Восстановление смолы ионообменной: Сколько раз можно регенерировать ионообменную смолу

Прежде чем мы начнем: что такое pI, изоэлектрическая точка белка?

Изоэлектрическая точка (pI) — это pH, при котором белок не имеет чистого заряда.Ионообменная хроматография использует тот факт, что соотношение между чистым поверхностным зарядом и pH уникально для конкретного белка.
Белок, который не имеет чистого заряда при pH, эквивалентном его изоэлектрической точке (pI), не будет взаимодействовать с заряженной смолой. Однако при pH выше своего p1 белок будет связываться с положительно заряженной смолой для ионообменной хроматографии или анионообменником. При pH ниже его pI белок будет связываться с отрицательно заряженной смолой IEX или катионитом (рис. 1).

Рис. 1. Изоэлектрическая точка (pI) белка — это pH, при котором белок не заряжен и, следовательно, не связывается с какой-либо ионообменной смолой.

Вернуться к списку

Выберите ионообменник, подходящий для вашего белка

Функциональные группы, используемые для создания ионообменной смолы (таблица 1), определяют заряд смолы, то есть положительно заряженный анионообменник или отрицательно заряженный катионообменник.

Таблица 1.Функциональные группы, используемые в ионообменниках

* Активный конец заряженной группы одинаков для DEAE и ANX.Разница между ними заключается в длине углеродной цепи заряженной группы. DEAE имеет диэтиламиноэтильную группу, связанную с агарозой. ANX имеет присоединенную диэтиламинопропильную группу, которая предотвращает образование четвертичных групп, обеспечивая иную селективность по сравнению с DEAE.

Термины «сильный» и «слабый» относятся к степени, в которой состояние ионизации функциональных групп изменяется в зависимости от pH. Термины «сильный» и «слабый» не относятся к силе, с которой функциональные группы связываются с белками.

Сильные ионообменники не изменяют ионообменную способность при изменении pH. Эти обменники не поглощают и не теряют протоны при изменении pH, оставаясь полностью заряженными в широком диапазоне pH. Сильные ионообменники включают Q (анионный), S и SP (катионный).

Работа с сильными ионообменниками дает несколько преимуществ:

• Разработка и оптимизация разделения выполняются быстро и легко, поскольку характеристики заряда смолы не меняются с изменением pH.
• Механизм взаимодействия прост, поскольку отсутствуют промежуточные формы зарядового взаимодействия.
• Емкость загрузки (связывания) образца сохраняется при высоком или низком pH, так как ионообменник не теряет заряд.

Слабые ионообменники могут поглощать или терять протоны при изменении pH. В результате их ионообменная способность зависит от pH. Преимущество слабого ионообменника, такого как DEAE (анионный), ANX (анионный) и CM (катионный), заключается в том, что они могут обеспечивать иную селективность по сравнению с сильными ионообменниками.

При выборе ионообменника существует два основных сценария, в зависимости от того, знаете ли вы pI своего белка.

Если изоэлектрическая точка (pI) вашего белка известна

pI белка определяет pH буфера и ионообменную колонку, которую нужно использовать.

• При pH буфера выше его pI, белок заряжается отрицательно и связывается с анионообменником.
• При pH буфера ниже его pI белок заряжается положительно и связывается с катионитом.

Если изоэлектрическая точка (pI) вашего белка неизвестна

Если вы не знаете pI вашего белка, не будет очевидно, какой pH-буфер или ионообменную смолу использовать, поскольку заряд белка при различных значениях pH неизвестен. Исследования показали, что большинство цитоплазматических белков как у прокариот, так и у эукариот имеют pI в диапазоне pH от 5 до 6. Поэтому хорошей рекомендацией является выбор сильного анионообменника с нейтральным pH в качестве отправной точки, такого как четвертичный аммоний или Смолы «Q».

Другой вариант — использовать набор для выбора ионного обмена для отбора наиболее подходящего ионообменника. Результаты скрининга четырех различных анионообменников показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Наборы для выбора ионообменных смол (IEX) можно использовать для проверки нескольких ионообменников с целью определения наиболее подходящей смолы для использования. В этом примере модельные белки были использованы для демонстрации различных связывающих свойств ионообменных лигандов в идентичных условиях.

Вернуться к списку

Соответствующий буфер для ионообменной хроматографии имеет решающее значение для связывания с белками

pH буфера не должен быть слишком близким к pI

Соответствующий буфер IEX поможет обеспечить правильное связывание с белками. Выбор буфера зависит как от pI вашего белка, так и от диапазона его стабильности pH (белки часто нестабильны при pH = pI), а также от типа ионообменника.

pH стартового буфера должен быть не менее 0.На 5 единиц pH выше pI целевого белка при использовании анионита. Для катионообменников pH стартового буфера должен быть по крайней мере на 0,5 единицы pH на ниже pI целевого белка.

Выберите подходящий ионный буфер

Выбор буферного иона имеет решающее значение для связывания с белком. Когда буфер содержит неправильный буферный ион, он может предотвратить связывание целевого белка со смолой. Поэтому выберите буферный ион с таким же зарядом, что и смола, чтобы предотвратить его взаимодействие с процессом ионного обмена.
Исключением из этого правила является использование фосфатных буферов с анионообменным разделением. Однако фосфатные буферы, используемые при анионном обмене, должны быть тщательно подготовлены, чтобы обеспечить воспроизводимость между прогонами.

На рис. 3 перечислены обычно используемые буферы для анионной и катионообменной хроматографии. Наша рекомендация — использовать концентрацию буфера, достаточную для поддержания буферной емкости, постоянного pH и достаточно низкой ионной силы. Этим потребностям обычно удовлетворяет концентрация буфера от 20 до 50 мМ.

Буферы для анионообменной хроматографии
Выберите буфер с pH не менее 0,5 единицы выше pI

Буферы для катионообменной хроматографии
Выберите буфер не менее чем на 0,5 единицы pH ниже pI

Рис. 3. Обычно используемые буферы для анионной и катионообменной хроматографии.

Вернуться к списку

Используйте правильные условия образца во время нанесения образца, чтобы гарантировать связывание с белком

Что произойдет, если условия пробы не верны?

При неправильных условиях образец, который должен был прилипнуть к колонке, может быть вымыт во время загрузки пробы и начальной промывки колонки (рис. 4).

Рекомендации по получению образцов в правильном состоянии перед ионообменной хроматографией

Следующим шагом после определения подходящего pH-буфера и ионообменника является обеспечение правильных условий связывания во время нанесения образца.

• Уровень pH образца должен быть отрегулирован в соответствии с pH выбранного стартового буфера.
• Концентрация соли в образце должна быть ниже концентрации соли, необходимой для элюирования.
• Колонка должна быть тщательно уравновешена стартовым буфером или буфером связывания.

Пример правильной и неправильной пробоподготовки перед ионообменной хроматографией

На рис. 4A показано разделение на анионообменной колонке с образцом, который не был доведен до того же pH, что и исходный буфер. PH пробы более кислый, что видно по провалу на кривой pH. В результате большое количество пробы не связывается с колонкой во время загрузки пробы и вымывается.

На рис. 4В показан тот же образец, нанесенный на анионообменную колонку с pH образца, отрегулированным для соответствия pH исходного буфера.Эффекты очевидны.

Такой же результат будет наблюдаться при нанесении образцов с высокой ионной силой. Если ионная сила образца такая же или выше ионной силы, необходимой для элюирования, образец не будет связываться и будет вымыт с результатами, подобными показанным на рисунке 4A.

Условия буфера для образца особенно важны для больших объемов образца, например, когда объем образца больше, чем объем колонки. В этом случае колонка уравновесится с буфером для образца во время нанесения образца.

