Главная   Техническая информация   Методы очистки воды   

ФИЛЬТРЫ С ЗЕРНИСТОЙ ЗАГРУЗКОЙ

1 Осветление воды фильтрованием через слои зернистого насыпного материала

Начальным этапом водоподготовки, как правило, является освобождение ее от взвешенных примесей - осветление воды, иногда классифицируемое как предварительная обработка.

Различают несколько типов фильтрования:

- процеживание - размеры пор фильтрующего материала меньше размеров задерживаемых частиц;

- пленочное фильтрование - при определенных условиях, после некоторого начального периода, фильтрующий материал обволакивается пленкой взвешенных веществ, на которой могут задерживаться частицы даже более мелкие, чем размер пор фильтрующего материала: коллоиды, мелкие бактерии, крупные вирусы;

- объемное фильтрование - взвешенные частицы, проходя через слой фильтрующего материала, многократно изменяют направление и скорость движения в щелях между гранулами и волокнами фильтрующего материала; таким образом, грязеемкость фильтра может быть довольно большой - больше, чем при пленочном фильтровании.

Фильтрование в тканевых, керамических, почти во всех фильтрах с неткаными волокнистыми фильтрующими элементами осуществляется по первым двум из названных типов; в мелкозернистых насыпных фильтрах - по второму типу, в крупнозернистых насыпных - по третьему.

1.1 Классификация фильтров с зернистой загрузкой

Зернистые фильтры применяют, в основном, при очистке жидкостей, у которых содержание твердой фазы ничтожно мало, и осадок не представляет ценности, основное назначение фильтров - для осветления природной воды. Именно они наиболее широко применяются в технике водоподготовки.

Классификация фильтров по ряду основных признаков:

скорость фильтрования:

  • медленные (0,1-0,3 м/ч);
  • скорые (5-12 м/ч);
  • сверхскоростные (36-100 м/ч);

давление, под которым они работают:

  • открытые или безнапорные;
  • напорные;

количество фильтрующих слоев:

  • однослойные;
  • двухслойные;
  • многослойные.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя - крупные легкие частицы, внизу - мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие - в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветлительные фильтры эффективны при задержании частиц размером >10 мкм.

1.2 Технология фильтрования

Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физико-химических свойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накопление загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды.

Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушаться. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва.

По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующей материал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки. Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды, и требуемая степень осветления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать. Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется временем защитного действия загрузки. При его достижении, либо при достижении предельной потери напора осветлительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным током воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж. Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц - от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупняться и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение» частиц искусственным коагулированием. Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно,- флокулирование) производится в отстойниках-осветлителях. Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или содо-известкованием, или едконатровым умягчением. В обычных осветлительных фильтрах чаще всего наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером зерен 0,65-0,75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0-1,25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется, взвешенные примеси проникают вглубь слоя - в поры и откладываются на поверхности зерен. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижним слоем песка. При взрыхляющей промывке фильтра слои песка и антрацита не перемешиваются, так как плотность антрацита вдвое меньше плотности кварцевого песка.

1.3 Скорость фильтрования

Скорость протекания воды через фильтрующий слой зависит от нескольких факторов: - природы фильтрующего материала;

- характера загрязнений воды («сминаемые» частицы, например, гидроксид железа (Fe3+), или «несминаемые», например мелкие кварцевые песчинки);

- толщины фильтрующего слоя; температуры воды (например, для песчаного фильтра установлено: при увеличении температуры воды от 20 до 60°С скорость фильтрования можно увеличить вдвое - при той же эффективности фильтрования).

Для песчаного фильтра скорость фильтрования можно вычислить по формуле:

v = 3600 · c · d2 ·h/(l · (0,7+0,03 · t),

где v - скорость фильтрования, м/ч;
c - коэффициент, примерно равный 40;
d - диаметр гранул фильтрующего песка, м;
l - толщина фильтрующего слоя, м;
h - потеря напора при фильтровании, мвод. ст.;
t - температура воды, °С.

1.4 Условия применения

Фильтрование в осветлительных фильтрах применяется для удаления взвешенных примесей при их количестве до 100 мг/л (двухслойные фильтры) и до 50 мг/л (однослойные). Если в исходной воде значения перманганатной окисляемости больше 15 мгО/л или цветности больше 30 градусов платино-кобальтовой шкалы (двухслойные фильтры) и окисляемости больше 8 мгО/л или цветности больше 20 градусов - (однослойные фильтры), то необходимо предварительное коагулирование.

