ВОДОУМЯГЧИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОУМЯГЧИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
WATER SOFTENING DEVICE AND OPERATION METHOD OF WATER-SOFTENING DEVICE

Настоящее изобретение относится к водоумягчительному устройству и к способу эксплуатации водоумягчительного устройства.
Водоумягчительные устройства часто содержат фильтр, который заполнен сильнокислотным катионным (SAC; от англ.: strong acid cationic) ионообменным (IEX; от англ.: ion exchange) материалом, регенерированным в натриевой форме. Необработанная вода течет через слой материала, где ионы кальция и магния (ионы, придающие жесткость, или - коротко - «ионы жесткости») заменяются на ионы натрия. Реакция ионного обмена происходит потому, что IEX материал обладает более высоким сродством к ионам кальция и магния, чем к ионам натрия. Во время стадии умягчения происходит следующая реакция:
3
3
2
2+
+
2R-SO-Na+Са→(R-SO)-Ca+2Na
Когда весь IEX материал насыщается ионами жесткости, исчерпывается емкость фильтра, и материал необходимо регенерировать обратно в натриевую форму. Реакцию регенерационного обмена осуществляют, воздействуя на материал избытком ионов натрия, чтобы сместить равновесие обмена в обратном направлении согласно следующей реакции:
3
2
3
+
2+
(R-SO)-Ca+2Na→2R-SO-Na+Са
Количество солевого раствора, используемого во время регенерации определенного количества IEX материала в фильтре, обычно варьируется в зависимости, среди прочего, от применения и емкости IEX материала. В случае бытовых применений характерной является регенерация с использованием количества, примерно равного 90 г NaCl на литр IEX материала, что дает исходную рабочую емкость IEX материала, равную примерно 1,1 экв/л. В случае промышленных применений количество используемого рассола в характерном случае равно примерно 180 г NaCl на литр IEX материала, что дает исходную рабочую емкость IEX материала, равную примерно 1,5 экв/л.
Для определенной композиции необработанной воды и определенного объема IEX материала, емкость (или объем необработанной воды, который можно обработать фильтром) можно определить согласно следующему уравнению
RW
IEX
IEX
RW
V=C*V/TH
где
RW
* V является объемом необработанной воды, подлежащей обработке [л],
IEX
-1
* C является удельной емкостью IEX материала [экв*л],
IEX
* V является объемом IEX материала в фильтре [л],
RW
2+
2+
*
-1
* TH является общей жесткостью ([Са]+[Mg]) необработанной воды [мэквл].
В качестве конкретного примера можно привести следующие параметры, характерные для бытовых применений:
IEX
* V=25 л
IEX
-1
* C=1,1 экв*л (регенерация с использованием 90 г NaCl на литр IEX материала)
RW
*
-1
* TH=5,2 мэквл.
В этом случае емкость (или объем необработанной воды, который можно обработать) равна:
RW
-3
3
V=1,1*25/5,2*10=5288 л (примерно 5,3 м)
3
Это означает, что после пропускания объема необработанной воды, равного примерно 5,3 м, слой IEX материала будет истощен. После достижения этого значения емкости IEX материал следует регенерировать.
На практике есть несколько дополнительных параметров, от которых зависит емкость IEX материала. Такими параметрами являются, например, температура, скорость протекания воды через слой материала, концентрация натрия в приточной воде по сравнению с общей катионной нагрузкой, общая концентрация растворенных твердых веществ (TDS; от англ.: total dissolved solids) в необработанной воде, концентрация солевого раствора, используемого во время стадии регенерации, и уровень жесткости, допустимый в конце цикла. Для того чтобы учесть влияние всех этих параметров, можно применить коэффициент надежности, чтобы гарантировать, что регенерация будет начата до прорыва через фильтр ионов жесткости.
IEX
В качестве иллюстрации, в предыдущем примере можно включить в C коэффициент надежности в форме коэффициента безопасности, равного 10%. Для количества регенеранта, равного 90 г NaCl на литр IEX материала, практическая емкость IEX материала, которую следует учитывать, становится равной 1,0 'экв/л. Емкость (или объем необработанной воды, который можно надежно обработать без риска прорыва через фильтр ионов жесткости) будет равна:
RW
-3
3
V=1,0*25/5,2*10=4808 л (примерно 4,8 м)
3
3
3
В этом случае практическая рабочая емкость фильтра будет задана равной 4,8 м. Этот объем соответствует объему воды, который можно надежно обработать, прежде чем потребуется начать регенерацию. По сравнению с указанной выше исходной рабочей емкостью, равной 5,3 м, разница составляет 0,5 м.