Для меньших объемов образца, обычно одной десятой объема колонки, более важно, чтобы колонка была тщательно уравновешена правильным стартовым буфером, поскольку образец будет сильно разбавлен этим буфером и, таким образом, будет иметь правильные условия для связывания. .

Как получить правильные условия пробы

Для получения оптимальных результатов перенесите образцы в начальный буфер перед их применением в колонке. Этого можно добиться с помощью обессоливающей колонны.Если замена буфера невозможна, убедитесь, что образец находится рядом с pH исходного буфера, что ионная сила достаточно низкая и что колонка тщательно уравновешена начальным буфером.

Образец не был доведен до pH исходного буфера

A. Большое количество пробы не связано с колонкой и вымывается

Образец доводили до pH исходного буфера

B. Образец привязан к столбцу

Рис 4.Образец должен иметь правильный pH, чтобы гарантировать связывание с ионообменной смолой.

Вернуться к списку

Очистка загрязненной ионообменной хроматографической колонки может восстановить связывающую способность

Когда ионообменная колонка используется в течение некоторого времени, ее необходимо очистить от осажденных белков или других загрязняющих веществ, накопившихся в колонке. Действительно, грязная колонка может снизить связывающую способность ионообменной смолы.

На необходимость очистки может указывать появление цветной полосы в верхней части колонки, значительное увеличение противодавления или потеря разрешения.

В примере, показанном ниже, белок был очищен из лизата E. coli с использованием ионообменной колонки объемом 1 мл (HiTrap Q HP). После стадии очистки (фиг. 5A) емкость была снова проверена, и результат показал, что 23% емкости было потеряно (фиг. 5B). Путем очистки колонки с использованием 1 M NaOH (3 × 2 мл) емкость была восстановлена, как показано справа (рис. 5C).Этот пример показывает, что важно регулярно чистить колонку для поддержания ее производительности.

Рис. 5: Способность связывать альбумин на свежей ионообменной колонке (A) после инъекции 30 мл E.coli (B) и после очистки (C). Колонка: HiTrap Q HP 1 мл.

Вернуться к списку

Избегайте потери белка, используя ионообменную смолу с достаточной связывающей способностью

Низкий выход целевого белка может происходить из-за превышения связывающей способности ионообменной смолы с белком, и целевой белок проходит прямо через колонку.

Чтобы увеличить связывающую способность, используйте смолы с высокой емкостью или используйте большее количество смолы для связывания белка.Вы также можете увеличить связывающую способность смолы, оптимизируя рабочие условия, такие как pH, концентрация соли и скорость потока. Дополнительные сведения см. В этой статье о емкости динамического связывания (DBC).

Если вы используете ионообменные колонки HiTrap, удобный способ увеличения связывающей способности — это соединение до трех колонок последовательно (рис. 6). Обратите внимание, что противодавление будет увеличиваться, поэтому скорость потока необходимо уменьшить. Другой вариант увеличения связывающей способности — использовать предварительно набитую колонку большего размера, такую ​​как ионообменная колонка HiPrep, которая содержит 20 мл смолы (рис. 6).

Рис. 6. Увеличьте связывающую способность за счет увеличения количества смолы, используя несколько колонок в серии или используя колонку большего размера.

Если вам нужны дополнительные советы по ионообменной хроматографии, мы рекомендуем вам прочитать наше руководство по ионообменной хроматографии.

Вернуться к контрольному списку

Ионообменные смолы Lewatit® — универсальные решения для химических процессов

Проверенные временем продукты с высоким потенциалом для инноваций

Подразделение ионообменных смол, LANXESS Deutschland GmbH, Леверкузен

Химические процессы включают стадии обработки исходных химических материалов, синтеза продуктов, выделения образовавшихся материалов из реакционной смеси и последующей очистки.В более широком контексте промышленных процессов эти шаги также включают детоксикацию потоков отходов для защиты окружающей среды и восстановление ценных материалов. Ионообменные смолы из обширного ассортимента продукции Lewatit ^® от LANXESS Deutschland GmbH были успешно использованы на всех этих важных этапах.

Исследователи, специалисты по производству и применению ионообменных смол LANXESS адаптировали характеристики ионообменных смол в качестве катализаторов или селективных адсорбентов для сложных и, в некоторых случаях, экзотических условий реакции, чтобы удовлетворить особые требования наших клиентов.Ионообменные смолы были разработаны и модифицированы для индивидуальных технологических решений. Их использование сегодня выходит далеко за рамки умягчения или деминерализации воды и с успехом переместилось в новые и требовательные области применения.

Несколько десятков различных процессов успешно использовались в течение многих лет. Разработка новых продуктов постоянно стимулируется разнообразием доступных продуктов и процессов, все более строгими экологическими требованиями, растущими ценами на сырье и растущим дефицитом ресурсов.Ионообменные смолы обладают большим потенциалом для инноваций в целом ряде областей применения. Они позволяют конфигурировать процессы, включающие сложную химию, с помощью относительно простого оборудования.

Следующие ниже реальные примеры из различных отраслей промышленности дают впечатляющую иллюстрацию широкого применения смол. Большинство из этих процессов уже реализовано в промышленных масштабах, хотя некоторые все еще находятся на пилотной стадии:

Очистка органических жидкостей:

Помимо деминерализации и снижения кислотности органических растворителей, таких как спирты, кетоны, полиэфиры, нефтехимические фракции C4-C5 и конденсаты природного газа, органические компоненты также могут быть удалены из органических жидкостей с помощью специальных связывающих механизмов.Например, одним из перспективных приложений для Lewatit ^® является удаление глицерина из биодизельного топлива или восстановление катализаторов из благородных металлов. Катализ органических реакций: как иммобилизованные кислоты, ионообменные смолы катализируют синтез, например, бисфенола А, МТБЭ, ТАМЭ, фенолалкилатов и сложных эфиров. Кроме того, они также могут способствовать расщеплению дисахаридов или сложных эфиров, таких как метилацетат.

Очистка химикатов:

Различные типы примесей могут быть удалены из концентрированных рассолов (NaCl, NaNO ₃ , KCl, MgCl ₂ ), раствора гидроксида натрия, гидразина, аммиака, раствора хромата и перекиси водорода, среди прочего, а также из органических жидкостей, таких как в виде спиртов, биодизеля или фракций C4-C5.Таким образом, ионообменные смолы могут положительно влиять на срок службы и качество широкого диапазона растворов электролитов, например, используемых в гальванике.

Восстановление кислоты:

Даже сильно диссоциированные кислоты с концентрацией до 30 процентов могут быть освобождены от примесей (таких как ионы металлов) с помощью Lewatit ^® , что обеспечивает стабильное качество циклов в травильных ваннах.

Извлечение металла:

Обогащение, выделение и получение в чистом виде широкого диапазона металлов возможно в больших масштабах (например,грамм. шахты) и малые (например, вторичные потоки в химических процессах). Селективность ионообменных смол используется для обогащения и концентрации определенных ионов металлов из технологических потоков.

Очистка сточных вод:

Смолы с селективным обменом позволяют удалять тяжелые металлы из сточных вод. Щелочные металлы и щелочноземельные металлы, которые гораздо менее опасны с точки зрения окружающей среды, не подвергаются воздействию и остаются в воде. Пороговые значения с остаточными концентрациями в диапазоне частей на миллиард можно поддерживать в ситуациях, когда простые методы осаждения обычно не работают.Помимо отделения тяжелых металлов, ионообменные смолы и адсорбирующие смолы также могут использоваться для селективного удаления бора, аммиака, цианида, фторида и ряда органических соединений.