При водозаборе из открытых водоемов коагулирование сульфатом алюминия или оксихлоридом алюминия, как правило, применяется в периоды паводков или цветения воды при показателях качества исходной воды: щелочность - до 2 ммоль/л; цветность - более 30 градусов платино-кобальтовой шкалы; перманганатная окисляемость более 5 мгО/л - при последующем обессоливании ионированием или обескремнивании, перманганатная окисляемость - более 12 мгО/л,- при последующем натрий- или водород-катионировании. При этом должны предусматриваться вспомогательные реагенты: при недостаточной (меньше 1 ммоль/л) щелочности - гидроксид натрия, карбонат и гидрокарбонат натрия, оксид кальция; при плохой коагулируемости - хлор или хлорная известь; для укрупнения хлопьев (если содержание взвешенных примесей в исходной воде не более 20 мг/л) - флокулянты.

2 Умягчение воды

2.1 Натрий-катионирование

2.1.1Сущность метода

Самый распространенный метод умягчения воды - натрий-катионирование. Метод основан на способности ионообменных материалов обменивать на ионы кальция и магния ионы других веществ, не образующих накипь на теплонапряженной поверхности (трубные экраны котлов, теплообменники, поверхности жаротрубных котлов).

Веществ таких немало, но в связи с доступностью и относительной дешевизной хлорида натрия именно он был выбран в качестве реагента для регенерации катионита. Кроме того, продукты регенерации - CaCl2, MgCl2 - хорошо растворимы в воде, в отличие, например, от СаСО3 (регенерация карбонатом натрия (Na2CO3) или CaSO4 (регенерация сульфатом натрия (Na2SO4)). Реакции обмена ионами (R - комплекс катионита, упрощенно называемый анионитной частью катионита):

2 NaR + Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3; (2.1)

2 NaR + Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3; (2.2)

2 NaR + CaCl2 ↔ CaR2 + 2NaCl; (2.3)

2 NaR + MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4; (2.4)

2 NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3, (2.5)

Уравнения реакций с солями MgCl2, CaSO4 и MgSiO3 аналогичны уравнениям (2.3), (2.4), (2.5) соответственно. Замена ионов кальция и магния ионом натрия гарантирует отсутствие накипеобразований на греющих поверхностях котлов и теплообменников.

По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных на смоле, возрастает, то есть катионит «истощается». Тогда его следует регенерировать - пропустить через слой катионита раствор хлорида натрия, и обменная способность катионита восстанавливается.

Процессы ионного обмена обратимы. Поэтому, если в воде ионов натрия становится все больше и больше по сравнению с количеством ионов кальция и магния, то процесс поглощения ионов Ca2+ и Mg2+ замедляется, то есть все больше сдвигается в левую сторону реакций (2.1)-(2.5) и может быть изображен так:

CaR2 + 2Na+ ↔ 2NaR + Ca2+; (2.6)

MgR2 + 2Na+ ↔ 2NaR + Mg2+. (2.7)

Ионы Na+, Ca2+ и Mg2+ названы противоионами. Это свойство катионитов имеет два следствия:

Первое. При увеличении минерализации обрабатываемой воды (увеличение идет, в основном, за счет увеличения содержания в воде натрия и в гораздо меньшей степени - калия) получение глубокоумягченной воды традиционным натрий-катионированием - даже двухступенчатым - становится все более проблематичным. Числовое выражение этого явления приведено в табл. 2.1.

Второе.Обеспечивается возможность регенерации катионита 5-10%-ным раствором хлорида натрия. Концентрация иона натрия в растворе при этом заведомо и намного больше концентрации ионов кальция и магния в катионите.

Таблица 2.1 - Жесткость общая воды после натрий-катионитных фильтров


п/п

Наименование

Минерализация исходной воды, мг/л

<200

200...500

500...800

800...1200

>1200

1

I ступень, мкмоль/л

10

20

30

50

>50

2

II ступень, мкмоль/л

2...4

5

10

20...30

>30

2.1.2 Особенности натрий-катионирования и регенерации катионита

Улучшать эффективность регенерации путем увеличения концентрации регенерирующего раствора можно до определенного предела, диктуемого экономическими соображениями, которые вынуждают ограничиваться некоторым расходом раствора, то есть уменьшать объем раствора при увеличении концентрации натрий хлорида.