Это означает, что на практике IEX материал, содержащийся в фильтре, всегда регенерируют раньше, чем достигнута его полная емкость, и что примерно 10% рабочей емкости теряется при каждом цикле. Во время каждой регенерации расходуют определенный объем солевого раствора и воды. Тот факт, что фильтр не используют до его полной емкости, приводит к повышенному расходу солевого раствора и воды по сравнению с режимом эксплуатации, согласно которому фильтр используют до полной емкости.
Настоящее изобретение основано на задаче обеспечения технического решения описанной проблемы потери емкости из-за регенерации IEX материала до достижения его полной емкости.
Эта задача решена за счет водоумягчительного устройства, имеющего признаки по п. 1 формулы изобретения, и способа эксплуатации водоумягчительного устройства, имеющего признаки по п. 7 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления устройства определены в зависимых пунктах со 2 по 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа определены в зависимых пунктах с 8 по 11 формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на обнаруженном факте, состоящем в том, что при использовании IEX материала, модифицированного посредством применения специфических условий регенерации, можно определить точку, в которой фильтр истощается и происходит прорыв ионов жесткости, чтобы начать регенерацию используемого IEX материала. Это дает возможность использовать полную емкость IEX материала, что приводит к снижению расхода соли и отработанной воды по сравнению со стандартным режимом эксплуатации водоумягчителя.
Специфические условия регенерации означают, что для регенерации IEX материала, кроме регенерирующей соли, используют дополнительную индикаторную соль. Это обеспечивает IEX материал, насыщенный двумя разными видами катионов. Индикаторная соль должна быть выбрана такой, чтобы IEX материал демонстрировал сродство к катионам индикаторной соли, более низкое, чем его сродство к ионам, создающим жесткость, и более высокое, чем его сродство к катионам регенерирующей соли. Это означает, что во время эксплуатации в слое материала может постепенно возникнуть хроматографический эффект. Когда IEX материал истощен, катионы регенерирующей соли заменены на ионы, вызывающие жесткость. Однако перед прорывом ионов жесткости повышается концентрация катионов индикаторной соли в воде, выходящей из фильтра с модифицированным IEX материалом. Обнаружено, что это возрастание концентрации можно выявить, в частности, посредством мониторинга электрических параметров воды.
Водоумягчительное устройство по настоящему изобретению содержит фильтр, выполненный с возможностью устранения жесткости из первого потока необработанной воды с получением второго потока умягченной воды. В контексте настоящего изобретения термин «жесткость» следует понимать как ионы, создающие жесткость в необработанной воде.
Устройство отличается следующими признаками:
* Фильтр содержит ионообменный (IEX) материал, и
* IEX материал насыщен катионом первого типа, происходящим от индикаторной соли, и
* IEX материала обладает меньшим сродством к катиону первого типа, чем к ионам жесткости, и
* IEX материал насыщен катионом второго типа, происходящим от регенерирующей соли, и
* IEX материал обладает меньшим сродством к катиону второго типа, чем к катиону первого типа.
Предпочтительно, чтобы катион первого типа и катион второго типа отличались по значениям ионной молярной электропроводности. Это может быть очень выгодным. Как разъяснено выше, увеличение концентрации катионов индикаторной соли можно обнаружить посредством мониторинга изменений электрических параметров второго потока (умягченной воды). Если два типа ионов отличаются значениями ионной молярной электропроводности, то изменения обычно более выражены. Это может способствовать их обнаружению.
Для полной ясности: молярная электропроводность - это электропроводность раствора электролита (например, раствора растворенной соли), деленная на молярную концентрацию электролита (растворенной соли). Это способность к проведению электрического тока, обеспечиваемая всеми ионами, образовавшимися при растворении одного моля электролита в растворе. Единицей измерения молярной электропроводности являются сименс на метр на моль или сименс на метр квадратный на моль.
Предпочтительно IEX смоляным материалом является IEX смола.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство имеет по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:
* IEX материал является сильнокислотным катионным (SAC) ионообменным (IEX) материалом, в частности - сильнокислотной катионной (SAC) ионообменной (IEX) смолой.
2+
2+
* Необработанная вода содержит Са и Mg в качестве ионов, обуславливающих жесткость.
+
+
4
* Катион первого типа представляет собой K или NH.
+
+
* Катион второго типа представляет собой Naили Li.
+
+
Особо предпочтительными являются K в качестве катионов первого типа и Na в качестве катионов второго типа. Ионная молярная электропроводность калия выше, чем ионная молярная электропроводность натрия. Это приведет к возникновению пика электропроводности после того, как все ионы натрия будут заменены, но до прорыва ионов жесткости. При обнаружении этого пика электропроводности можно начать регенерацию непосредственно перед моментом возникновения прорыва ионов жесткости или в момент возникновения прорыва.
В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство имеет по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит бак для регенерирующего агента или соединено с баком для регенерирующего агента.