Очистка подземных вод:

Загрязнения подземных вод, такие как цианиды, хроматы, нитраты, тяжелые металлы, мышьяк, органические примеси, аммиак и фторид, можно удалить с помощью Lewatit®.

Очистка отработанного воздуха:

Кислотные ионообменные смолы адсорбируют щелочные газы, такие как NH ₃ , а щелочные ионообменные смолы адсорбируют кислые газы, такие как HCl и SO ₂ .Системы очистки небольших газовых потоков уже используются в чистых помещениях.

Очистка почвы:

Lewatit ^® может использоваться для связывания и иммобилизации тяжелых металлов в почве. Это предотвращает попадание токсичных веществ в грунтовые воды или поглощение их растениями.

Модульная система для индивидуальных ионообменных растворов

Селективность функциональных групп, интегрированных в шарики смолы, обычно является ключом к тому, как работает приложение.Соответствующая химическая группа должна быть выбрана из примерно двенадцати возможных вариантов. Кроме того, загрузка смолы ионами металлов, таких как палладий, железо, цинк, кальций и алюминий, представляет собой дополнительные способы управления реакцией и возможностями связывания в смоле.

Эффективность процесса также можно контролировать с помощью внутренней (структура пор) и внешней структуры смолы (гранулометрический состав). Таким образом, внедрение ионообменных смол с более узким гранулометрическим составом, известных как монодисперсные смолы, стало ключевой вехой в оптимизации продукта.Новые технологии производства и соответствующее улучшение как внешней, так и внутренней структуры шариков смолы позволили улучшить кинетику обменных реакций и осмотическую стабильность материала. Успех был достигнут за счет более высокой полезной емкости, более высокой селективности в процессах разделения, а также более длительного срока службы смолы.

В то время как первое поколение монодисперсных смол обычно имело диаметр гранул 0,5-0,6 мм, дальнейшие разработки направлены на производство конкретных монодисперсных марок с большим или меньшим размером частиц.Меньшие шарики особенно привлекательны для процессов, в которых необходимы быстрая кинетика, высокая полезная производительность и четко определенные зоны реакции. Более крупное зерно особенно интересно для гидрометаллургических применений, где первостепенное значение имеют технические требования, связанные с падением давления. Кроме того, регулирующий эффект на селективность реакций может быть достигнут за счет степени замещения и сшивки в структуре полимера.

LANXESS предлагает более 100 продуктов и ассортимент ионообменных смол, которые можно использовать в качестве модульной системы для создания индивидуальных решений.Сотрудничество является привлекательным вариантом для клиентов, поскольку оно предлагает широкий выбор высококачественной продукции и возможность работать один на один с нашими опытными химиками и техниками-технологами в прикладной лаборатории.

Справочник по воде — Ионный обмен и деминерализация воды

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов. Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами.Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы. Перегрев, вызванный накоплением накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам трубок, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям. Ионы жесткости, такие как кальций и магний, необходимо удалить из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для бойлера. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая диоксид углерода и кремнезем.Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники обменивают один ион на другой, временно удерживают его, а затем переводят в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в водопроводе заменяются более приемлемыми ионами. Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных смягчителях воды.Хотя алюмосиликатные материалы сегодня используются редко, термин «цеолитный пластификатор» обычно используется для описания любого процесса катионообмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен природным материалом под названием Greensand. Greensand имел более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его большая физическая стабильность делала его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество обменных ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора.Обычно он выражается в килограммах на кубический фут в виде карбоната кальция.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катионов сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды из сульфированного угля, называемой углеродистым цеолитом, расширила применение ионного обмена до работы водородного цикла, что позволило снизить щелочность, а также жесткость.Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новую анионную смолу использовали с катионной смолой с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить из нее все растворенные соли) воду. Однако ранние аниониты были нестабильны и не могли удалять такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная кислоты.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации сшитого стирола с дивинилбензолом.Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы все еще используются в большинстве приложений для ионного обмена. Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы многими способами, чтобы соответствовать требованиям конкретных применений и обеспечить более длительный срок службы смолы.Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макроретикулярной, или макропористой, структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на Рисунке 8-1, имеют проницаемую мембранную структуру. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства приложений. Однако в некоторых случаях физическая прочность и химическая стойкость, необходимые для структуры смолы, превышают возможности типичной гелевой структуры. Макроретикулярные смолы имеют дискретные поры в матрице полистирол-дивинилбензол с высокой степенью сшивки.Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и окислительным агентам. Макроретикулярные анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. Помимо полистирол-дивинилбензольных смол (рис. 8-3), существуют более новые смолы с акриловой структурой, которая увеличивает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы.Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только одна из ионных разновидностей подвижна. Другая ионная группа присоединена к структуре гранул. На рис. 8-4 схематически изображен шарик сильнокислой катионообменной смолы, который имеет ионные центры, состоящие из неподвижных анионных (SO ₃ ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na ⁺ ). Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы.Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, прикрепленные к шарику смолы, определяют функциональную способность смолы. Смолы для промышленной водоочистки подразделяются на четыре основные категории:

• Сильный кислотный катион (SAC)
• Катион слабой кислоты (WAC)
• Сильный основной анион (SBA)
• Слабый основной анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты.Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие им основания. Эти смолы используются в большинстве приложений умягчения и полной деминерализации. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для дещелачивания, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

SAC получают свои функциональные возможности из групп сульфоновой кислоты (HSO ₃ ¯). При использовании в деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена обратима.Когда его емкость исчерпана, смолу можно регенерировать с избытком минеральной кислоты.

Сильные кислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий в качестве подвижного иона) для смягчения и в водородном цикле для декатионизации.

Катионообменные смолы со слабой кислотой получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть отработанную смолу WAC в регенерированную форму.Смолы WAC не могут удалить все катионы из большинства источников воды. Их главное достоинство — высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, требуемой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы утилизации.

Слабокислые катионные смолы используются в основном для умягчения и обезщелачивания жестких и щелочных вод, часто в сочетании с полировальными системами SAC с натриевым циклом.В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

SBA получают свои функциональные возможности из функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа четвертичных аммониевых групп, называемые типом I и типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой.Смола типа I имеет большую стабильность, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого регенерирующего химического вещества.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае катионных смол, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода, для возврата смолы в гидроксидную форму.

Слабая основная функциональность смолы происходит из первичных (R-NH ₂ ), вторичных (R-NHR ‘) или третичных (R-NR’ ₂ ) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, о чем свидетельствует следующая реакция:

НАТРИЙ ЦЕОЛИТ РАЗМЯГЧЕНИЕ

Умягчение цеолита натрия — наиболее широко применяемый вид ионного обмена. При умягчении цеолита вода, содержащая накипеобразующие ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме.В смоле ионы жесткости обмениваются с натрием, и натрий диффундирует в основной водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, может затем использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы размягчения цеолита

Удаление жесткости воды с помощью процесса умягчения цеолита описывается следующей реакцией:

Вода из правильно эксплуатируемого цеолитного умягчителя почти не имеет определяемой жесткости.Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

На рис. 8-5 показан типичный профиль жесткости сточных вод цеолитного умягчителя в течение рабочего цикла. После последнего ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не исчерпается. При истощении резко возрастает жесткость сточных вод, и требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% -ным раствором хлорида натрия, и регенерацию проводят по следующему уравнению:

Во время регенерации используется большой избыток регенерирующего агента (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле).Элюированная жесткость удаляется из умягчителя в отработанном рассоле и путем промывки.

