СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ Российский патент 2000 года по МПК B01J49/00 C02F1/42 

Изобретение относится к области физико-химических методов очистки воды, а именно к способам очистки природных и сточных вод с помощью ионообменных фильтров, точнее к способам регенерации ионообменных смол (ИС), и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, применяющих обессоленную или умягченную воду в технологических процессах.

Известен способ противоточной регенерации отработанных ИС, включающий в себя обработку смолы регенерационным раствором и взрыхление снизу вверх, отмывку водой сверху вниз (Пат. РФ N 2058817, 1995, кл. C 02 P 1/42).

Недостатком указанного способа является низкая эффективность отмывки от механических частиц при очистке сильнозагрязненной воды, что приводит к большому расходу технологической воды и образованию сточных вод.

Известны способы регенерации ИС, включающие в себя промывку смолы водой, регенерацию соответствующим раствором и последующую отмывку (В.З. Мельцер Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. - М.: Стройиздат, 1995, стр.71).

Недостатком способа является малая эффективность при очистке воды с большим количеством взвесей, необходимость большого расхода воды при промывке (около 8 куб. м на 1 кв. м фильтрующего слоя), что требует использования мощных насосов, низкая эффективность отмывки смолы.

Известны способы регенерации ИС с повышенной интенсивностью промывки за счет введения в систему воздуха. При этом в заполненный водой сосуд подают воздух со скоростью 15-20 л/с на кв.м в течение 2-3 минут. Пузыри воздуха движутся в слое со скоростью 25-30 см/с, что обуславливает отрыв загрязнений от гранул. На втором этапе подают воду со скоростью 2,5-3,5 см/с для удаления оторванных примесей и транспортировки их к отводящим желобам ((В.З. Мельцер. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. -М. : Стройиздат, 1995, стр.72-73).

Недостатком способа является применимость его только в фильтрах с нисходящим потоком воды, когда основная масса загрязнений сосредоточена в верхних слоях загрузки, а также гидравлическая сортировка загрузки, приводящая к сокращению длительности фильтрциклов.

Прототипом заявляемого способа регенерации ИС является способ регенерации, включающий в себя промывку, регенерацию и отмывку ИС, в котором промывку осуществляют сначала в течение 2-3 минут воздухом со скоростью 15-20 л/с на кв.м для выравнивания гид, затем в течение 4-7 минут воздушный поток дополняется подачей воды со скоростью 2.5-4 л/с на кв.м и осуществляется совместная водовоздушная промывка, в ходе которой происходят разрушение на поверхности гранул структуры загрязнений и их транспортировка на поверхность. При этом поток воды подбирают таким образом, чтобы минимизировать перемешивание слоев и осуществить их некоторое поджатие. На третьем этапе подача воздуха прекращается и промывка в течение 5-6 минут осуществляется подачей воды со скоростью 6-7 л/с на кв.м.

Недостатком способа является проблема удаления загрязнений из слоя ИС, для решения которой приходится модифицировать фильтры путем создания системы горизонтального низкого отвода воды (Технические условия на проектирование, строительство и эксплуатацию водоочистных фильтров с водовоздушной промывкой и системы низкого отвода промывочной воды. - М., ОНТИНКХ, 1972, 14 с.). Особенно большие затруднения появляются при очистке загрязненных сточных вод в результате использования для промывки больших объемов предварительно очищенной воды и частой регенерации смол.

Задачей, решаемой авторами, являлась разработка способа, позволяющего выводить из системы примеси, в том числе и сорбированные на гранулах ИС, без ухудшения фильтрационных характеристик загрузки и при небольших объемах промывочной воды, пригодного для работы с сильно загрязненной водой.

Указанная задача решалась проведением процесса промывки в импульсном режиме сначала водой со скоростью, обеспечивающей предварительное поджатие загрузки в верхнем слое установки (10-80 куб. м в час), а затем водовоздушной смесью при относительном объемном соотношении воздуха и воды 2-10:1 и одновременном снижении линейной скорости подачи воды до скорости подачи регенерирующего раствора.

Как правило, промывающие компоненты подают в систему под давлением 0.1-10 МПа в течение 5- 10 минут.

В ходе импульсного воздействия смолу обрабатывают водовоздушной смесью с частотой 0.01-10 Гц, причем в систему в течение промывки подают от 1 до 1000 импульсов.

Проведение процесса в более мягком режиме подачи промывных смесей (отсутствие импульсов, меньшие скорости потоков и т.д.) приводит к снижению эффективности очистки, более жесткие режимы практически труднореализуемы.

Лучшие результаты достигаются при использовании системы водоочистки АЛКОР, при которой в верхнюю часть фильтра предварительно загружают плавающий инертный слой (инерт), процесс фильтрации проводят сверху вниз, причем слой ИС фиксируется относительно нижнего распределительного устройства. При этом в качестве инерта используют зерна химически инертного в данной среде вещества с плотностью ниже плотности воды и размером частиц 0.3-100 мм.

Возможно проведение процесса и без использования инерта, если перед началом промывки дренировать жидкость до ее верхнего уровня, что уменьшает возможность вертикального перемешивания гранул. (Такое дренирование может сочетаться и с использованием инерта.)
Последний вариант целесообразен в установках малой мощности или в случае, если снижение расхода обработанной воды на собственные нужды является приоритетным.

Существенные отличия заявляемого способа от прототипа заключаются в предварительном зажатии гранул ИС "водным ударом" снизу вверх, что позволяет предотвратить внутрислойное перемешивание ИС и осуществлять разрушение структур загрязнений в более выгодном режиме с использованием для этих целей пульсирующего двухфазного потока, в результате чего происходит выравнивание гидравлического сопротивления по площади фильтра и резко интенсифицируется процесс ее очистки от взвесей. Понижение скорости подачи воды и уменьшение ее доли в системе при переходе к водовоздушной смеси позволяет повысить местные скорости потоков у поверхности гранул и интенсировать передвижение флотирующих частиц загрязнений на поверхность фильтрующей загрузки инертного слоя, при этом пузырьками воздуха одновременно разрыхляется образующийся в процессе рабочего цикла плотный слой загрязняющих частиц (взвешенные частицы, ржавчина, известковые отложения и т.д.).

Загрязняющие частицы к концу обработки водовоздушной смесью концентрируются в слое инерта, не обладающего развитой поверхностью и имеющего малую адгезивность, и легко удаляются из системы восходящим потоком на следующей стадии регенерации.

Конкретный режим промывки определяется опытным путем исходя из особенностей установки и используемой смолы, а также характера загрязнения.

Для реализации данного способа предпочтительно использовать ИС марки DOWEX UPCORE, например, сильнокислый катионит Mono С 600, сильноосновный анионит Mono А-625, слабоосновный анионит Mono WB-500 и другие. Это связано с тем, что смолы этих марок имеют более однородный размер и высокие прочностные характеристики, что улучшает гидродинамические параметры в процессе регенерации смол. В качестве инертного материала лучшие результаты достигаются при использовании DOWEX IF-62.

Преимущества и практическая применимость способа была продемонстрирована на примере фильтровальной установки по очистке воды емкостью 25 м³.

В установку было загружено 17 м³ сильноосновного катионита на основе стирол-дивинилбензольной матрицы в натриевой форме при общей обменной емкости смолы 1,8 г-экв./л и 2 м³ инертного материала IF-59. По истощении обменной емкости слоя смолы (завершении рабочего цикла) прекращают подачу обрабатываемой воды в ионообменный фильтр в направлении сверху - вниз и приступают к проведению процесса регенерации. Для этого часть очищенной воды подают под слой ИС импульсом в направлении снизу - вверх со скоростью 70-80 куб. м в час, что обеспечивает поршнеобразный подъем и зажатие слоя смолы снизу - вверх, затем понижают скорость подачи воды до 8-10 куб.м в час и пропускают смесь воздуха и воды при относительном объемном соотношении Q_возд/Q_воды = 3.5-4, подавая ее в нижнюю часть ионообменного фильтра (под слой смолы) в импульсном режиме с длительностью импульса 0.1-2 сек в течение 6 минут. Затем прекращают подачу водовоздушной смеси и подают регенерирующий раствор на основе хлористого натрия или серной кислоты, в соответствии с инструкцией, прилагаемой к смоле при ее поставке. По завершении химической регенерации слоя остатки регенерирующего раствора вытесняют потоком деминерализованной воды, подаваемой в направлении снизу - вверх. Далее прекращают подачу воды, в результате чего происходит гравитационное осаждение слоя смолы. Осевший слой смолы промывают потоком обработанной воды в направлении сверху - вниз, осуществляя одновременно его зажатие, после чего проводят очередной рабочий цикл очистки воды.

В результате использования заявляемого способа на типовой установке химводоочистки со средней производительностью 150 м³/ч и объеме фильтроцикла 12000 м³ удалось достичь средней производительности 155 м³/ч при объеме фильтроцикла 13000 м³ воды.

Использование заявленного способа обеспечило возможность более полного удаления загрязнений из слоя ИС и, соответственно, более высокую эффективность процесса его регенерации. Затраты времени на регенерацию при этом сокращаются в среднем на 5-15% в зависимости от природы ИС, срока ее службы и характера загрязнений.

Изобретение относится к практике очистки природных и сточных вод с помощью ионообменных фильтров, а именно к способам регенерации ионообменных смол, и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, применяющих обессоленную или умягченную воду в технологических процессах. Промывку отработанного слоя смолы проводят в две стадии, на первой из которых используют водяной поток со скоростью, обеспечивающей фиксацию гранул смолы по вертикали, а на второй стадии процесс проводят водовоздушной смесью при относительном объемном соотношении воздух : вода от 2 до 10 к 1 и при понижении линейной скорости подачи воды до скорости подачи регенерирующего раствора, причем процесс проводят в импульсном режиме с частотой 0,01-10 Гц, подавая в систему в течение промывки от 1 до 1000 импульсов. Предлагаемая технология позволяет сократить время регенерации на 5-15%, повысить объем фильтроцикла на 10%. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ противоточной регенерации ионообменных смол, включающий в себя многостадийную промывку отработанного слоя смолы, включая промывку водой и водовоздушной смесью, пропускание через смолу регенерирующего раствора и вытеснение его остатков, отличающийся тем, что промывку проводят в две стадии, на первой из которых используют водяной поток со скоростью, обеспечивающей фиксацию гранул смолы по вертикали, а на второй стадии процесс проводят водовоздушной смесью при относительном объемном соотношении воздух : вода 2 - 10 : 1 и понижении линейной скорости подачи воды до скорости подачи регенерирующего раствора в импульсном режиме с частотой 0,01 - 10 Гц, причем в систему в течение промывки подают от 1 до 1000 импульсов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промывные потоки подают под давлением от 0,1 до 1 МПа. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что водовоздушную смесь подают в течение 5 - 10 мин. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в систему предварительно вводят химически инертный носитель с плотностью ниже плотности воды и размером частиц 0,3 - 10 мм. 5. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что перед стадией промывки жидкость дренируют до верхнего уровня слоя смолы.