Теоретическое обоснование ресурсосберегающего, малоотходного метода умягчения и корректирования щелочности воды (стр. 1 )

Для заказа доставки данной работы воспользуйтесь поиском на сайте по ссылке:  http://www. /search. html

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт коллоидной химии и химии воды им.

На правах рукописи

ВАЛУЙСКАЯ Елена Анатольевна

УДК 541.183+621.182.12+628.16

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО, МАЛООТХОДНОГО МЕТОДА УМЯГЧЕНИЯ И КОРРЕКТИРОВАНИЯ ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ

Специальность 21.06.01 - техногенная безопасность государства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор химических наук, старший научный сотрудник МАМЧЕНКО А. В.

КИЕВ - 2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Страница

ВВЕДЕНИЕ         4

РАЗДЕЛ 1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УМЯГЧЕНИЯ И КОРРЕКТИРОВАНИЯ ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ         9

Умягчение воды с применением сульфокатионитов         9 Ыа - С1-ионирование         11 Реагентное умягчение воды         13 Н - Ка-катионирование         14 Бева^процесс         17 ЗшЛЪепп-процесс         18 САЫХ-процесс         19 Умягчение воды с помощью метакриловых катионитов         20 Равновесие ионного обмена на карбоксильных ионитах         22 Выводы и постановка задачи         56

РАЗДЕЛ 2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ         58

Реактивы и материалы         58 Определение влагосодержания и удельного объема при набухании рабочих образцов ионитов         58 Методика измерения кривых потенциометрического титрования         60 Расчет кривых потенциометрического титрования         61 Измерение концентрации ионов натрия в растворах         63 Оценка достоверности экспериментальных данных         63

РАЗДЕЛ 3 АНАЛИЗ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО РАВНОВЕСИЯ НА КАРБОК -        66

СИЛЬНЫХ ИОНИТАХ ПРИ ОБМЕНЕ ОДНОЗАРЯДНЫХ КАТИОНОВ        

Анализ изотерм обмена Н*-Ыа+ в рамках модели биномиального распределе -        66

ния рК        

з

Уравнение изотермы обмена двух однозарядных ионов, учитывающее влия -        78

ние ближнего окружения фиксированных центров        

Анализ равновесия Н+-Иа+ на карбоксильных катионитах на основе двух -        82

параметрического уравнения изотермы обмена        

Уравнение изотермы обмена двух однозарядных ионов, учитывающее влия -        88

ние дальнего окружения фиксированных центров        

Анализ изотерм обмена Н*—Ыа+ на карбоксильных катионитах разной приро -        90

ды        

Сопоставление кислотно-основных характеристик акриловых катионитов        103

Ье^уайї СЫР 80 и Эо\уех МАС 3        

РАЗДЕЛ 4 ОБМЕН Н*-М^+ НА ПОЛИАКРИЛОВОМ ИОНИТЕ         116

РАЗДЕЛ 5 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ НА КАРБОКСИЛЬНЫХ КАТИОНИТАХ И ЕЁ ЭКСПЕ­РИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА         132

Формулировка модели и результаты теоретического расчёта         132 Экспериментальная проверка результатов расчётов         146

ВЫВОДЫ         152

ЛИТЕРАТУРА         153

ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы

Производство умягчённой воды с регламентированной щёлочностью (или значением pH), применяемой практически во всех отраслях промышленности, является наиболее крупнотон­нажным производством в стране и сопровождается потреблением избыточных количеств реа­гентов и образованием эквивалентных избыткам от стехиометрических количеств отходов со­лей, сбрасываемых затем со сточными водами в источники водоснабжения. По действующей технологии на удаление 1 мольэкв ионов жёсткости тратится 3 мольэкв товарных реагентов. Основными потребителями умягчённой воды являются тепловые и атомные электростанции, химические и металлургические заводы, жилищно-коммунальное хозяйство, где умягчённая вода используется для питания паровых котлов низкого и среднего давления, испарителей, обо­ротных систем водо - и теплоснабжения населения и предприятий, для нужд которых в Украине вырабатывается около 440 млн. м /год умягчённой воды, что сопровождается расходом не ме­нее 5 т/ч извести, 20 т/ч хлорида натрия, 2 т/ч серной кислоты и сбросом в источники водо­снабжения примерно 350 /год сточных вод только Н-фильтров, содержащих не менее 50 % неиспользованных в технологическом процессе реагентов (что соответствует около 550 т/год только серной кислоты) или продуктов их нейтрализации. Последнее обстоятельство предопре­деляет не только экономические потери при производстве умягчённой воды, но и техногенное загрязнение водного бассейна, что сказывается на качестве воды, потребляемой населением и промышленностью.

