Способ ионообменной очистки воды, содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов

 

Изобретение относится к способу ионообменной очистки воды, содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов и может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Обрабатываемую воду подают в направлении сверху вниз последовательно через плавающий слой инертного материала, слой органопоглощающей анионитной смолы в Cl^--форме для удаления органических веществ и через расположенный непосредственно под слоем анионитной смолы слой катионитной смолы в Na⁺ или Н⁺-формах для очистки воды от примесей катионов. Плотность и гранулометрический состав ионообменных материалов обеспечивает разделение слоев. Периодическую регенерацию ионообменных материалов осуществляют путем подачи регенерационного раствора, в качестве которого используют раствор NaCl и/или НСl, в направлении снизу вверх последовательно через оба слоя ионообменных материалов, находящихся в зажатом состоянии к плавающему слою инертного материала. Способ обеспечивает эффективную очистку воды от органических веществ, совмещенную с очисткой ее от катионов в одном фильтре, при использовании преимуществ противоточной регенерации ионитов и с максимальным использованием всех составляющих регенерационного раствора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике очистки природных и сточных вод, содержащих органические вещества, и может быть использовано в противоточных ионитных фильтрах, применяющихся в энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен способ очистки воды от органических веществ с помощью органопоглощающего анионита-скавенджера. В Сl^--форме данный анионит хорошо поглощает органику и также легко отдает ее во время регенерации 10%-ным раствором поваренной соли. Регенерацию анионита осуществляют в прямоточном нисходящем режиме (1).

Недостатки данного способа заключаются в том, что для регенерации органопоглощающего анионита требуются значительные расходы поваренной соли (NaCl). При этом используются только хлорид-анионы (Сl^-) из регенерационного раствора, а катионы натрия (Na⁺) не используются. Для последующего при необходимости умягчения (удаление солей жесткости), либо обессоливания воды необходимо устанавливать в качестве дополнительного оборудования ионообменные фильтры.

Наиболее близким техническим решением является способ ионообменной очистки воды, содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов, осуществляемый в ионообменном фильтре по технологии АПКОРЕ (2). Согласно этому способу обрабатываемую воду подают в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала и далее ее пропускают через два слоя анионитов, расположенных непосредственно один над другим. Верхний слой состоит из слабоосновного макропористого анионита, а нижний слой - из сильноосновного анионита. Верхний слой анионита задерживает органические соединения и анионы сильных кислот. Нижний слой анионита задерживает анионы слабых кислот. Разделение слоев обеспечивается различиями в гранулометрическом составе анионитов и их плотностью. Восстановление обменной емкости анионитов осуществляют за счет противоточной подачи воды для подъема и зажатия слоев анионитов к плавающему слою инертного материала и затем подачи регенерационного раствора в направлении снизу вверх последовательно через слои анионитов и слой инертного материала. Плавающий слой инертного материала способен свободно пропускать восходящий уплотняющий или регенерационный поток, взвешенные твердые частицы и ионитную мелочь, но задерживать зерна ионита нормальных размеров Недостатком указанного способа является ограничение по органоемкости слабоосновного макропористого анионита, которая значительно ниже, чем органоемкость органопоглощающих анионитов - скавенджеров. Поэтому часто при высоком содержании органических веществ в обрабатываемой воде необходимо дополнительно устанавливать предварительную стадию очистки воды на фильтрах, загруженных органопоглощающими анионитами-скавенджерами, и регенерировать их раствором поваренной соли. Кроме того, в данном способе очищают воду, содержащую органические вещества, только от анионов. Это связано с тем, что в известные двухслойные фильтры загружают только монополярные иониты. Для очистки воды от солей жесткости или для обессоливания воды необходимо устанавливать дополнительные катионообменные фильтры.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа для эффективной очистки обрабатываемой воды от органических веществ, совмещенной с очисткой ее от катионов в одном фильтре. При этом предусматривается использование преимуществ противоточной регенерации ионитов, а также максимальное использование всех составляющих регенерационного раствора, который применяется для восстановления катионной обменной емкости и органоемкости анионита. Необходимо отметить, что анионит-органопоглотитель будет одновременно защищать слой катионита от необратимого его загрязнения органическими веществами и, как следствие, позволит продлить срок службы катионита.