* Бак для регенерирующего агента содержит регенерирующий агент, содержащий в качестве первой соли индикаторную соль и в качестве второй соли регенерирующую соль.
* Индикаторной солью является хлорид калия (KCl).
* Регенерирующей солью является хлорид натрия (NaCl).
Баки для регенерирующих агентов, предназначенные для водоумягчительных устройств, коммерчески доступны. Подходящий бак описан, например, в публикации ЕР 3103770 А1. Существует возможность того, чтобы бак содержал первую соль с катионом первого типа и вторую соль с катионом второго типа. Предпочтительно бак содержит водный раствор, содержащий две соли в растворенном состоянии.
Количество катиона первого типа, фиксированного на IEX материале, по сравнению с количеством катиона второго типа, фиксированного на IEX материале, будет зависеть от композиции смеси регенерирующей и индикаторной солей в баке.
Предпочтительно, чтобы
* молярное соотношение между первой солью и второй солью в баке для регенерирующего агента лежало в диапазоне от 1 до 100, предпочтительно - от 1 до 25,
и/или
* чтобы от 0,5% до 20%, предпочтительно - от 2% до 8% емкости IEX материала было насыщено катионом первого типа,
и/или
* чтобы от 80% до 99,5%, предпочтительно - от 92% до 98% емкости IEX материала было насыщено катионом второго типа.
Хорошим примером может быть применение калиевой соли в качестве индикаторной соли и натриевой соли в качестве регенерирующей соли. Например, при добавлении определенного количества хлорида калия (KCl) к солевому раствору (NaCl) в баке для регенерирующего агента IEX материал будет регенерирован в натриевой и калиевой форме.
В других предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство имеет по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит первый бак и второй бак или подсоединено к первому баку и к второму баку.
* Первый бак является баком для регенерирующей соли и содержит регенерирующую соль (соответствующую второй соли, указанной выше).
* Второй бак является баком для индикаторной соли и содержит индикаторную соль (соответствующую первой соли, указанной выше).
* Первая соль является хлоридом калия (KCl).
* Вторая соль является хлоридом натрия (NaCl).
Теоретически также можно обеспечить индикаторную соль в форме водного раствора, который хранят во втором баке и смешивают с водным раствором регенерирующей соли, который хранят в первом баке, получая таким образом регенерирующую смесь, состоящую из двух водных растворов. Однако на практике предпочтительно во время регенерации вначале промыть IEX материал водным раствором регенерирующей соли из первого бака, а затем, во время второй стадии, водным раствором индикаторной соли из второго бака.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство имеет по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит первый датчик для мониторинга электрического параметра первого потока.
* Первый датчик выполнен с возможностью осуществления мониторинга электропроводности и/или электрического сопротивления.
* Первый датчик выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать электрический ток к первому потоку.
* Устройство содержит второй датчик для мониторинга электрического параметра второго потока.
* Второй датчик выполнен с возможностью осуществления мониторинга электропроводности и/или электрического сопротивления.
* Второй датчик выполнен в виде электролитической ячейки, способной подавать электрический ток к второму потоку.
В целом предпочтительно, чтобы первый датчик и второй датчик были выполнены с возможностью измерения электропроводности. Датчики, пригодные для измерения электропроводности воды, в частности - электролитические ячейки, пригодные для измерения электропроводности воды, известны специалистам в данной области техники и не требуют дальнейших разъяснений.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство содержит третий датчик для измерения объема воды, протекающей через фильтр.
В других предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит электронный блок управления, который соединен с первым датчиком и со вторым датчиком.
* Электронный блок управления также соединен с третьим датчиком.
* Электронный блок управления содержит внутреннюю память данных и блок обработки данных.
Предпочтительно, чтобы устройство отличалось комбинацией всех этих признаков.
В следующих предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения водоумягчительное устройство может отличаться по меньшей мере одним из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит обводную линию для смешивания второго потока умягченной воды с необработанной водой первого потока.
* Обводная линия содержит клапан для регулирования количества воды из первого потока, смешиваемого со вторым потоком.
Через обводную линию второй поток можно смешать с водой из первого потока.
Способ по настоящему изобретению является способом эксплуатации водоумягчительного устройства. Предпочтительно, устройство, эксплуатируемое этим способом, является устройством такого типа, как описанное выше. Способ включает стадии
* пропускания первого потока необработанной воды через фильтр, содержащий IEX материал, причем фильтр, в частности - IEX материал, выполнен с возможностью устранения жесткости из первого потока необработанной воды с получением второго потока умягченной воды,
* насыщения IEX материала катионом первого типа,
* насыщения IEX материала катионом второго типа,
* мониторинга электрического параметра второго потока датчиком.