Это, в свою очередь, уменьшает эффективность регенерации, так как вытесненные из катионита ионы Ca2+ и Mg2+ распределяются в меньшем объеме регенерационного раствора, концентрация их увеличивается, и в качестве противоионов они в таких условиях более действенны. При этом уменьшение объема раствора регенеранта снижает полноту регенерации, так как уменьшение количества этого раствора снижает его обмен в пространстве между зернами катионита (желательна трехкратная смена жидкости в этом пространстве).

Для компенсации описанного недостатка рекомендуется двухступенчатая регенерация: сначала разбавленным (2-3%-ным), затем более концентрированным (10-12%-ным) раствором хлорида натрия. Аналог такого способа регенерации - двухступенчатое натрий-катионирование. В фильтре второй ступени противоионов Ca2+ и Mg2+ очень мало, и они хорошо вытесняются концентрированным раствором NaCl.

Скорость фильтрования регенерационного раствора при ограниченном его расходе всегда меньше скорости фильтрования умягчаемой воды. Для того, чтобы диффузия ионов Na+ внутрь зерна катионита и ионов Ca2+ и Mg2+ из зерна в раствор осуществлялась в достаточной мере, нужно время - не менее 15 мин. Этим и определяется максимальная скорость фильтрования регенерационного раствора через слой катионита - 4-6 м/ч (условно принимается, что фильтр пустой).

Температура, как и в большинстве химических процессов, интенсифицирует диффузию ионов, и поэтому там, где возможно, производится нагревание умягчаемой воды и регенерационного раствора хотя бы до 35-40°С. Значение водородного показателя (рН) умягчаемой воды существенно влияет на обменную емкость катионита в натриевой форме. Чем ниже рН (чем больше в воде ионов Н+), тем больше ионов H+ участвуют в обмене с ионами Na+:

NaR + H+ ↔ HR + Na+. (2.8)

Ионы водорода обладают несколько большим, чем ионы натрия, сродством к катиониту, поэтому поглощенные катионитом ионы H+ плохо вытесняются ионами Na+, то есть «законные» места ионов Na+ заняты ионами H+. Значит, обменная емкость катионита по ионам Ca2+ и Mg2+ снижается. Как правило, при натрий-катионировании значение рН должно быть не менее 6,5 и не более 10,0 (во избежание разрушения катионита).

2.1.3 Объем катионита в фильтре

Объем катионита в фильтре нужно определять по формуле:

Wк = 24 · qу · Жоисх / nр · ЕрабNa, м3,

где qу - расход умягченной воды, м3/ч;

Жоисх - общая жесткость исходной воды, моль/м3;

ЕрабNa - рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, моль/м3;

nр - количество регенераций фильтра в сутки, принимаемое при ручном управлении - от одной до трех в сутки, при автоматизированном управлении - по технической документации производителя оборудования;

ЕрабNaNa · βNa · Еполн - 0,5 · q уд · Жоисх,

где αNa - коэффициент эффективности регенерации натрий-катионита, учитывающий неполноту регенерации катионита и принимаемый по соотношениям (при параллельноточном катионировании):

Удельный расход натрий хлорида на регенерацию катионита, г/моль

100

150

200

250

300

Коэффициент эффективности регенерации катионита αNa

0,62

0,74

0,81

0,86

0,9

βNa - коэффициент, учитывающий уменьшение обменной емкости катионита по Са2+ и Mg2+ вследствие частичного задержания катионов Na+, принимаемый по соотношениям:

СNa2 / Жоисх

0,01

0,05

0,1

0,5

1,0

5,0

10,0

βNa

0,93

0,88

0,83

0,7

0,65

0,54

0,5

Здесь СNa - концентрация натрия в исходной воде (моль/м3), то есть СNa = [Na+]/23; [Na+] - концентрация ионов натрия, мг/л;

Еполн - полная динамическая емкость катионита (моль/м3), определяемая по паспортным данным производителя катионита;

qуд - удельный расход воды на отмывку катионита (м3 на 1 м3 катионита), принимаемый по паспортным данным производителя.

При параллельноточном натрий-катионировании скорость фильтрования через слой катионита напорного фильтра при нормальном режиме принимается в зависимости от общей жесткости Жоисх:

до 5 ммоль/л - 25 м/ч;

5-10 ммоль/л - 15 м/ч;

10-15 ммоль/л - 10 м/ч.

При выключении одного фильтра на регенерацию в других фильтрах допускается кратковременное увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч.