После регенерации в смоле остается небольшая остаточная твердость. Если смолу оставить в емкости с застоявшейся водой, некоторая жесткость будет распространяться в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, вытекающая из цеолитного умягчителя, может содержать жесткость, даже если она была недавно регенерирована. Через несколько минут протекания жесткость смывается из смягчителя, и очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от скорости потока умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В таблице 8-1 показано влияние уровня регенерирующего агента на умягчающую способность гелеобразной сильной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается с увеличением дозировки регенерирующего агента, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Следовательно, эксплуатационные расходы умягчителя возрастают с увеличением уровня регенерации.Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение регенерирующей соли на 150% обеспечивает только 67% -ное увеличение рабочей емкости.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу.

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из резервуара для замены умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы.Обычно резервуар для умягчителя представляет собой вертикальный стальной резервуар высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на Рисунке 8-6. Основные характеристики емкости для умягчения включают впускную распределительную систему, свободное пространство над бортом, систему распределения регенерирующего агента, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора нижнего дренажа.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это предотвращает попадание воды в проточные каналы в слое смолы, что снизит производительность системы и качество сточных вод.Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора / ступицы с распределяющими боковыми / радиальными перегородками или простых перегородок, которые направляют поток воды равномерно по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на слой или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт позволяет смоле расширяться во время этапа регенерации с обратной промывкой без потери смолы.Он должен составлять минимум 50% объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерирующего агента обычно представляет собой систему, расположенную на стороне коллектора, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхом слоя смолы предотвращает разбавление регенерирующего агента водой в свободном пространстве. Это также снижает потребность в воде и времени для вытеснения и быстрого ополаскивания. Распределитель регенератора должен быть прикреплен к конструкции резервуара, чтобы предотвратить поломку и последующее просачивание регенерирующего агента.

Вода смягчается слоем сильнокислой катионообменной смолы в натриевой форме. Требуемое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Минимальная глубина станины 24 дюйма рекомендуется для всех систем.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды для обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению смолой или ее потере.

Несмотря на то, что используются несколько конструкций нижнего дренажа, существует два основных типа — заполнитель и удерживающий смолу. Система подпитки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, гранулированного гравия или антрацита), которая поддерживает смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подпитки. Пока поддерживающие слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из емкости.Удерживающий смолу коллектор, такой как экранированный боковой фильтр или сетчатый фильтр из профильной проволоки, дороже, чем система подпитки, но защищает от потерь смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляют поток воды и регенерирующего агента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапанов включает в себя шесть основных клапанов: вход и выход для обслуживания, вход и выход для обратной промывки, вход для регенерации и слив для регенерации / промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды.В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многопортовый клапан. Когда клапан вращается в ряде фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток так же, как и в гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить эксплуатационные ошибки, вызванные открытием неправильного клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения порта.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли / измерения рассола и оборудования для контроля разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.Оборудование для растворения / измерения предназначено для обеспечения правильного количества концентрированного рассола (приблизительно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенной соли в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления наполнением и опорожнением бака подачи, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эдукционной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной концентрации регенератора (8-10% NaCl).Рассол также можно перекачивать из резервуара для концентрированной соли и смешивать с водой для разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.

Работа умягчителя

Натриево-цеолитный умягчитель работает через два основных цикла: цикл обслуживания, в котором производится мягкая вода для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при ее исчерпании.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную распределительную систему и протекает через слой.Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в основную воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и отводится. Поток технической воды в умягчитель должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить резкие скачки и частые операции включения-выключения.

Из-за требований к смоле и конструкции емкости, операция умягчения наиболее эффективна при поддержании рабочего расхода от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при 15-20 галлонах в минуту / фут².Непрерывная работа сверх рекомендованных производителем пределов может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному снижению твердости и утечке твердости. Работа со скоростью потока ниже рекомендованной производителем также может отрицательно повлиять на характеристики умягчителя. При низких скоростях потока вода не распределяется в достаточной степени, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда умягчитель закончился, смолу необходимо регенерировать. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы.Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодический отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители до их исчерпания на основе заранее определенного периода времени или количества обработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Они часто работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие блоки находятся в эксплуатации.Это обеспечивает непрерывный поток мягкой воды. Перед вводом в эксплуатацию резервного смягчителя необходимо промыть устройство, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время выдержки.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленное ополаскивание) и быстрое ополаскивание.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды заставляет взвешенный материал накапливаться на слое смолы.Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через фильтрующее оборудование выше по потоку. На этапе обратной промывки удаляется накопившийся материал и классифицируется слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из нижнего дренажного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы и классифицировать смолу. В соответствии с классификацией смолы более мелкие шарики располагаются наверху устройства, а более крупные шарики оседают на дно.Это улучшает распределение регенерирующего химиката и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сток из выпускного отверстия обратной промывки не станет прозрачным. Потока обратной промывки должно быть достаточно, чтобы увеличить объем слоя смолы на 50% или более, в зависимости от доступного надводного щита. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению постели и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока при обратной промывке обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячая среда) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует соблюдать рекомендации каждого производителя.Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения постели холодной водой требуется меньший поток, чем теплой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока корректировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки — это фильтрованная неочищенная вода. Вода, выходящая из выпускного отверстия для обратной промывки, не изменяется по химическому составу, но может содержать взвешенные твердые частицы. В целях экономии воды стоки обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтрующий поток для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий рассол. Поток рассола входит в установку через распределитель регенератора и течет вниз через слой смолы с медленной скоростью (обычно от 0,5 до 1 галлона в минуту на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через нижний дренаж и отправляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между рассолом и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола, крепость раствора во время подачи рассола должна составлять 10%.

Displacement (Медленная промывка). После подачи регенерирующего рассола через систему распределения регенерирующего агента продолжается медленный поток воды. Этот поток воды вытесняет регенерирующий агент через слой с желаемой скоростью потока. Этап замещения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенерирующего агента с дном слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно такой же, как и при разбавлении концентрированного рассола.Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной, чтобы позволить примерно одному объему слоя смолы пройти через установку. Это обеспечивает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрая промывка. После завершения промывки вытеснением вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет оставшийся рассол, а также любую остаточную жесткость со слоя смолы. Скорость потока при быстрой промывке обычно составляет 1.5 и 2 галлона в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью использования умягчителя.

Изначально промывочные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость смягчителя смывается перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель можно вернуть в эксплуатацию, как только жесткость достигнет заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока хлориды или проводимость сточных вод не приблизятся к уровням на входе. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время технического обслуживания.Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое ополаскивание, известное как служебное ополаскивание, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время ожидания.

ГОРЯЧЕЕ СМЯГЧЕНИЕ ЦЕОЛИТА

Цеолитные умягчители можно использовать для удаления остаточной жесткости в сточных водах, образующихся в результате горячей обработки извести или известково-содового умягчителя. Горячий технологический поток проходит через фильтры, а затем через слой сильнокислой катионитовой смолы в натриевой форме (рис. 8-7).Оборудование и работа умягчителя с горячим цеолитом идентичны умягчителю температуры окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и приборы должны быть пригодны для работы при высокой температуре (220-250 ° F). Стандартную прочную катионную смолу можно использовать при температурах до 270 ° F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после горячего умягчителя важно спроектировать систему так, чтобы исключить скачки потока в установке для горячей извести.Обычные конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для горячей извести и расширенных медленных промывок цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Приложения и преимущества

Образование накипи и отложений в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога при мойке создали большой спрос на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны удовлетворить этот спрос с экономической точки зрения, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов.Умягчение цеолита натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

• Обработанная вода имеет очень низкую склонность к образованию накипи, поскольку умягчение цеолита снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
• проста в эксплуатации и надежна; автоматические и полуавтоматические регуляторы регенерации доступны по разумной цене
• соль недорогая и простая в обращении
• Отходы ила не образуются; как правило, утилизация отходов не проблема
• в определенных пределах колебания расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
• , поскольку эффективная работа может быть достигнута в установках практически любого размера, пластификаторы на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок.