Свойства и предпочтительные варианты осуществления IEX материала, катион первого типа, катион второго типа и электрические параметры второго потока воды уже обсуждены в контексте описания устройства по настоящему изобретению. Например, в контексте способа по настоящему изобретению катион первого типа и катион второго типа также выбирают так, что IEX смола обнаруживает большее сродство к катиону первого типа, чем к катиону второго типа, и катион первого типа и катион второго типа предпочтительно различаются по значениям ионной молярной электропроводности.
Предпочтительно, чтобы
* мониторируемый электрический параметр был электропроводностью или электрическим сопротивлением второго потока
и/или
* чтобы изменение мониторируемого электрического параметра использовали в качестве индикатора состояния истощения фильтра.
Особо предпочтительно, чтобы способ мог отличаться по меньшей мере одной из следующих дополнительных стадий или одним из следующих дополнительных признаков:
* Устройство содержит бак для регенерирующего агента или соединено с баком для регенерирующего агента (в частности, с таким баком, как описано выше).
* Изменение мониторируемого электрического параметра запускает процесс регенерации, включающий промывку фильтра, содержащего IEX материал, регенерирующим агентом из бака для регенерирующего агента.
* Регенерирующий агент содержит индикаторную соль, содержащую катион первого типа.
* Устройство содержит бак для индикаторной соли или соединено с баком для индикаторной соли.
* Изменение мониторируемого электрического параметра запускает процесс регенерации, включающий промывку фильтра во время первой стадии регенерантом из бака для регенерирующего агента и во время второй стадии индикаторной солью из бака для индикаторной соли.
+
+
+
Предпочтительно, чтобы способ по настоящему изобретению повторялся циклически. Полный цикл состоит из фазы штатной эксплуатации и стадии регенерации. Соответственно, за каждой стадией регенерации следует фаза штатной эксплуатации, и наоборот - за каждой фазой штатной эксплуатации следует фаза регенерации. Фаза штатной эксплуатации заканчивается, когда фильтр или (более конкретно) содержащийся в нем IEX материал истощаются. Этот момент времени выявляют по изменению мониторируемого электрического параметра, обсужденному выше. Более конкретно, этот момент времени наступает, когда мониторируемое изменение электрического параметра достигает максимума или минимума. Например, это происходит, если мониторируемая электропроводность второго потока, выходящего из фильтра, содержащего IEX материал, который насыщен Na в качестве первого катиона и ионами K в качестве второго катиона, достигает максимума из-за возрастания содержания ионов K в потоке.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ по настоящему изобретению включает по меньшей мере одну из следующих дополнительных стадий:
* Фильтр циклически регенерируется, причем во время каждой регенерации определенный процент емкости IEX материала насыщают катионом первого типа, и определенный процент емкости IEX материала насыщают катионом второго типа.
* После каждой регенерации, во время фазы штатной эксплуатации, первый поток необработанной воды пропускают через фильтр и осуществляют мониторинг электрического параметра второго потока до тех пор, пока изменение электрического параметра потока, указывающее на то, что фильтр истощен, не достигнет максимума или минимума.
SW
* Объем воды V, проходящий через фильтр во время фазы штатной эксплуатации, измеряют, предпочтительно - третьим датчиком, указанным выше.
RW
SW
IEX
IEX
Во время возможной следующей стадии можно определить жесткость необработанной воды TH как функцию измеренного объема воды V, удельной емкости C IEX материала и объема V ионообменного материала.
Приведенное ниже уравнение дает результаты с относительно хорошей точностью, в частности, если от 2% до 8% емкости IEX материала насыщено катионом первого типа:
RW
IEX
IEX
SW
TH=C*V/V
В следующем предпочтительном варианте осуществления способ по настоящему изобретению включает по меньшей мере одну из следующих дополнительных стадий, предпочтительно - все следующие дополнительные стадии:
* Второй поток умягченной воды смешивают с необработанной водой первого потока через обводную линию.
* Во время фазы штатной эксплуатации соотношение первого потока и второго потока поддерживают постоянным.
* Соотношение первого потока и второго потока регулируют в конце фазы штатной эксплуатации в зависимости от мониторируемого изменения электрического параметра второго потока.
Регулировка может автоматически контролироваться электронным блоком управления.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения можно определить на основании графических материалов и приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные ниже, предназначены исключительно для иллюстративных целей и для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения, и они ни в коей мере не ограничивают его.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
+
Фиг. 1 схематически иллюстрирует общий процесс ионного обмена во время эксплуатации водоумягчительного устройства, содержащего фильтр, содержащий IEX смолу, используемую в Na-форме.
Фиг. 2 схематически иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления водоумягчительного устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 3 схематически иллюстрирует еще один предпочтительный вариант осуществления водоумягчительного устройства по настоящему изобретению.