Этот технический результата достигается тем, что в способе ионообменной очистки воды, содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов, обрабатываемую воду подают в направлении сверху вниз последовательно через плавающий слой инертного материала, слой органопоглощающей анионитной смолы в Сl^--форме для удаления из воды органических веществ и через расположенный непосредственно под слоем анионитной смолы слой катионитной смолы в Na⁺ или Н^--формах для очистки обрабатываемой воды от катионов, при этом плотность и гранулометрический состав ионообменных материалов обеспечивают разделение слоев, осуществляют периодическую регенерацию ионообменных материалов путем предварительного подъема и зажатия слоев ионообменных материалов к плавающему слою инертного материала и последующей подачи регенерационного раствора, в качестве которого используют раствор NaCl и/или НСl, в направлении снизу вверх последовательно через оба слоя ионообменных материалов и плавающий слой инертного материала. При этом величина плотности органопоглощающей анионитной смолы составляет 1,03-1,10 г/см³, а величина плотности катионитной смолы - 1,15-1,35 г/см³. Гранулометрический состав органопоглощающей анионитной и катионитной смол находится в пределах 0,3-1,2 мм. Отношение высоты слоя органопоглощающей анионитной смолы к высоте слоя катионитной смолы составляет 1:5-5:1. Указанные соотношения определяются в зависимости от содержания органических веществ и катионов в обрабатываемой воде при условии обеспечения одновременного истощения слоя анионита по органоемкости и слоя катионитной смолы по задерживаемым катионам.

На фиг.1 представлена схема осуществления процесса в рабочем режиме. На фиг.2 изображена схема осуществления процесса в режиме регенерации. Фильтр 1 содержит штуцер 2 для подачи обрабатываемой воды и вывода отработанного регенерационного раствора, штуцер 3 для вывода очищенной воды и подачи регенерационного раствора, верхнее распределительное устройство 4, плавающий слой инертного материала 5, слой органопоглощающей анионитной смолы 6, расположенный непосредственно под слоем анионитной смолы слой катионитной смолы 7 и нижнее распределительное устройство 8. Между плавающим слоем инертного материала 5 и слоем анионитной смолы 6 размещено свободное пространство 9 (фиг. 1). В режиме регенерации (фиг.2) свободное пространство 9 расположено между слоем катионитной смолы 7 и нижним распределительным устройством 8.

Способ осуществляется следующим образом.

Обрабатываемую воду подают в штуцер 2 ионообменного фильтра 1 (фиг.1). Вода проходит верхнее распределительное устройство 4, плавающий слой инертного материала 5 и поступает на слой органопоглощающей анионитной смолы 6, в качестве которой используют смолу в Сl^--форме. Последняя эффективно задерживает органические вещества, содержащиеся в обрабатываемой воде. Очищенная от органических примесей вода проходит через слой катионитной смолы 7 в Na⁺-форме с выделением катионов солей жесткости. Таким образом, подавая обрабатываемую воду нисходящим потоком последовательно через слой органопоглощающего анионита-скавенджера в Сl^--форме, а далее через слой катионита в Na⁺-форме, на выходе вода будет очищена от органических примесей и катионов солей жесткости, т. е. будет получена умягченная вода. Анионит-органопоглотитель будет одновременно защищать слой катионита от необратимого его загрязнения органическими веществами и, как следствие, позволит продлить срок службы катионита.

После завершения рабочего цикла проводят процесс регенерации (фиг.2) с целью восстановления обменной емкости катионита и органоемкости анионита-скавенджера. Для этого через штуцер 3 и нижнее распределительное устройство 8 подают восходящий поток воды для поршнеобразного подъема к плавающему инертному материалу и зажатия слоев катионита 7 и анионита 6. Далее через штуцер 3 подают регенерационный раствор в направлении снизу вверх с расходом, обеспечивающим сохранение слоев в зажатом состоянии. В качестве регенерационного раствора используют раствор поваренной соли (NaCl), катионы Na⁺ которого используются для восстановления обменной емкости катионита, а анионы Сl^- используются для восстановления органоемкости анионита-скавенджера. Таким образом удается максимально использовать все компоненты регенерационного раствора. Вывод воды для подъема и зажатия слоев и отработанного регенерационного раствора осуществляют через верхнее распределительное устройство 4 и штуцер 2.

В случае использования в качестве регенерационного раствора раствора соляной кислоты (НСl), катионит будет переведен в H⁺-форму с тем же эффектом восстановления органоемкости анионита-скавенджера. Во время рабочего цикла катионит будет задерживать либо все катионы из обрабатываемой воды, если катионит применяется сильнокислотный (сильнофункциональный), либо задерживать катионы солей жесткости, если катионит применяется слабокислотный (слабофункциональный).

Для реализации данного способа предпочтительнее использовать в качестве органопоглотителя сильноосновные аниониты, такие как Амберлайт IRA - 958С1, Дауэкс Маратон 11, и т.д., а в качестве катионита - сильнокислотный катионит марки КУ-2-8 и его импортные аналоги при использовании раствора поваренной соли в качестве регенерационного раствора, либо слабокислотный катионит Дауэкс MAC -3 или Амберлайт IRC- 86 при использовании соляной кислоты в качестве регенерационного раствора. Наилучший результат будет получен при использовании вышеуказанных ионитов, имеющих монодисперсный гранулометрический состав.

