Изучение работы ионообменных фильтров

Целью является изучение процесс ионного обмена на лабораторном стенде и методики расчета ионообменных фильтров.

Общие сведения

При фильтровании воды через слой катионитовой загрузки фильтра происходит взаимный обмен ионов металла Меп+ и водорода №+ на катионите КУ-2-8. В сырой воде замещаются ионы кальция и магния на ионы водорода. Происходит умягчение воды. Слой катионита, умягчающий воду (отдающий ионы водорода), называют работающим слоем или зоной умягчения. Этот слой имеет некоторую переменную глубину, меняющуюся в процессе работы фильтра. При фильтровании воды верхние слои катионита (при фильтровании сверху вниз) или нижние слои катионита (при фильтровании снизу вверх) истощаются и теряют обменную способность. Формируется фронт сорбции — граница между истощенной и свежей (заряженной) катионитовой загрузкой. Таким образом, фронт сорбции перемещается по высоте фильтрующей загрузки. В ионный обмен вступают нижние слои катионита (при фильтровании снизу вверх) и зона умягчения постепенно сокращается к низу. В процессе работа фильтра выделяют три зоны — истощенного, работающего (фронт сорбции), и свежего катионита. Высота и положение этих зон меняются в процессе работы ионнообменного фильтра.

В фильтрате концентрация ионов жесткости будет постоянной до момента, когда фронт сорбции не приблизится к месту отбора фильтрата. В этот момент будет происходить проскок ионов Са+2 и Mg+2. В дальнейшем концентрация ионов жесткости будет увеличиваться до достижения величин, равных в исходной сырой воде. В момент, когда концентрации ионов Са+2 и Mg+2 будут равны, в исходной сырой воде и в фильтрате закончится грязеемкость загрузки. Наступает полное истощение катионитовой загрузки фильтра.

Для восстановления первоначальных характеристик катионитовой загрузки ее необходимо регенерировать. Для этого через загрузку фильтруют раствор поваренной соли NaCl. Катионит заряжается ионами Na+.

Описание установки

При умягчении воды часто применяется химический метод водоподготовки — фильтрование воды через ионообменную загрузку фильтра. Лабораторный стенд позволяет изучить работу ионообменного фильтра при двух режимах фильтрования — нисходящем или восходящем потоке сырой воды, а также познакомиться с процессом регенерации загрузки.

Основными элементами лабораторного стенда «Ионообменный фильтр» являются ионообменный фильтр с внутренним диаметром 100 мм и рабочей высотой 1 м, бак сырой воды объемом 50 л; расходный бак объемом 50 л; насосная станция AQUARIO сери ADB; снабженный пробоотборниками, установленными с шагом 0,2 м; измерительная и запорная арматуры.

В ионообменном фильтре в качестве фильтрующей загрузки используется катионит КУ-2—8. Данный катионит универсален и может быть использован во всех традиционных ионообменных процессах. Вода, поступающая на ионнообменный фильтр должна быть очищена от механических примесей (взвеси, масел, коллоидных частиц), так как эти загрязнения образуют слой на поверхности катионита, который обволакивает гранулы и тем самым снижает сорбционную емкость катионита.

Для регенерации загрузки (катионита) используют специально приготовленный раствор 6—10%-й соли NaCl (соль поставляется с лабораторным стендом). Для регенерации загрузки достаточно 20—50 л 6—10%-го раствора NaCl.

Характеристики фильтра:

  • 1) количество слоев катионита п = 5 шт.;
  • 2) высота каждого слоя катионита hki = 0,2 м;
  • 3) площадь живого сечения фильтра S = 0,00785 м2;
  • 4) объем катионита в каждом слое Vki = 0,0157 м3.
Схема лабораторного стенда

Рис. 19.8. Схема лабораторного стенда:

  • 1, 4, 5, 6, 7,8,9 — кран; 2 — бак сырой воды; 3 — бак раствора №С1;
  • 10 водосчетчик; 11 — пробоотборники; 12 — насос; 13 — сетчатый фильтр; 14 — манометр; 75 — гибкая подводка; 16 — автоматический воздухоотводчик; 17 — сбросной трубопровод;
  • 18 ионообменный фильтр