+
2+
2+
+
Фиг. 4 иллюстрирует изменения концентраций ионов Na, Са, Mg и K в умягченной воде, выходящей из фильтра водоумягчительного устройства по настоящему изобретению, как функцию объема, прошедшего через фильтр.
Фиг. 5 иллюстрирует электропроводность умягченной воды, выходящей из фильтра водоумягчительного устройства по настоящему изобретению, и концентрацию ионов жесткости как функцию объема, прошедшего через фильтр.
Фиг. 6 иллюстрирует концентрацию ионов жесткости при пиковом значении электропроводности, измеренном в воде, выходящей из фильтра водоумягчительного устройства по настоящему изобретению, как функцию насыщения IEX смолы индикаторной солью.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
+
(1) Общий процесс ионного обмена при использовании SAC IEX смолы, используемой в Na-форме
2+
2+
+
У большинства встречающихся природных вод общая жесткость ТН (ТН; от англ.: total hardness) соответствует сумме концентраций ионов Са и Mg в воде. Такая вода, обрабатываемая в слое SAC смолы, используемой в Н-форме, будет реагировать следующим образом:
2+
+
2
2R-COO-Na+Са→(R-COO)-Ca+2Na
+
2+
2+
Ионы Na, фиксированные на SAC смоле, заменяются на ионы жесткости (Са и Mg). Процесс проиллюстрирован на Фиг. 1.
(2) Предпочтительный вариант осуществления устройства по настоящему изобретению
Устройство 100, изображенное на Фиг. 2, содержит фильтр 101, содержащий SAC IEX смолу, и бак 108 для солевого раствора, содержащий солевой раствор. На вершине фильтра 101 установлена головка 102 фильтра. Головка 102 фильтра содержит многоходовой клапан или комбинацию клапанов. Многоходовой клапан или комбинация клапанов регулируют все потоки, идущие от фильтра 101 и к фильтру 101, включая поток необработанной воды к фильтру 101 и поток умягченной воды, который выходит из фильтра 101. Через клапан или комбинацию клапанов фильтр 101 также подключен к баку 108 для солевого раствора.
IEX смолу, находящуюся в фильтре 101, необходимо регенерировать через определенные интервалы. В ходе регенерации насыщенный солевой раствор подают из бака 108 для солевого раствора через линию 109 (которая включает клапан 110) и головку 102 фильтра в фильтр 101, промывая находящийся в фильтре слой смолы. Солевой раствор содержит (кроме основной регенерирующей соли - хлорида натрия) растворенный в качестве индикаторной соли хлорид калия. Предпочтительно разбавить солевой раствор в головке 102 фильтра перед промывкой слоя смолы водой, например - необработанной водой из линии 103. Например, предпочтительно довести концентрацию соли в солевом растворе до значения, равного примерно 10 масс. %. Отработанный солевой раствор, который выходит из фильтра 101, можно удалить в отходы через линию 111. После регенерации обычно от 2% до 8% емкости IEX смолы насыщено калием, а остальная часть насыщена ионами натрия. Точное значение зависит от условий регенерации и от композиции солевого раствора.
Необработанная вода входит в головку 102 фильтра через линию 103. Поток умягченной воды выходит из головки 102 фильтра через линию 107. Имеется прямая обводная линия 104, которая напрямую соединяет линии 103 и 107. Воду, которая вышла из фильтра 101, можно смешать с необработанной водой через обводную линию 103. Количество необработанной воды можно регулировать клапаном 105.
Устройство 100 содержит два датчика 112 и 114 для измерения электропроводности воды, протекающей через устройство. Датчик 112 расположен в выпускной линии 107. Датчик 114 расположен во впускной линии 103. Кроме этих датчиков, устройство 100 содержит датчики 113 и 119, предназначенные для измерения потока воды, протекающего через фильтр 101 и через обводную линию 104. Датчики 112, 113, 114 и 119 подсоединены к электронному блоку 115 управления.
(3) Другой предпочтительный вариант осуществления устройства по настоящему изобретению
Устройство 200, изображенное на Фиг. 3, содержит фильтр 201, содержащий SAC IEX смолу, бак 208 для солевого раствора, содержащий водный раствор хлорида натрия в качестве регенерирующей соли, и бак 206 для индикаторной соли, содержащий водный раствор хлорида калия в качестве индикаторной соли. На вершине фильтра 201 установлена головка 202 фильтра. Эта головка 202 фильтра содержит многоходовой клапан или комбинацию клапанов. Многоходовой клапан или комбинация клапанов регулируют все потоки, идущие от фильтра 201 и к фильтру 201, включая поток необработанной воды к фильтру 201 и поток умягченной воды, который выходит из фильтра 201. Через клапан или комбинацию клапанов фильтр 201 также подключен к баку 208 для солевого раствора и к баку 206 для индикаторной соли.