В связи с этим разработка технологии умягчения воды, обеспечивающей полное исполь­зование реагентов по целевому назначению, резкое сокращение (в 2-4 раза) сбросов водорас­творимых солей в окружающую среду представляется значимой проблемой не только с точки зрения рационального использования ресурсов страны, но и с позиций охраны окружающей среды и улучшения качества жизни населения. Экономическая и экологическая эффективность такого способа кондиционирования воды повысится, если будет обоснована возможность прак­тической реализации технического решения, позволяющего в качестве сырья применять вместо товарных продуктов соединения, содержащиеся в сточных водах того же хозяйственного объ­екта, и создания бессточных схем умягчения воды ионитами.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Работа была выполнена в рамках тематик отдела №21 Института коллоидной химии и хи­мии воды им. НАН Украины «Разработка концепции создания ресурсосбере­гающих технологических схем обессоливания и кондиционирования воды на предприятиях те­плоэнергетических и других отраслей промышленности» (№ Госрегистрации 01954011333), «Обоснование теории обменных равновесий на слабодиссоциированных ионитах и разработка на её основе ресурсосберегающих технологий кондиционирования воды» (№ Госрегистрации 0198И000809).

Цель и задачи работы

Цель работы - теоретическое обоснование способа умягчения воды с одновременным корректированием её щёлочности и pH, обеспечивающего сокращение расходов реагентов до количеств, соответствующих стехиометрии химических реакций, гарантирующего эффективное использование вместо товарных продуктов соединений, содержащихся в отходах производства, и существенное уменьшение количества солей, сбрасываемых сточными водами в окружаю­щую среду.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

обоснование возможности создания малоотходной, ресурсосберегающей технологии умягчения воды, основанной на применении карбоксильных катионитов; вывод уравнения изотермы обмена ионов гидроксония на ионы натрия или магния на карбоксильных катионитах, позволяющего с высокой точностью описывать ионооб­менное равновесие в широком диапазоне составов резинатов и внешних растворов; проверка соответствия уравнения изотермы обмена на карбоксильных ионитах экспе­риментальным данным; разработка теоретической модели технологического процесса умягчения воды карбок­сильными катионитами, позволяющей на основе сведений об ионообменных равнове­сиях оценить основные характеристики стадий обработки воды и регенерации ионита; экспериментальная проверка адекватности теоретической модели.

Объектом исследования является процесс умягчения воды на слабокислотных карбок­сильных катионитах.

Предмет исследования - ионообменные равновесия при одностадийном процессе глубо­кого умягчения воды с одновременным корректированием её щелочности с помощью слабоки слотных карбоксильных катионитов.

Методы исследования. Измерение и расчет кривых потенциометрического титрования ка­тионита в равновесных условиях по общепринятой методике. Содержание магния и кальция во внешних растворах определяли трилонометрически с эриохромчерным Т и мурексидом, содер­жание кислоты или щелочи - титриметрически по универсальному индикатору и метиловому красному, pH - потенциометрически, натрия - методом пламенной фотометрии.

Научная новизна работы

Исходя из представлений о влиянии на обменные свойства фиксированных ионов ионитов ближнего и дальнего окружения, получены уравнения изотерм обмена двух однозарядных ио­нов и одно - и двухзарядного ионов.

Доказано соответствие уравнений экспериментальным данным об обмене ЬГ - Ыа+ и Н+ -

на карбоксильных катионитах. Обоснованы оптимальные упрощения общих соотноше­ний, дающие возможность описывать ионообменные равновесия в широком диапазоне составов резинатов и внешних растворов с высокой точностью (ошибки аппроксимации < 10%) при ми­нимальном числе подгоночных коэффициентов.

Сформулирована модель технологического процесса глубокого умягчения воды карбок­сильными катионитами в одну стадию, позволяющая на основе уравнений изотерм обмена в бинарных системах и сведений о составе исходной воды прогнозировать щёлочность, pH и жё­сткость умягчённой воды, а также оценивать рациональные условия регенерации катионита серной кислотой и гидроксидом натрия.

Практическая значимость работы

Обоснован технологический режим умягчения воды с одновременным корректированием её щёлочности и pH карбоксильными акриловыми катионитами, обеспечивающий стехиометрический расход реагентов при восстановлении рабочей обменной ёмкости ионита, в том числе при использовании серной кислоты и гидроксида натрия, содержащихся в отходах производства (сточных водах) установок обессоливания воды тепловых, атомных электростанций и других промышленных предприятий. Разработана методика априорного расчета щёлочности, pH и жёсткости умягчённой воды. Методика позволяет оценивать жёсткость умягчённой воды с точностью до 0.2 ммоль/дм3, щёлочность - до 1 ммоль/дм3, pH - до 0.5 единиц.