессоливания воды на ТЭЦ / Н.А. Зройчиков, И.А. Малахов, Э.Г. Амосова и др. // Теплоэнергетика. - 1999. - № 7. -С. 7-15.

4. Исследование сорбции-десорбции на анионитных фильтрах органических примесей природных вод / А.А. Гришин, Б.М. Ларин, И.А. Малахов и др. // Теплоэнергетика. - 2004. - № 7. - С. 8-11.

5

0