IEX смолу, находящуюся в фильтре 201, необходимо регенерировать через определенные интервалы времени. В ходе регенерации водный раствор хлорида натрия вначале подают из бака 208 для солевого раствора через линию 209 (которая включает клапан 210) и через головку 202 фильтра в фильтр 201, промывая находящийся в фильтре слой смолы. Затем, во время второй стадии водный раствор хлорида калия подают из бака 206 для индикаторной соли через линию 216 (которая включает клапан 218) и через головку 202 фильтра в фильтр 201.
Предпочтительно разбавить водный раствор хлорида натрия и/или водный раствор индикаторной соли в головке 202 фильтра водой перед промывкой слоя смолы, например - необработанной водой из линии 203. Например, предпочтительно довести концентрацию соли в солевом растворе до значения, равного примерно 10 масс. %. Отработанный регенерирующий агент, который выходит из фильтра 201, можно удалить в отходы через линию 211. После регенерации обычно от 2% до 8% емкости IEX смолы насыщено калием, а остальная часть насыщена ионами натрия. Точное значение зависит от условий регенерации и от композиции водного раствора индикаторной соли.
Необработанная вода входит в головку 202 фильтра через линию 203. Поток умягченной воды выходит из головки 202 фильтра через линию 207. Имеется прямая обводная линия 204, которая напрямую соединяет линии 203 и 207. Умягченную воду, которая вышла из фильтра 201, можно смешать с необработанной водой через обводную линию 203. Количество необработанной воды можно регулировать клапаном 205.
Устройство 200 содержит два датчика 212 и 214 для измерения электропроводности воды, протекающей через устройство. Датчик 212 расположен в выпускной линии 207. Датчик 214 расположен во впускной линии 203. Кроме этих датчиков, устройство 200 содержит датчик 213, предназначенный для измерения объема воды, протекающего через фильтр 201. Датчики 212, 213 и 214 подсоединены к электронному блоку 215 управления.
(4) Подробное описание предпочтительного варианта осуществления способа по настоящему изобретению
2+
2+
Способ по настоящему изобретению отличается, в частности, использованием регенерирующего агента, содержащего индикаторную соль, для регенерации IEX смолы. Важными являются природа этой соли и, особенно, селективность смолы по отношению к этой соли. Чтобы получить желаемый эффект, селективность IEX смолы к индикаторной соли должна лежать между селективностью к соли, используемой для регенерации (обычно - натриевой соли), и селективностью к ионам жесткости (Mg и Са). Для SAC смолы порядок аффинности/селективности к наиболее распространенным ионам является следующим:
+
+
+
+
+
2+
2+
4
Li<Н<Na<NH<K<Mg<Са
+
+
+
2+
2+
+
4
В случае водоумягчителя, регенерированного солью натрия (с ионами Na), соль калия (с ионами K) будет удовлетворять указанному выше условию, поскольку ее селективность расположена между селективностью к ионам натрия (Na) и ионам жесткости (Mg и Са). Ион аммония (NH) также будет удовлетворять этому условию, поэтому соль аммония также можно использовать в качестве индикаторной соли. Фактически, любую соль, селективность которой расположена между селективностью к ионам жесткости и селективностью к регенерирующей соли можно использовать в качестве индикаторной соли.
Катионы индикаторной соли фиксируются на IEX смоле во время регенерации, и в частности - во время стадии обработки солевым раствором. Во время этой стадии IEX смолу промывают солевым раствором из бака для солевого раствора. Целью является получение в конце регенерации насыщения индикаторной солью, лежащего в диапазоне от 0,5% до 20% от рабочей емкости IEX смолы.
Существуют два различных подхода к обеспечению контакта индикаторной соли с IEX смолой. Первый подход состоит в смешивании индикаторной соли с солевым раствором в баке для солевого раствора. Второй подход состоит в установке (кроме бака для солевого раствора) второго бака, содержащего индикаторную соль, например - в форме водного раствора. Этот подход предпочтителен для промышленных применений.
В случае регенерации натриевой солью в качестве регенерирующей соли в бытовых условиях (примерно 90 г NaCl на литр IEX смолы) обычно эффективность регенерации по натрию равна примерно 60%. Это означает, что из 1 моля натриевой соли, прошедшего через фильтр с IEX смолой, примерно 0,6 моля фиксируется на IEX смоле. При использовании регенеранта, содержащего регенерирующую соль и индикаторную соль, эффективность регенерации для индикаторной соли ниже, чем для регенерирующей соли. Например, для получения насыщения калием, равного 5% от емкости IEX смолы, эффективность регенерации по калию равна примерно 45% (при использовании 90 г NaCl на литр IEX смолы). Несмотря на то, что селективность смолы к калию выше, более высокая концентрация солевого раствора в этих условиях снижает селективность к индикаторной соли во время регенерации.