Пример Обрабатываемую воду с содержанием органических веществ по О₂ - 6 мг/л (по KMnO₄ - 24 мг/л) и общей жесткостью 3,9 мг-экв/л пропускают со скоростью 20 м/ч сверху вниз через ионообменный фильтр диаметром 0,7 м, заполненный снизу вверх послойно сильнокислотным катионитом КУ-2-8 в Na⁺-форме на высоту 1,5 м, сильноосновным макропористым анионитом Амберлайт IRA- 958 в Сl^--форме на высоту 0,6 м и плавающим инертным материалом Дауэкс IF- 62 на высоту 0,1 м. При этом между плавающим слоем инертного материала и слоем анионитной смолы имеется свободное пространство в пределах 0,1 м. На выходе очищенная вода имела содержание органических веществ по О₂ - 2 мг/л (по KMnO₄ - 8 мг/л) и общую жесткость не более 0,005 мг-экв/л, что полностью удовлетворяет требованиям по качеству питательной воды для паровых котлов давлением до 40 кгс/см² (3,9 МПа).

При увеличении проскока жесткости в обработанной воде свыше 0,020 мг-экв/л фильтр отключается на регенерацию. С этой целью предварительно подают в фильтр умягченную воду в направлении снизу вверх со скоростью потока не более 50 м/ч с целью поршнеобразного подъема слоев катионита и анионита к плавающему инертному материалу, а затем в том же восходящем направлении подают 8-10%-ный раствор поваренной соли (NaCl) с расходом, обеспечивающим сохранение слоев ионитов в зажатом слое. По завершении подачи регенерационного раствора производят вытеснение его остатков (отмывку) восходящим потоком без разуплотнения зажатых слоев ионитов.

При этом во время регенерации ионитов максимально используются все составляющие ионы регенерационного раствора (NaСl): Na⁺-катионы используются для восстановления обменной емкости сильнокислотного катионита, а Сl^--анионы выводят из анионита-органопоглотителя органические вещества, задержанные из обработанной воды во время рабочего цикла фильтрации.

Таким образом, использование данного способа очистки воды позволяет одновременно задерживать органические вещества и удалять соли жесткости из обрабатываемой воды, а во время противоточной регенерации ионитов максимально использовать все составляющие ионы регенерационного раствора, что обеспечивает высокую эффективность процесса регенерации.

Источники информации 1. "Энергетик", 8, 2001 г., стр 26-27.

2. Проспект компании Dow Liquid Separation. "Технология UPCORE (АПКОРЕ). Противоточная регенерация ионообменных смол". СН 171-280-R-300, 2000 г.

Формула изобретения

1. Способ ионообменной очистки воды, содержащей органические вещества, с противоточной регенерацией ионообменных материалов, включающий подачу обрабатываемой воды в направлении сверху вниз через плавающий слой инертного материала, последующее прохождение ее через расположенные непосредственно один над другим два слоя ионообменных материалов с плотностью и гранулометрическим составом, обеспечивающими их послойное разделение, и с использованием в качестве верхнего слоя органопоглощающей анионитной смолы для удаления из воды органических веществ, периодическую регенерацию ионообменных материалов путем предварительного подъема и зажатия слоев ионообменных материалов к плавающему слою инертного материала и последующей подачи регенерационного раствора в направлении снизу вверх последовательно через оба слоя ионообменных материалов и плавающий слой инертного материала, отличающийся тем, что в качестве органопоглощающей анионитной смолы используют смолу в Сl^- - форме, и после удаления органических веществ обрабатываемую воду очищают от катионов в нижнем слое ионообменного материала, в качестве которого используют катионитную смолу в Na⁺ или Н⁺ - формах, а для регенерации обоих слоев ионообменных материалов применяют раствор NaCl и/или НСl.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина плотности органопоглощающей анионитной смолы составляет 1,03-1,10 г/см³, а величина плотности катионитной смолы 1,15-1,35 г/см³.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулометрический состав органопоглощающей анионитной смолы и катионитной смолы находится в пределах 0,3-1,2 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение высоты слоя органопоглощающей анионитной смолы к высоте слоя катионитной смолы составляет 1:5-5: 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

QZ4A Государственная регистрация изменений в зарегистрированный договор

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 07.04.2011 № РД0079098

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право: Балаев Игорь Семенович (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Закрытое акционерное общество "НПП "Объединенные Водные технологии" (RU)

Дата и номер государственной регистрации изменений, внесенных в зарегистрированный договор: 04.07.2011 РД0083578

Изменения:Изменен срок действия договора: договор заключен на срок действия патента, изменены сведения, не отраженные в Государственном реестре.

Дата публикации: 20.08.2011

---