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают количество растворенной жесткости в воде, общее содержание твердых веществ, щелочность и диоксид кремния в воде остаются неизменными.Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой горячего смягчителя извести и соды. Заводы, которые заменили свои горячие умягчители только цеолитными умягчителями, столкнулись с проблемами, связанными с диоксидом кремния и уровнями щелочности в своих котлах.

Поскольку смола является очень эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия неэффективно работают с мутной водой. Продолжительная работа с входящей мутностью, превышающей 1,0 JTU, вызывает засорение слоя, короткие периоды обслуживания и низкое качество сточных вод.Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные источники воды перед использованием необходимо очистить и отфильтровать.

Смола может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе нормальной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными пластификаторами, правильная работа оборудования и тщательный контроль pH осветлителя необходимы для хороших характеристик пластификатора.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных водопроводов, является сильным окислителем и должен быть удален перед размягчением цеолита фильтрацией активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательных вод котлов высокого давления и для многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. Помимо удаления жесткости, эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, кремнезем, щелочность и минеральные анионы (Cl, SO ₄ ²¯, NO ₃ ¯).

Деминерализация воды — это удаление практически всех неорганических солей посредством ионного обмена. В этом процессе сильнокислая катионная смола в водородной форме превращает растворенные соли в их соответствующие кислоты, а сильнокислая анионная смола в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, аналогичную по качеству дистилляционной, при более низкой стоимости большинства пресных вод.

Принципы деминерализации

Система деминерализатора состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают элемент сильного катиона кислоты и элемент сильного аниона основания.Катионная смола обменивает водород на катионы сырой воды, как показано следующими реакциями:

Показателем общей концентрации сильных кислот в сточных водах катионов является свободная минеральная кислотность (FMA). При типичном запуске службы содержимое FMA большую часть времени стабильно, как показано на рис. 8-8. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA из теплообменника была бы равна теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник.Количество утечки натрия зависит от уровня регенерации, скорости потока и соотношения натрия к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается с увеличением отношения натрия к общему количеству катионов.

Когда катионообменная установка близка к исчерпанию, FMA в сточных водах резко падает, указывая на то, что теплообменник следует вывести из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать кислотным раствором, который возвращает центры обмена в водородную форму.Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Чтобы предотвратить это явление, серную кислоту обычно наносят с высокой скоростью потока (1 галлон / мин на квадратный фут смолы) и начальной концентрацией 2% или меньше. Концентрация кислоты постепенно увеличивается до 6-8% для полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота.Это требует использования специальных строительных материалов в системе регенерации. Как и в случае установки с цеолитом натрия, требуется избыток регенерирующего агента (серной или соляной кислоты) до трех раз по сравнению с теоретической дозой.

Для завершения процесса деминерализации вода из блока катионов пропускается через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на высокоионизированные минеральные ионы, так и на более слабоионизированные угольные и кремниевые кислоты, как показано ниже:

Указанные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды.В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионных единиц — это натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионных единицах. Следовательно, pH стока двухслойной системы катион-анионного деминерализатора является слабощелочным. Каустик, образующийся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозировки регенерирующего агента.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет кремнезем, а также другие растворенные твердые вещества. Сточный диоксид кремния и проводимость являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. В конце быстрой промывки и диоксид кремния, и проводимость низкие, как показано на Рисунке 8-9.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко повышается. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает.Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормальной эксплуатации большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид больше не доступен, а натрий из катионита превращается в силикат натрия, который имеет гораздо меньшую проводимость, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионной смолы проникают более проводящие минеральные ионы, вызывая последующее увеличение проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора необходимо немедленно вывести установку из эксплуатации. Если деминерализатору разрешено оставаться в эксплуатации после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрирования кремнезема в анионной смоле во время рабочего цикла.

Аниониты с сильным основанием регенерируются 4% -ным раствором гидроксида натрия. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации.Для улучшения удаления диоксида кремния из слоя смолы регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120 ° F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление кремнезема также улучшается за счет стадии предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплого каустика.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионо-анионной деминерализации, аналогично тому, которое используется при умягчении цеолита. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионно-стойких материалов (или покрыты ими).Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации деминерализаторов являются более сложными, чтобы учесть такие улучшения, как ступенчатая регенерация кислоты и теплой щелочи.

Деминерализаторы действуют аналогично цеолитным пластификаторам. Нормы расхода для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с некоторыми видами воды.Анионная смола намного легче катионной. Следовательно, скорости потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионных смол, и на расширение анионной смолы влияет температура воды больше, чем на расширение катионита. Вода, используемая на каждой стадии регенерации анионной смолы, не должна иметь жесткости, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочной анионной смолы.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы кремнезема обычно используются для контроля качества воды в сточных водах, содержащих анионы, и определения необходимости регенерации.В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над коллекторами нижнего дренажа для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет проникновение диоксида кремния в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого использования. Деминерализованная вода широко используется в питательной воде котлов высокого давления и во многих технологических водах. Качество производимой воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть ее стоимости.Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонок, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие ионообменные системы, деминерализаторам для эффективного функционирования требуется фильтрованная вода. Загрязняющие смолы и разлагающие вещества, такие как железо и хлор, следует избегать или удалять до деминерализации. Анионные смолы очень чувствительны к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды.Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или инертные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котловая вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, похожие на те, которые поступают в котел в растворимой форме. Как таковые, они могут образовывать отложения на поверхности трубок и улетучиваться в пар.

СДЕЛКА

Часто рабочие условия котла или технологического процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых частиц.Умягчение цеолита не снижает щелочность, а деминерализация обходится слишком дорого. В этих ситуациях используется процесс дещелачивания. Дещелачивание натриевого цеолита / водородного цеолита (разделенный поток), дещелачивание хлорид-анионами и дещелачивание слабокислых катионов являются наиболее часто используемыми процессами.

Цеолит натрия / водородный цеолит (разделенный поток) Дещелачивание

В дещелачителе с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия.Остальная часть протекает через узел сильнокислотного катиона в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяется с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды с установки водородного цеолита содержат угольную кислоту, полученную из щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислотность в выходящем потоке водородного цеолита превращает карбонат натрия и бикарбонатную щелочность в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота нестабильна в воде.Он образует углекислый газ и воду. Смешанные сточные воды направляются в декарбонизатор или дегазатор, где диоксид углерода удаляется из воды встречным потоком воздуха. На Рисунке 8-10 показана типичная система дещелачивания разделенного потока.

Требуемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать путем контроля процентного содержания цеолита натрия и водородного цеолита в воде. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с водородным цеолитом снижает щелочность.

Помимо снижения щелочности, дещелочитель с разделенным потоком снижает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для вод с высокой щелочностью, поскольку проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрации в котле.

Дещелачивание цеолита натрия / хлорид-аниона

Сильноосновная анионная смола в хлоридной форме может использоваться для снижения щелочности воды. Вода проходит через цеолитный умягчитель, а затем через анионный блок, который заменяет карбонатные, бикарбонатные, сульфатные и нитрат-ионы хлорид-ионами, как показано в следующих реакциях:

Хлорид-анион-дещелачитель снижает щелочность примерно на 90%, но не снижает общее содержание твердых веществ.Когда смола близка к истощению, щелочность очищенной воды быстро возрастает, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитный умягчитель регенерируют, как описано ранее. Кроме того, анионная смола также регенерируется рассолом хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий рассол добавляют небольшое количество каустической соды, чтобы улучшить удаление щелочности.

Обесщелачивание катионов слабой кислоты

В другом методе дещелачивания используются слабокислые катионные смолы.Слабокислотные смолы по действию схожи с сильнокислотными катионными смолами, но обмениваются только катионами, которые связаны со щелочностью, как показано этими реакциями:

, где Z представляет собой смолу. Образовавшаяся угольная кислота (H ₂ CO ₃ ) удаляется декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный приток для слабокислой катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба показателя выражаются в ppm как CaCO ₃ ).В воде с более высокой щелочностью, чем жесткостью, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, имеющих жесткость больше, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать с помощью умягчителя на основе цеолита натрия, чтобы удалить жесткость. Во время начальной части цикла обслуживания слабых кислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы связаны с обменом минеральных анионов, образуя небольшие количества минеральных кислот в сточных водах. По мере продолжения цикла обслуживания в сточных водах появляется щелочность.Когда щелочность сточных вод превышает 10% щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5% -ным раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна быть ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабый кислотный обмен катионита очень эффективен. Следовательно, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных в течение рабочего цикла.

Если материалы конструкции для оборудования, находящегося ниже по потоку, или всего процесса в целом не могут выдерживать минеральную кислотность, присутствующую в начальных частях рабочего цикла, солевой раствор пропускается через регенерированную слабокислотную смолу перед заключительной промывкой.Этот раствор удаляет минеральную кислотность без значительного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для дещелачивания слабых кислотных катионов, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном из вариантов стандартной конструкции используется слой слабокислой смолы поверх сильнокислой катионитовой смолы. Поскольку он легче, на нем остается слабокислая смола. Слоистую систему смол регенерируют серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия.Солевой раствор превращает сильнокислотную смолу в натриевую форму. Эта смола затем действует как мягчитель для полировки.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием диоксида углерода и воды, а диоксид углерода удаляется в декарбонаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, поскольку чрезмерная подача кислоты или нарушение системы контроля pH может привести к образованию кислой питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов.Требуются надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача каустика после декарбонизации.

Преимущества и ограничения систем дещелачивания

Системы ионообменной дещелачивания производят воду с низкой жесткостью и низкой щелочностью по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и катионами слабых кислот также снижают общее количество растворенных твердых веществ.Помимо этих преимуществ, необходимо учитывать следующие недостатки:

Обезщелачивание
• не удаляет всю щелочность и не влияет на содержание кремнезема в воде
Дещелачиватели
• требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
• вода, полученная в системе дещелачивания, использующей декарбонизатор с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально коррозионная

ПРОТИВОТОЧНАЯ И СМЕШАННАЯ ДЕИОНИЗАЦИЯ

Из-за увеличения рабочего давления котла и производства продуктов, требующих чистой воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут производить катионно-анионные деминерализаторы.Поэтому возникла необходимость изменить стандартный процесс деминерализации для повышения чистоты очищенной воды. Наиболее значительные улучшения в чистоте деминерализованной воды были достигнуты с помощью противоточных катионообменников и теплообменников со смешанным слоем.

Противоточные катионообменники

В обычной системе деминерализатора поток регенерирующего агента идет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как параллельная работа и является основой для большинства конструкций ионообменных систем.Во время регенерации прямоточного устройства загрязняющие вещества перемещаются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя подверглась воздействию свежего регенерирующего агента, он подвергается высокой регенерации. Когда вода протекает через смолу во время эксплуатации, катионы сначала обмениваются в верхней части слоя, а затем движутся вниз через смолу, когда слой истощается.Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионизированную воду, прежде чем она покинет сосуд. Эта утечка натрия попадает в анионный блок, где при анионном обмене образуется щелочь, повышая pH и проводимость деминерализованной воды.

В противоточном регенерированном катионите регенерирующий агент течет в направлении, противоположном рабочему потоку. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой.В результате смола с наиболее высокой степенью регенерации находится там, где техническая вода выходит из резервуара. Сильно регенерированная смола удаляет низкий уровень загрязнителей, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем может обеспечить прямоточная конструкция. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее сильно регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенерирующего агента. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

Теплообменники смешанного действия

В теплообменнике со смешанным слоем катионная и анионная смолы смешаны в одном сосуде.Когда вода протекает через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные фракции катионов и анионов, как показано на Рисунке 8-12. Смолу отделяют обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола оседает поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь вводится через распределители над слоем смолы. Потоки регенерирующего агента встречаются на границе между катионом и анионной смолой и выходят через коллектор, расположенный на границе раздела смолы.После введения регенерирующего агента и промывки вытеснением для смешивания смол используются воздух и вода. Затем смолы промываются, и установка готова к работе.

Противоточные системы и системы со смешанным слоем производят более чистую воду, чем обычные катионо-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Это особенно актуально для агрегата со смешанной кроватью.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный процесс катион-анион был изменен во многих системах, чтобы уменьшить использование дорогостоящих регенераторов и образование отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабоосновных смол, щелочных отходов с сильным щелочным анионом (для регенерации слабых основных анионитов) и регенерацию части отработанного щелочного раствора для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на Рисунке 8-13.

Декарбонаторы и дегазаторы

Декарбонаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они снижают количество щелочи, требуемой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капельки с помощью разбрызгивателей, поддонов или упаковки в декарбонаторе. Затем вода протекает через воздушный поток, идущий в противоположном направлении. Угольная кислота, присутствующая в сточных водах катионов, диссоциирует на диоксид углерода и воду.Двуокись углерода удаляется из воды воздухом, уменьшая нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонизаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонну, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает содержание двуокиси углерода до менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды.Однако вакуумные дегазаторы дороже в приобретении и эксплуатации, чем декарбонаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабые основные смолы

Смолы со слабой функциональностью имеют гораздо более высокую эффективность регенерации, чем их аналоги с сильной функциональностью. Слабокислые катионные смолы, как описано в разделе о дещелачивании, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабые основные смолы обмениваются с анионами минеральных кислот (SO ₄ ² ¯, Cl ¯, NO ₃ ¯) в растворе сильной кислоты.Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрическая, для удаления 1 кг ионов (как CaCO ₃ ) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO ₃ ). Для сильных смол требуется в три-четыре раза больше регенерирующего агента для того же удаления загрязнений.

Смолы со слабым основанием настолько эффективны, что на практике обычно регенерируют обменник со слабым основанием с помощью части «отработанного» каустика от регенерации смолы с сильным основным анионом.Первая фракция каустика из сильного основного элемента отправляется в отходы, чтобы предотвратить загрязнение слабой основной смолы диоксидом кремния. Оставшийся каустик используется для регенерации слабой основной смолы. Дополнительной особенностью смол со слабой базой является их способность удерживать природные органические материалы, которые загрязняют смолы с сильной основой, и выделять их во время цикла регенерации. Из-за этой способности смолы со слабым основанием обычно используются для защиты смол с сильным основанием от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенеранта

Из-за высокой стоимости каустической соды и возрастающих проблем с удалением отходов многие системы деминерализации теперь оснащены функцией регенерации каустической соды.Система регенерации использует часть отработанной щелочи от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. За повторно используемым каустиком следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик утилизируется для использования в следующей регенерации. Обычно серную кислоту не регенерируют, потому что она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

ПОЛИРОВКА КОНДЕНСАТА

Использование ионного обмена не ограничивается технологической и подпиткой котловой воды.Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызвать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему через утечки конденсатора и уплотнения насоса или унос котловой воды в пар. Очистители конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство полировальных машин для конденсата бумажных фабрик работают при температурах, приближающихся к 200 ° F, что исключает использование анионной смолы.Катионная смола, которая устойчива до температур выше 270 ° F, используется для полировки конденсата в глубоких слоях в этих областях. Смолу регенерируют рассолом хлористого натрия, как в умягчителе цеолита. В ситуациях, когда утечка натрия из полировальной машины отрицательно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или на чистоту воды, оперирующей паром, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Производительность полира для глубокого слоя (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высока по сравнению с обычным пластификатором.Допускаются высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо и медь в виде твердых частиц удаляются фильтрацией, а растворенные загрязнения уменьшаются путем обмена на натрий или амин в смоле.

Полировщик конденсата с глубоким слоем катионита регенерируется с использованием 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы таким же образом, как и при традиционной регенерации цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для удаления железа.Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается чуть ниже поверхности слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления вызываются высокими рабочими расходами и содержанием твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам.При полировке конденсата в глубоком слое следует использовать гелеобразную или макросетчатую смолу премиум-класса.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140 ° F, что является максимальной непрерывной рабочей температурой для анионной смолы. Кроме того, поток через установку обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту / фут².

Ионообменные смолы также используются как часть системы фильтрации предварительного покрытия, как показано на Рисунке 8-14, для полировки конденсата.Смолу измельчают и смешивают с суспензией, которую используют для покрытия отдельных перегородок в сосуде фильтра. Порошковая смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения путем ионного обмена. Когда фильтрующий материал забивается, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрываются свежей суспензией порошкообразной смолы.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ИОННОГО ОБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, в системах ионного обмена действительно возникают проблемы.Проблемы обычно приводят к низкому качеству сточных вод, сокращению продолжительности обслуживания или повышенному расходу регенерирующего агента. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, продолжительности пробега или расхода регенерации.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких пробегов (Рис. 8-15) и некачественных стоков (Рис. 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы деминерализации.Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды существенно влияют как на продолжительность цикла, так и на качество сточных вод, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод со временем сильно меняется. Увеличение жесткости воды для умягчителя на основе цеолита натрия на 10% приводит к сокращению продолжительности рабочего цикла на 10%. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализатора.Для выявления таких отклонений необходимо проводить регулярный химический анализ воды, поступающей в ионообменники.

Другие причины операционных проблем ионного обмена включают:

• Неправильная регенерация, вызванная неправильным потоком, временем или концентрацией регенератора. При регенерации ионообменных смол следует соблюдать рекомендации производителя.
• Каналы, возникающие в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки.Это вызывает преждевременное истощение, даже если большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
• Загрязнение или разложение смолы из-за некачественного регенерирующего агента.
• Неспособность удалить диоксид кремния из смолы, что может быть результатом низкой температуры каустической соды регенерирующего агента. Это может привести к повышенной утечке диоксида кремния и сокращению сроков обслуживания.
• Избыточные примеси в смоле из-за предыдущей работы после истощающих нагрузок. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем предназначено для удаления при обычной регенерации, после продолжительного рабочего цикла требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

Типичные механические проблемы, связанные с системами ионного обмена, включают:

• Негерметичные клапаны, вызывающие некачественные сточные воды и длительные полоскания.
• Распределитель сломан или забит, что приводит к образованию каналов.
• Потери смолы из-за чрезмерной обратной промывки или неисправности фильтра нижнего дренажа или опорной среды.
• Катионная смола в анионном блоке, вызывающая увеличенное время ополаскивания и утечку натрия в деминерализованную воду.
• Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. КИПиА в зоне деминерализатора следует регулярно проверять.

ОТРАСИВАНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ СМОЛЫ

Смола может загрязняться загрязнениями, которые препятствуют процессу обмена. На рис. 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение.Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем со временем разрушают смолу. Это наиболее частая причина загрязнения и деградации ионообменных систем, которая обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может существовать в воде в виде неорганической соли двух или трехвалентного железа или в виде изолированного органического комплекса. Двухвалентное железо обменивается на смолу, но трехвалентное железо нерастворимо и не растворяется.Трехвалентное железо покрывает катионную смолу, препятствуя обмену. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионный элемент и загрязняет анионную смолу. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в некоторых колодезных водах, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия, получаемого в результате использования алюмината квасцов или натрия при осветлении или смягчении осаждением.Алюминиевый флок, проходящий через фильтры, покрывает смолу умягчителем на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой кислотой или щелочью. Обычно алюминий не является загрязнителем в системе деминерализатора, потому что он удаляется из смолы во время нормальной регенерации.

Осадки твердости . Осадки твердости проходят через фильтр из смягчителя осаждения или образуются после фильтрации путем последующего осаждения. Они осаждают гнилостные смолы, используемые для размягчения натриевого цеолита.Их удаляют кислотой.

Сульфатные осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в установке с сильным катионом кислоты, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если серная кислота используется в качестве регенерирующего агента, и она вводится в слишком высокой концентрации или слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняя смолу. После образования сульфата кальция его повторно растворить очень трудно; поэтому смолу, загрязненную сульфатом кальция, обычно выбрасывают.Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным замачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария даже менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислоты.

Нефтяное обрастание . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к участкам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу.Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое обрастание. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без технологического потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезному засорению слоя смолы и даже к механическим повреждениям из-за чрезмерного падения давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных установках является проблемой, следует использовать постоянный поток оборотной воды, чтобы минимизировать проблему.В тяжелых условиях может потребоваться применение подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Обрастание кремнезема . Загрязнение кремнеземом может происходить в смолах с сильным основным анионом, если температура регенерирующего агента слишком низкая, или в смолах со слабым основанием, если щелочь, вытекающая из блока SBA, используемого для регенерации элемента со слабым основанием, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH полимеризация диоксида кремния может происходить в смоле со слабым основанием. Это также может быть проблемой из-за отработанной анионной смолы с сильным основанием.Загрязнение кремнеземом удаляется путем длительного замачивания в теплой (120 ° F) каустической соде.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окисляющие агенты, такие как хлор, разрушают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают сшивки дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения воздействия катионная смола начинает терять свою сферическую форму и жесткость, вызывая ее уплотнение во время эксплуатации.Это уплотнение увеличивает перепад давления в слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора в сырой воде анионная смола не подвергается прямому воздействию, потому что хлор потребляется катионной смолой. Однако расположенные ниже по потоку смолы с сильным основанием на анионе загрязняются определенными продуктами разложения окисленной катионной смолы.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом фильтрацией с активированным углем или сульфитом натрия.Приблизительно 1,8 ppm сульфита натрия требуется для потребления 1 ppm хлора.

Вода, насыщенная кислородом, такая как вода, обнаруженная после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение участков сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Он также ускоряет разложение из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическое разложение происходит, если анионная смола перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100 ° F, и анионных смол с сильным основанием типа II, которые имеют температурный предел 105 ° F в форме гидроксида.

Органическое обрастание

Органическое загрязнение — наиболее распространенная и дорогая форма загрязнения и разложения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживается только небольшое количество органических веществ. Однако поверхностные воды могут содержать сотни миллионных долей природного и антропогенного органического вещества. Естественная органика происходит из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплекс тяжелых металлов, таких как железо. Эти загрязнители включают дубильные вещества, дубильную кислоту, гуминовую кислоту и фульвокислоту.

Первоначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Это засорение приводит к длительному окончательному ополаскиванию и снижает способность к расщеплению соли. По мере того как засорение продолжает оставаться на смоле, оно начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы к расщеплению солей. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения демонстрирует высокую общую емкость, но пониженную способность к расщеплению солей.На этом этапе очистка от смолы все еще может вернуть некоторую, но не всю потерянную производительность. Потеря способности расщеплять соли снижает способность смолы удалять кремнезем и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионной смолы свидетельствует цвет сточных вод из анионного блока во время регенерации, который варьируется от чайного до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую проводимость и более низкий pH.

Профилактика . Для уменьшения загрязнения органическими веществами используются, по отдельности или в комбинации, следующие методы:

• Предварительное хлорирование и осветление.Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью средства для удаления органических веществ.
• Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность удалять органический материал и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
• Макропористая и слабая основная смола перед сильной основной смолой. Слабое основание или макропористая смола абсорбирует органический материал и элюируется во время регенерации.
• Специальные смолы.Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам, программа регулярных проверок и очистки ионообменной системы помогает продлить срок службы анионной смолы. В большинстве процедур очистки используется одно из следующего:

• Горячий (120 ° F) рассол и каустик. Для улучшения очистки могут быть добавлены мягкие окислители или солюбилизирующие агенты.
• Кислота соляная.Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
• Растворы гипохлорита натрия 0,25-0,5%. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно разлагает смолу. Чистка гипохлоритом считается крайней мерой.

Важно очистить смолу с органическими загрязнениями до того, как произойдет чрезмерное необратимое разрушение участков сильного основания. Очистка после того, как произошла необратимая деградация, удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает работу устройства.За состоянием смолы следует внимательно следить, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛ

Для отслеживания состояния ионообменной смолы и определения наилучшего времени для ее очистки необходимо периодически отбирать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровни загрязнения и способность выполнять требуемый ионный обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Следовательно, образцы следует собирать на разных уровнях в слое, либо следует использовать зерновой захват или полую трубу для получения «кернового» образца.Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенератора и отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, трещин или сломанных шариков. Также следует проверить его физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Уровень органических и неорганических загрязнителей в смоле следует определять и сравнивать с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы.Наконец, необходимо измерить расщепление солей и общую емкость на образцах анионной смолы, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катионов сильной кислоты. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула сульфокислотной катионной смолы (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (С разрешения компании Rohm and Haas.)

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Рисунок 8-10. Умягчитель разделенного потока натриевого цеолита / водородного цеолита.

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества сточных вод в системе деминерализатора с двумя слоями.

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Что такое ионный обмен? | Fluence

Гранулы смолы, используемые при ионообменной очистке воды, необходимо обрабатывать или регенерировать для дальнейшего использования.

Хотя доступно множество технологий очистки воды, ионный обмен хорошо подходит для высокоселективного удаления определенных загрязнений

Ионный обмен — это процесс очистки воды, обычно используемый для смягчения или деминерализации воды, но он также используется для удаления других веществ из вода в таких процессах, как дещелачивание, деионизация, денитрификация и дезинфекция. При наличии множества других перекрывающихся технологий важно определить, является ли ионный обмен лучшим выбором в данном сценарии.

Что такое ионный обмен?

Ионный обмен описывает особый химический процесс, в котором нежелательные растворенные ионы в воде и сточных водах, такие как нитрат, фторид, сульфат и мышьяк, обмениваются на другие ионы с аналогичным зарядом. Ионы — это атомы или молекулы, содержащие общее количество электронов, не равное общему количеству протонов.

Есть две разные группы ионов:

• Положительно заряженные катионы
• Отрицательно заряженные анионы

Мы должны поблагодарить Майкла Фарадея за эти имена, которые он придумал на основе притяжения катионов к катодам и анионов к анодам. в гальваническом устройстве.

Удаление ионных загрязнений

Этот аттракцион используется для удаления растворенных ионных загрязнений из воды. Процесс обмена происходит между твердым телом (смола или цеолит) и жидкостью (вода). В процессе менее желательные соединения заменяются теми, которые считаются более желательными. Эти желательные ионы загружаются на полимерный материал. Эти смолы можно использовать по отдельности или совместно для удаления ионных примесей из воды.

При обмене катионов во время обработки воды положительно заряженные ионы, которые вступают в контакт с ионообменной смолой, обмениваются с положительно заряженными ионами, имеющимися на поверхности смолы, обычно натрием.

В процессе анионного обмена отрицательно заряженные ионы обмениваются с отрицательно заряженными ионами на поверхности смолы, обычно хлоридом. Различные загрязнители, включая нитраты, фториды, сульфаты и мышьяк, могут быть удалены анионным обменом.

По сравнению с другими технологиями, включая непрерывную электроионизацию (CEDI), хроматографию, ультрафильтрацию и биологическую обработку, ионный обмен особенно подходит при попытке удалить конкретный загрязнитель с низкой концентрацией, например, удаление бора из скважинной воды.

Смолы для перезарядки

Смолы имеют конечную обменную способность. При длительном использовании каждый из отдельных обменных сайтов заполнится. Если обмен ионами больше невозможен, смолу необходимо перезарядить или регенерировать, чтобы восстановить ее первоначальное состояние. Вещества, используемые для этого, могут включать хлорид натрия, а также соляную кислоту, серную кислоту или гидроксид натрия.

Первичное вещество, оставшееся от процесса, называется «отработанный регенератор».«Он содержит не только все удаленные ионы, но и любые дополнительные регенерирующие ионы, а также будет иметь высокий уровень общего растворенного твердого вещества. Регенерант можно очищать на городских очистных сооружениях, но за сбросами может потребоваться мониторинг.

Эффективность ионного обмена для очистки воды может быть ограничена минеральными отложениями, засорением поверхности и другими факторами, способствующими загрязнению смолой. Такие процессы предварительной обработки, как фильтрация или добавление химикатов, могут помочь уменьшить или предотвратить эти проблемы.

Рынок обменных смол

Мировой рынок ионообменных смол, который оценивался в 1,54 миллиарда долларов в 2014 году, прогнозировался в 2016 году до 2,46 миллиарда долларов к 2022 году, совокупный годовой темп роста примерно 6%, согласно Stratistics MRC. Фирма по исследованию рынка из Мэриленда. Их аналитики видят, что рост спроса на ядерную энергию и строгие экологические нормы движут рынком. Это особенно заметно на рынках производства электроэнергии и очистки сточных вод.

Ионный обмен в очистке питьевой воды

В последнее время ионообменные смолы все чаще используются для производства питьевой воды.Специальные смолы были разработаны для обработки различных загрязняющих веществ, вызывающих озабоченность, включая бор, перхлорат и уран.

Для этих целей разработано множество смол, например смола с сильным основанием / сильным анионом, которая используется для удаления нитратов и перхлоратов. Ионный обмен широко используется при умягчении воды, где он считается надежной, проверенной технологией.

Пищевая промышленность

Адсорбция и ионный обмен, используемые в пищевой промышленности, схожи по конструкции, а иногда и по рабочим циклам.Ионный обмен можно использовать для деминерализации вина, фруктового сока и сыворотки, а также для обесцвечивания тростникового сахара. При деминерализации сыворотки ионный обмен используется для восстановления и преобразования лактозы и минеральных солей в более ценные вещества для использования в таких продуктах, как детское питание и фармацевтические препараты. При обесцвечивании фруктового сока ионный обмен используется, например, для обесцвечивания сусла винограда, а также для деминерализации на винодельнях.

Подходит ли ионный обмен для ваших нужд?

Хотя ионный обмен и биологическая очистка широко признаны двумя ведущими технологиями денитрификации, ионный обмен обычно используется для очистки грунтовых вод от нитратов, тогда как биологическая очистка обычно используется для очистки поверхностных вод.

Ионный обмен можно также использовать для удаления мышьяка и других металлоидов и металлов.