В случае регенерации натриевой солью в качестве регенерирующей соли в промышленных условиях обычно солевой раствор из бака для солевого раствора первым пропускают через слой IEX смолы. Индикаторную соль подают к IEX смоле во время второй стадии, после того как IEX смола регенерирована стандартной регенерирующей солью. В тот момент, когда индикаторную соль приводят в контакт с IEX смолой, больше не существует конкуренции между двумя солями. В этом случае IEX смола, регенерированная стандартной регенерирующей солью, демонстрирует более высокое сродство к индикаторной соли, и регенерационная эффективность индикаторной соли близка к 100%.
Для того чтобы понять, что происходит со слоем IEX смолы (которая была регенерирована регенерирующей солью и индикаторной солью) во время штатной эксплуатации, приведен следующий пример.
+
Фильтр заполнен 25 литрами SAC IEX смолы. Стандартным регенерирующим агентом для такого фильтра является NaCl при используемом количестве регенеранта, равном 90 г NaCl на литр IEX смолы для бытового применения, что приводит к исходной рабочей емкости необработанной IEX смолы, равной 1,1 экв/л. В качестве индикаторной соли был выбран KCl. Условия регенерации были заданы таким, чтобы 5% емкости IEX смолы было насыщено K. Необработанная вода содержала 26°f общей жесткости. Подробности относительно композиции необработанной воды приведены ниже:
Т=15°С
рН=7,6
2+
Са=2,39 ммоль/л
2+
Mg=0,21 ммоль/л
+
Na=0,29 ммоль/л
+
K=0,06 ммоль/л
3
-
NO=0,25 ммоль/л
-
Cl=0,25 ммоль/л
4
2-
SO=0,36 ммоль/л
Щелочность=4,88 ммоль/л
+
2+
2+
+
Скорость потока воды внутри фильтра была задана равной 630 л/ч (при линейной скорости, равной 19,6 м/ч). Проводили мониторинг изменений концентраций катионов Na, Са, Mg и K в умягченной воде, выходящей из фильтра. Результаты показаны на Фиг. 4.
+
2+
2+
+
+
+
2+
2+
+
В соответствии с селективностью IEX смолы по отношению к ионам Na, Са, Mg и K наблюдали хроматографический эффект. Индикаторная соль (K), селективность к которой лежала между селективностью к регенерирующей соли (Na) и селективностью к ионам жесткости (Саи Mg), выделилась до прорыва ионов жесткости, но лишь после того, как концентрация Na начала значительно снижаться. Это привело к изменению электропроводности воды, выходящей из фильтра, см. Фиг. 5.
2
-1
2
-1
Пик электропроводности соответствует концентрации ионов калия в воде, выходящей из фильтра. Тот факт, что электропроводность возрастает в соответствии с концентрацией калия, можно объяснить ионной молярной проводимостью каждого иона. Ионы натрия имеют ионную молярную проводимость, равную 5,01 См⋅м⋅моль, а ионы калия - 7,35 См⋅м⋅моль. Поскольку ионы калия демонстрируют более высокую ионную молярную проводимость, это объясняет, почему электропроводность возрастает, когда ионы натрия начинают заменяться ионами калия в конце емкости фильтра. Калиевый пик указывает на то, что приближается прорыв ионов жесткости.
Таким образом, можно обнаружить прорыв ионов жесткости посредством мониторинга электропроводности на выходе из фильтра, в частности - посредством выявления пика электропроводности. Представленный способ может фокусироваться исключительно на электропроводности, измеряемой на выходе из фильтра с использованием единственного датчика, или на отношении электропроводности на выходе к электропроводности на входе с датчиком электропроводности на входе фильтра и другим датчиком, установленным на выходе (см. Фиг. 2: датчик 112 электропроводности расположен ниже по течению относительно фильтра, датчик 114 электропроводности расположен выше по течению относительно фильтра). Вторая конфигурация представляет особый интерес в случае вариабельных свойств необработанной воды, чтобы гарантировать, что пик электропроводности умягченной воды, обусловленный изменениями свойств необработанной воды, не будет интерпретирован устройством как прорыв ионов жесткости.
Промышленное применение
Водоумягчительное устройство, пригодное для промышленного применения, изображено на Фиг. 3. В случае промышленного применения обводная линия 204 между необработанной и умягченной водой закрыта или отсутствует. Требуемый уровень жесткости после водоумягчительного устройства предпочтительно равен 0°f.
При определенной концентрации ионов жесткости в необработанной воде концентрация утечки жесткости на пике электропроводности, измеренном в выпускной линии 207, непосредственно связана с количеством индикаторной соли, зафиксированным на IEX смоле во время регенерации. График на Фиг. 6 иллюстрирует концентрацию ионов жесткости при пике электропроводности, измеренном в выпускной линии 207, как функцию насыщения IEX смолы индикаторной солью.
Из этого графика становится очевидным, что в зависимости от количества захваченной индикаторной соли можно регулировать утечку ионов жесткости на пике электропроводности при определенной концентрации ионов жесткости в необработанной воде. В промышленном применении стандартная конфигурация состоит в наличии конечного умягчителя ниже по течению относительно первого водоумягчительного устройства. Поэтому, несмотря на то, что уровень жесткости в умягченной воде должен оставаться равным 0°f, можно допустить ограниченную утечку ионов жесткости на выходе из первого водоумягчительного устройства. При наличии конечного умягчителя эта утечка будет захвачена конечным умягчителем.
+
Это позволяет сделать вывод о том, что, если жесткость необработанной воды известна, количество индикаторной соли, захваченной во время регенерации, можно установить на требуемом уровне, чтобы получить желаемую утечку жесткости в конце каждого цикла, когда возникнет пик электропроводности. Например, если необработанная вода характеризуется постоянной жесткостью, равной 26°f, а целевая жесткость равна 2°f, опять-таки в конце каждого цикла, когда возникает пик электропроводности, то подходящим будет насыщение IEX смолы индикаторной солью (в форме K), равное 10%. В этом случае количество индикаторной соли, захваченное во время регенерации, можно задать таким, чтобы получить 10%-ное насыщение IEX смолы. Поскольку регенерационная эффективность индикаторной соли в этой конфигурации близка к 100%, количество индикаторной соли можно точно задать таким, чтобы он соответствовало условию целевой утечки в конце каждого цикла, когда возникает пик электропроводности.
Бытовое применение
Водоумягчительное устройство согласно Фиг. 2 пригодно, в частности, для бытового применения. Среди прочего, оно содержит датчик 113 для измерения количества воды, которое протекает через фильтр 101.
SW
Такой датчик позволяет определить объем воды V, прошедший через фильтр за период между предыдущей регенерацией и моментом, когда возник пик электропроводности, показанный на Фиг. 5. Поскольку количество регенеранта, использованное во время предыдущей регенерации, известно, известна также емкость IEX смолы. На основании объема воды, емкости IEX смолы и объема ионообменной смолы можно определить концентрацию ионов жесткости в необработанной воде с относительно хорошей точностью согласно следующей формуле:
RW
IEX
IEX
SW
TH=C*V/V
где
SW
- V - это объем воды [л], обработанный до момента, когда мониторируемая электропроводность достигла максимума,
IEX
-1
- C - это удельная емкость [экв*л] IEX смолы,
IEX
- V - это объем [л] IEX смолы в фильтре,
RW
*
-1
2+
2+
- TH - это суммарная концентрация [мэквл] ионов жесткости ([Са]+[Mg]) в необработанной воде.
3
Согласно графику из Фиг. 5 пик электропроводности возник при 5,2 м. В этом случае оценка жесткости необработанной воды даст следующий результат:
RW
*
-1
TH=1,1*25/5200=5,28 мэквл≈26,4°f
Для жесткости необработанной воды, равной 26,0°f, оценка, равная 26,4°f, согласно приведенному выше способу дает жесткость необработанной воды с точностью, равной в этом случае 1,5%, при 5%-ном насыщении IEX смолы индикаторной солью.
После того как жесткость необработанной воды будет определена после первой регенерации с использованием индикаторной соли, обводную линию можно настроить при помощи клапана 105, например - автоматически с использованием контроллера 115, для получения желаемой концентрации ионов жесткости в умягченной воде. При бытовом применении целевое значение лежит в диапазоне от 8°f до 12°f. Заданное значение может быть введено пользователем, и обводная линия будет автоматически настроена для получения заданного значения жесткости. Для этого может потребоваться дополнительный датчик для определения объема воды, проходящего через обводную линию 104. С помощью такого датчика количество необработанной воды, смешиваемое с умягченной водой, можно отрегулировать до желаемого уровня.
Выше было объяснено, что при определенной жесткости необработанной воды и определенном насыщении IEX смолы индикаторной смолой можно определить концентрацию утечки жесткости на пике электропроводности. Поэтому в конце каждого цикла, когда электропроводность начинает расти, можно связать возрастание электропроводности с увеличением утечки ионов жесткости. В этих условиях настройка обводной линии может быть автоматически отрегулирована так, что клапан 105 постепенно закрывается для поддержания уровня жесткости ниже по течению относительно устройства на постоянном уровне.
Это дает возможность производить истощение слоя IEX смолы до тех пор, пока уровень жесткости на выходе из фильтра не достигнет значения, заданного для смешанной воды, так что с использованием IEX смолы можно обработать максимальный объем воды. Эта точка будет достигнута, и регенерация будет запущена, когда байпасный клапан будет полностью закрыт, а утечка ионов жесткости достигнет заданного значения.