При противоточном натрий-катионировании скорость фильтрования воды через слой катионита можно увеличивать до 35-40 м/ч, то есть, при прочих равных условиях, производительность противоточного фильтра больше, чем у параллельноточного фильтра, на 50-100%.

2.1.4 Расход хлорида натрия для регенерации катионита

Расход хлорида натрия для одной регенерации фильтра I ступени определяется по формуле:

Р с = f к · Нк · ЕрабNa· Qc / 1000, кг/рег.,

где f к - площадь фильтрования фильтра, м2;

Нк - высота слоя катионита в фильтре, м;

ЕрабNa - рабочая обменная емкость катионита, моль/м3;

Qc - удельный расход хлорида натрия на 1 моль обменной емкости катионита, г/моль, принимается по паспортным данным производителя катионита, обычно (в зависимости от жесткости исходной воды): 100-300 г/моль - для фильтров I ступени, 300-400 - для фильтров II ступени, 90-130 - для противоточных фильтров.

2.1.5 Объем умягченной воды

в фильтре за один цикл, м3:

Q = (ЕрабNa · Wк) / Жо исх, (4.24)

рабNa - рабочая обменная емкость катионита, моль/м3; другие обозначения см. выше).

2.1.6 Критерии применимости метода

Пределы применения натрий-катионирования для подготовки добавочной воды паровых котлов и других энергетических объектов зависят, с одной стороны, от необходимости предотвратить преждевременное прекращение или ухудшение работы катионита, а с другой - от технических особенностей конструкции котлов. Предусматривается оценка пяти критериев:

  • Карбонатная жесткость исходной воды;
  • Относительная щелочность котловой воды;
  • Оксид (IV) углерода (углекислый газ) в паре котлов;
  • Продувка котла и сепарация котла;
  • Количество и качество сточных вод.

2.1.7 Требования к качеству воды, подаваемой на Натрий-катионирование

Для уменьшения загрязнения катионита качество исходной воды перед катионитным фильтром должно быть в пределах норм, не более:

  • содержание взвешенных примесей - 8 мг/л;
  • цветность - 30 градусов платино-кобальтовой шкалы;
  • содержание железа - 0,3 мг/л;
  • окисляемость перманганатная - 5 мгО/л.

2.1.8 Качество воды после Натрий-катионирования

С помощью параллельноточного натрий-катионирования общую жесткость исходной воды можно уменьшить до пределов, указанных в табл. 2.1.

Для достижения нормативных значений жесткости обработанной воды при значениях минерализации исходной воды больше указанных могут быть предусмотрены способы (отдельно или в сочетании друг с другом): противоточное фильтрование, трехступенчатое натрий-катионирование, нагрев обрабатываемой воды и регенерационного раствора реагента до температуры, допускаемой конструкцией фильтра и фильтрующим материалом, магнитная обработка воды перед натрий-катионированием, применение катионитов большой обменной емкости.

Жесткость. После прямоточного (параллельноточного) натрий-катионирования общая жесткость исходной воды в зависимости от минерализации исходной воды может быть уменьшена до пределов, указанных в табл. 2.1. При противоточном одноступенчатом натрий-

катионирования можно достигнуть такого же уменьшения жесткости, как и при двухступенчатом прямоточном натрий-катионировании.

Щелочность воды и водородный показатель (рН) в среднем на протяжении цикла фильтрования не изменяются, оставаясь равными первоначальным значениям.

Минерализация после натрий-катионирования увеличивается вследствие того, что эквивалентная масса иона натрия несколько больше эквивалентных масс ионов Ca2+ и Mg2+.

Увеличение происходит на значение

ΔМ = 0,148 · [Ca2+] + 0,891 · [Mg2+], (4.22)

что следует из уравнения:

ΔМ = (Ca2+/20,04) · 23 + (Mg2+/12,16) · 23, (4.23)

где Ca2+, Mg2+ - ионы кальция и магния; 20,04; 12,16 - эквивалентная масса ионов кальция и магния соответственно, мг/ммоль (мг/экв); 23 - эквивалентная масса иона натрия, мг/ммоль (мг/экв).

Если учитывать наличие в воде ионов калия, то эквивалентную массу суммы ионов натрия и калия следует принимать условно равной 25.

 
 
 

Россия, 394033, г. Воронеж
Ленинский пр-т, 160
Тел.: (473) 223-15-89
E-mail: water@hydrogas.ru

 
   
 
Главная | О компании | Контакты Разработка сайта в Воронеже +7 473 228-71-97