Порядок выполнения работы

  • 1. Для исследования ионообменного процесса при нисходящем фильтровании открыть краны 8 и 9 (рис. 19.8), а краны 6 и 7 должны быть в закрытом состоянии. Для исследования ионообменного процесса при восходящем фильтровании последовательность открытия-закрытия кранов 6, 7, 8 и 9 меняется на противоположную.
  • 2. Открыть кран 1 и заполнить бак сырой воды 2 исследуемой водой. Частично открыть кран 5. Подождать 1—2 мин. В случае уменьшения уровня воды в баке сырой воды 2 дополнить его до полного.
  • 3. Приготовить 50 л 6—10%-го раствора №С1 в расходном баке 3 (кран 4 находится в закрытом состоянии) (масса одной таблетки соли составляет 14,5 гр.).
  • 4. Снять первоначальные показания с водосчетчика 10.
  • 5. Снять показания общей минерализации (солесодержания) в баке сырой воды прибором TDS 5 (или иным солемером). Перевести показания жесткости воды из ppm в мг-экв/л (г-экв/м3), разделив высветившиеся показания прибора на 50.
  • 6. Включить насосную станцию, нажав выключатель на стенде и вдавив пускатель, расположенные на красном корпусе реле давлений насосной станции. Включение насосной станции приводит к началу процесса фильтрования сырой воды через катионит.
  • 7. Снять показания манометра при установившемся режиме (стрелка манометра находится в равновесном состоянии).
  • 8. Выполнять отборы проб воды с интервалом 5—15 мин из всех четырех пробоотборников 11 (располагаются с шагом 0,2 м), а также на выходе из фильтра. В периоды отбора проб снимать показания с водосчетчика 10.
  • 9. Производить замеры общей минерализации солемером.
  • 10. По окончании проведения опытов регенерировать загрузку ионообменного фильтра, переключив кран 1 в позицию закрыто, а кран 4 в позицию открыто.
  • 11. Перекачивать раствор соли NaCl, профильтровывая его через тело ионообменного фильтра.
  • 12. Изменить режим фильтрования увеличивая угол открывания крана 5 до 45 градусов. Повторить позиции 2—11.
  • 13. Изменить режим фильтрования увеличивая угол открывания крана 5 до 60 градусов. Повторить позиции 2—11.
  • 14. Изменить режим фильтрования увеличивая угол открывания крана 5 до 90 градусов (полное открытие крана 5). Повторить позиции 2—11.
  • 15. Изменить режим фильтрования с нисходящего на восходящий (см. позицию 1).
  • 16. Повторить эксперимент, опираясь на позиции 2—14.

В ходе проведения экспериментов заполнить табл. 19.2.

Обработка данных испытания

Определить скорость фильтрования v в каждом опыте (площадь сечения фильтра составляет 0,00785 м2) как

Определить скорость движения границы насыщения катионита и, м/с, по всей длине фильтра. При этом качество водыв каждом пробоотборнике должна начать приближаться к значению жесткости сырой воды бака. Скорость движения границы насыщения ионита определится по формуле

Таблица 19.2

Экспериментальные данные

№ опыта

Давление, МПа

Объем сырой воды, V, м3

Объем сырой воды нарастающим итогом, Хк, м3

Продолжительность фильтроцикла, Т, с

Продолжительность фильтроцикла нарастающим итогом, Хт, с

Качество воды, г-экв/м3

сырой (в баке), Со

в пробоотборниках

на выходе, с

вых

1,

2, С2

3,

С3

4, с4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Определим объемную емкость катионита т0, мг-экв/м3

Найти усредненное значение емкости катионита тОср.

Продолжительность фильтрации (работы катионитового фильтра в межрегенерационный период) определим как:

Построить графическую зависимость продолжительности действия защитного слоя фильтра от толщины слоя фильтра при различных концентрациях жесткости исходной воды.

Контрольные вопросы

  • 1. Что такое «Ионный обмен»?
  • 2. Какова конструкция ионнообменного фильтра?
  • 3. Процедура регенерации загрузки ионнообменного фильтра?
  • 4. Для чего используют ионнообменные фильтры?
  • 5. Что чаще всего используется в качестве загрузки ионнообменных фильтров?
  • 6. Что такое «Сорбционный фронт»?
  • 7. Как происходит регенерация загрузки в ионнообменном фильтре?
  • 8. Что уменьшает грязеемкость загрузки ионнообменного фильтра?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >