Demineralizarea Apei cu Schimbatori Ioni
CAPITOLUL I
Importanta, tendinte si domenii de utilizare a schimbatorilor de ioni
Schimbatorii de ioni ocupa un loc din ce in ce mai important in economia noastra nationala. In stadiul actual al dezvoltarii industriei in tara noastra, si cu deosebire al industriei chimice, care a luat un avant fara precedent cand s-a pus un accent deosebit pe introducerea procedeelor tehnologice moderne, folosirea pe scara larga a schimbatorilor de ioni constituie un criteriu esential de promovare a tehnicii celei mai avansate. Importanta deosebita a schimbatorilor de ioni in tehnica moderna consta in faptul ca ei sunt utilizati in tot mai multe domenii industriale. De altfel, schimbatorii de ioni (aplicatiile acestora) se extind in toate sectoarele industriale, simplificand procesele tehnologice si marind randamentele de fabricatie. Aplicarea procedeelor bazate pe utilizarea schimbatorilor de ioni permit in cea mai larga masura imbunatatirea produseor, scaderea pretului de cost si marirea productivitatii muncii.
Cea mai complexa si mai plina de interes dintre toate aplicatiile sistemului ionic o ofera demineralizarea totala a apei, apa fiind unul din factorii de baza ai procesului industrial. Schimbatorii de ioni sunt folositi nu numai la dedurizarea si demineralizarea apei, dar si in multe alte domenii industriale cum ar fi:
– Cromatografia
Prepararea reactivilor puri
– Prepararea bauturilor
– Industria chimica
purificarea inaintata a substantelor organice si anorganice
purificare solventi
preparare acizi si baze din saruri
– Prelucrarea suprafetei metalelor
galvanizari
recuperare metale pretioase
– Procese catalitice
alkilari
esterificari
prepararea acetatilor
– Hidrometalurgie
prepararea uraniului
prepararea germaniului
– Industria farmaceutica
obtinerea vitaminelor
decolorarea solutiilor
– Medicina, in tratarea unor maladii:
insuficienta cardiaca
ciroza ficatului
epilepsie
Pentru viitor se preconizeaza o tot mai larga preocupare in domeniul cercetarii schimbatorilor de ioni, in special a rasinilor schimbatoare de ioni, pentru diversificarea sortimentelor acestora, dar mai ales pentru imbunatatirea calitatii lor.
CAPITOLUL II
Notiuni despre schimbatorii de ioni
Exista substante care in anumite conditii, pot schimba anumiti ioni pe care ii poseda (Na+, K+) , cu alti ioni (Ca2+, Mg2+) apartinand altor substante. Aceste substante au fost numite schimbatori de ioni.
Dupa felul ionilor de schimb din structura lor chimica, exista:
schimbatori de cationi (cationiti)
schimbatori de anioni ( anioniti)
Schimbatorii de ioni se comporta ca polielectroliti: ca acizi, cand pun in libertate anioni OH-. Sunt alcatuiti dintr-un schelet macromolecular, insolubil, continand grupe active cu ioni mobili care pot fi usor schimbati cu ioni cu aceeasi sarcina din solutiile de electroliti. Ei pot fi reprezentati schematic prin formulele generale:
H+R-, cationit sub forma HR, sau H – cationit
R+OH- , anionit sub forma ROH, sau OH – anionit,
in care : R- este un macroanion
R+ este un macrocation
Cationii de schimb ai cationitilor pot fi si cationi ai diferitelor metale (Na, K, Ca, Mg) reprezentanti schematic prin formulele: NaR, KR, CaR2, MgR2, si pot fi obtinuti prin schimbul ionic realizat intre cationitii acizi HR si solutia apoasa a unei sari de Na,K ,Ca ,Mg.
HR + NaCl NaR + HCl
2RH + CaCl2 CaR2 + 2HCl
Anionii de schimb ai anionitilor pot fi si alti anioni in afara de OH-, anionitii respectivi fiind reprezentati schematic prin formulele generale: RCl, RCN, RHCO3, R2SO4, etc., si pot fi obtinuti prin schimbul ionic realizat intre anionitii bazici ROH si solutia unui acid:
ROH + HCl RCl + H2O
2ROH + H2SO4 R2SO4 + 2H2O
In prezenta aceleiasi cantitati de schimbatori, schimbul ionic se repeta ciclic (schimb ionic propriu- zis – regenerarea schimbatorului), pana la degradarea schimbatorilui, dupa sute sau mii de cicluri. Schimbatorii de ioni se prezinta sub forma de granule neregulate sau sub forma de granule sferice ale caror dimensiuni variaza, in mod obisnuit intre 0,3 – 0,5 mm.
Pentru realizarea unui schimb ionic, cat mai complet posibil, este necesar ca solutia de electrolit (afluentul) sa traverseze masa de granule a schimbatorilor de ioni, atata timp si in asa fel, incat fiecare strat de granule scaldat in solutia de electrolit sa realizeze schimbul ionic in sensul dorit, pana la atingerea echilibrului reactiei reversibile, practic, pana la aparitia ionului de schimb al afluentului in efluent.
Diferitele tipuri de schimbatori de ioni se deosebesc prin structura lor moleculara, prin capacitatea de schimb, prin stabilitatea termica si prin stabilitatea lor fata de agentii chimici, in general fata de cei oxidanti.
Schimbatorii de ioni pot fi grupati in doua mari categorii: schimbatori de ioni anorganici si schimbatori de ioni organici, din fiecare categorie facand parte atat substante naturale cat si sintetice.
Schimbatorii anorganici naturali sunt cei pe baza de alumino- silicati. Acesti schimbatori de ioni au o capacitate de schimb redusa. Din aceasta categorie fac parte: glauconitul, montmorillonitul, zeolitii etc. Dintre cei sintetici cei mai cunoscuti sunt permutitii.
Dintre schimbatorii de ioni organici naturali fac parte: carbunii fosili, carbunii sulfonati, celuloza de bumbac sulfoetilata sau aminata, esterii celulozei cu acizi organici, lignina etc.
Rasini sintetice schimbatoare de ioni
Schimbatorii de ioni anorganici si organici, atat cei naturali cat si cei sintetici au o capacitate de schimb redusa. Cercetarile efectuate au dus la obtinerea unor substante ( rasini sintetice) cu o capacitate de schimb si o rezistenta mecanica foarte mare. Rasinile intetice schimbatoare de ioni au fost sintetizate la inceput in 1935 si erau produse de condensare cu grupe chimic active (- OH fenolic, – COOH sau –SO3H)
Spre deosebire de permutitii anorganici, rasinile ionice pot absorbi un numar mult mai mare de cationi in concentratii foarte mici.
Viteza de absortie este functie de viteza de difuziune a ionilor in interiorul rasinii, deci functie de diametrul ionilor si de marimea grauntilor de rasinii. Rasinile ionice au o perfecta rezistenta mecanica, din cauza elasticitatii lor. Se livreaza sub forma unor granule sferice si sunt rezistente la un numar mare de solventi, indiferent de PH – ul solutiei. Capacitatea lor de schimb ramane invariabila intre limite largi de temperatura. Rasinile schimbatoare de ioni trebuie sa indeplineasca obligatoriu anumite conditii:
Sarea obtinuta prin schimbul de cationi trebuie sa ramana insolubila
Rasinile ionice trebuie sa ramana insolubile in apa si sub forma de acid sau de sare.
Rasina ionica trebuie sa fie si leofila (umectabila)
Leofolia rasinilor sintetice se datoreaza introducerii grupelor active: -OH, -COOH, -SO3H.
Rasinile schimbatoare de ioni produse macromoleculare cu grupe polare capabile sa realizeze schimbul ionic, pot fi considerate drept polielectroliti insolubili, al caror caracter ionic se datoreaza grupelor polare accesibile ionilor difuzabili din solutiile de electroliti.
Rasinile ionice sunt practic insolubile in apa, datorita structurii lor trimensionale. Gradul lor de reticulare trebuie sa permita difuzarea ionilor din solutie in masa rasinii. Pentru a inlesni aceasta difuzare, rasina trebuie sa fie suficient de hidrofila, proprietate care se manifesta prin tendinta de umflare a rasinilor la contactul mai indelungat cu apa.
Pentru a avea capacitate de schimb acceptabila, rasina trebuie sa contina un numar suficient de grupe polare; un numar prea mare insa nu este de dorit, deoarece acestea maresc tendinta de difuzare a rasinii.
Grupele polare, care confera capacitatea de schimb ionic, pot fi introduse fie in molecula monometrului, fie in macromolecula, in decursul reactiei, sau dupa reactia de dormare a acesteia.
Introducerea grupelor polare in macromolecula rasinii rezitice prezinta avantajul eliminarii fenomenului de impiedicare sferica. In acest caz, grupele polare ocupa locuri libere din macromolecula, locuri care nu impiedica fixarea lor, permitandu-le exercitarea functiei ionogene.
Prin polimerizarea sau policondensarea monomerilor cu grupe polare, in timpul formarii macromoleculelor respective se poate intampla ca unele grupe polare sa se gaseasca in anumite pozitii ale noii configuratii sferice, care, datorita fenomenului de impiedicare sferica, sa stanjeneasca functia lor ionogena.
Introducerea grupelor polare in rasina deja formata intampina insa unele dificultati, datorita compactivitatii care impiedica difuziunea reactivilor necesari, in masa rasinii. In ultimul timp insa, se constata o puternica tendinta de preparare a rasinilor ionice prin introducerea grupelor ionogene in macro- molecula deja formata.
Pentru inlesnirea difuziunii ionilor din solutiile de electroliti in masa rasinilor schimbatoare de ioni, acestea trebuie sa fie suficient de poroase si sa posede un numar suficient de grupe active, accesibile din punct de vedere spatial si suficient de hidrofile.
Hidrofilia rasinilor se manifesta prin tendinta de umflare in contact cu apa si cu solutiile de electroliti. O tendinta prea mare de umflare nu este insa de dorit din cauza solubilizarii concomitente a rasinii.
Rasinile sintetice schimbatoare de ioni se obtin prin reactii de policondensare, de polimelizare sau copolimelizare.
Exista atat rasini schimbatoare de cationi cat si rasini schimbatoare de anioni, cu ajutorul lor putandu-se indeparta cantitativ atat cationii cat si anionii electrolitilor, obtinandu-se astfel apa „ distilata la rece” fara cheltuiala de combustibil. (De altfel procedeele de schimb ionic, aplicate la epurarea apei, pana la grade diferite de puritate au devenit singurele rentabile pentru pregatirea apei in termoenergetica.)
Rasinile schimbatoare de cationi contin cationul H+slab legat de anionul slab molecular. Regenerarea lor se face cu solutiile HCl sau H2SO4. Se mai numesc rasini cationice.
Rasinile schimbatoare de anioni contin anionul OH-, slab legat, putand fi inlocuit usor cu anionul electrolitului solvit in apa. Se mai numesc rasini bazice sau anionice. Regenerarea se face cu solutii NaOH sau Na2CO3.
Atat rasinile schimbatoare de cationi cat si rasinile schimbatoare de anioni pot fi atat puternic acide sau slab acide cat si respectiv puternic bazice sau slab bazice.
Schimbatorii de tip puternic pot schimba toti ionii indiferent de taria lor, in timp ce schimbatorii de tip slab pot schimba numai ionii puternici.
O alta caracteristica a schimbatorilor puternici, cationici si anionici este aceea ca necesita un consum mai mare de reactivi de regenerare de 2 – 3 ori necesarul teoretic, in timp ce schimbatorii slabi necesita putin peste cel teoretic.
Conditionarea rasinilor ionice
Rasinile ionice livrate de fabricile producatoare contin sfaramaturi marunte solubile si reziduri solubile care trebuie indepartate. Eliminarea sfaramaturilor se realizeaza prin sitare. Pentru eliminarea substantelor solubile se introduce rasina, intr-un recipient adecvat si se spala cu apa distilata, prin amestecare, timp de 4- 5 h. Se decanteaza apa, se introduce din nou apa distilata si se lasa in repaus pana a doua zi. Se introduce apoi rasina umeda, umflata, in coloana si se percoleaza prin stratul de rasina un volum dublu de acid clorhidric 2N, sau de acid sulfuric 1N. Se elimina acidul rezidual, trecand prin coloana 5 – 7 volume de apa distilata, in timp de 1/2h, si apoi doua volume de NaOH 1,5N si se elimina solutia alcalina reziduala prin spalare cu 6 – 7 volume de apa distilata. Se obtine astfel rasina cationica sub forma de NaR. Trecerea rasinilor cu polaritate fosforica in forma NaR se realizeaza prin tratarea lor cu solutia 1,5N de NaOH, la temperatura de 50 – 60, pentru eliminarea concomitenta a polimerilor solubili. Rasinile ionice astfel conditionate trebuie utilizate imediat. In cazul cand necesita o depozitare masa in repaus pana a doua zi. Se introduce apoi rasina umeda, umflata, in coloana si se percoleaza prin stratul de rasina un volum dublu de acid clorhidric 2N, sau de acid sulfuric 1N. Se elimina acidul rezidual, trecand prin coloana 5 – 7 volume de apa distilata, in timp de 1/2h, si apoi doua volume de NaOH 1,5N si se elimina solutia alcalina reziduala prin spalare cu 6 – 7 volume de apa distilata. Se obtine astfel rasina cationica sub forma de NaR. Trecerea rasinilor cu polaritate fosforica in forma NaR se realizeaza prin tratarea lor cu solutia 1,5N de NaOH, la temperatura de 50 – 60, pentru eliminarea concomitenta a polimerilor solubili. Rasinile ionice astfel conditionate trebuie utilizate imediat. In cazul cand necesita o depozitare mai indelungata, rasinile trebuie mentinute continuu in stare umeda, si de aceea li se adauga din cand in cand, apa distilata; rasinile uscate se fisureaza usor si se sfarama in particule marunte neutilizabile.
Pentru conditionarea rasinilor anionice se procedeaza in mod analog, cu deosebirea ca in locul solutiilor de acizi, pentru regenerare, se utilizeaza solutia de NaOH 4% pentru obtinerea rasinilor in forma ROH; in general, rasinile anionice se livreaza sub forma RCl.
Pentru trecerea rasinii anionice in formele RSO4, RSO3, RCN, etc., se spala stratul de rasina din coloana cu solutii de 3 – 5 % ale acizilor respectivi.
CAPITOLUL III
NOTIUNI DESPRE SCHIMBUL IONIC
Fenomenul de schimb al ionilor, dintre o substanta insolubila scaldata de solutia unui electrolit a fost observat inca de multa vreme de catre geologi si agronomi. Pentru prima oara, procesele de schimb ionic au fost observate in anul 1833 de catre Fuchs, care a constatat schimbul ionilor sodiu si potasiu din soluri cu ioni de Ca si Mg. In 1852 J. Way a constatat ca la contactul solului cu diverse solutii de saruri, metalele alcaline, alcalino – pamantoase din sol trec in solutie printr-un proces de schimb cu cationii din solutiile respective si a stabilit, ca acest schimb are loc in proportii echivalente ca si in procesele chimice. Mecanismul schimbului ionic se explica prin faptul ca schimbatorul de ioni este alcatuit dintr-un anion macromolecular insolubil si un cation slab legat, care poate fi usor inlocuit de un alt cation mai electropozitiv.
Procesele de schimb ionic fac parte din categoria reactiilor de dublu schimb care au loc in sisteme eterogene solid – lichid (schimbatorul de ioni – soluti unui electrolit) sau in sisteme omogene lichid – lichid, in cazul lichidelor schimbatoare de ioni.
Ceea ce deosebeste procesele de schimb ionic, realizate cu ajutorul schimbatorilor de ioni, de reactiile generale de dublu schimb, este faptul ca schimbatorii de ioni raman insolubili, atat in forma lor de dinaintea procesului de schimb, cat si in forma pe care o capata dupa efectuarea schimbului ionic. Reactiile de schimb ionic in prezenta schimbatorilor solizi sunt reactii in medii eterogene, care se desfasoara la interfata solid – lichid, intre suprafata schimbatorului de ioni si solutia electrolitului care il inconjoara.
Datorita structurii poroase a schimbatorilor de ioni, suprafata de contact solid – lichid este foarte mare si cu atat mai mare cu cat granulele de schimbator sunt mai mici si gradul de reticulare al macromoleculei respective este mai mare. Procesul schimbului ionic se realizeaza in doua stadii succesive: absortia ionilor hidratati din solutia de electrolit, la suprafata schimbatorului si reactia de schimb ionic, pana la stabilirea echilibrului de schimb. In primul stadiu al procesului, ionii hidratati din solutie se indreapta catre suprafata schimbatorului de ioni datorita fortelor polare ale acestuia. Aici are loc concentratia ionilor absorbiti pe o portiune mica de suprafata, datorita carui fapt se creeaza o presiune interfaciala care poate fi evaluata la cateva kgf/cm2. In stadiul urmator, in interiorul peliculei de lichid formata din cateva straturi de molecule, in care se exercita presiunea interfaciala, are loc reactia de schimb ionic.
Datorita acestei presiuni, reactiile de schimb ionic decurg conform principiului lui Le Chatelier, cu deplasarea echilibrului spre formarea preferentiala a produsului mai dens, sau spre reactia cu contractie de volum.
Reactiile de schimb ionic care se desfasoara in filmul lichid de la interfata solid – lichid este inca nelamurita din punct de vedere teoretic, dar se poate explica prin:
teoria retelei cristaline
teoria stratului dublu electric
teoria echilibrului de membrana a lui Ponnan
legea actiunii maselor
1.Umflarea rasinilor schimbatoare de ioni
In cazul schimbatorilor de ioni, trebuie sa se tina seama de faptul ca, coeficientul de repertitie depinde in mare masura de vitezele de difuziune ale ionilor in lichidul care inconjoara schimbatorul si in lichidul din interiorul granulelor schimbatorului. Raportul acestor doua viteze de difuziune influenteaza concentratiile ionice in cele doua faze si caracterizeaza activitatea schimbatorului. Prin aplicarea metodei de analiza termodinamica s-a evidentiat necesitatea considerarii variatiei volumului schimbatorului de ionica un factor esential, care influenteaza cantitativ procesul de schimb ionic. S-a precizat astfel ca expresia energiei libere a unui proces de schimb ionic include marimea p(VB – VA ), in care p reprezinta presiunea de umflare a rasinii in solutia electrolitului, iar VA si VB volumele specifice ale ionilor A si B ce se schimba. Valoarea factorului p se deduce din diferenta presiunii osmotice a solutiei din interiorul si exteriorul rasinii, iar diferenta VA – VB se deduce direct. In acest caz schimbul ionic se desfasoara in conformitate cu relatia termodinamica:
1.
In care:
P – presiunea de umflare a rasinii
aA, aB – activitatea termodinamica a ionilor A si B
VA , VB – volumul specifia al ionilor A si B
S – indice pentru faza solida
l – indice pentru faza lichida
Umflarea rasinilor favorizeaza difuziunea ionilor in interiorul granulelor si determina conditiile termodinamice ale schimbului ionic.
Rasinile ionice pot retine apa si prin absortie superficiala sau prin capilaritate, apa retinuta in acest fel nu contribuie insa la fenomenul propriu-zis de umflare a rasinii.
Apa care provoaca umflarea rasinii hidrateaza grupele hidrofile (- COOH, – SO3H, – NH2, etc) din macramoleculele rasinii. Umflarea rasinii depinde de presiunea osmotica si este limitata de modulul de elasticitate m al rasinii.
Presiunea de umflare la rasinile schimbatoare de ioni atinge valori foarte mari; pentru rasina polistiren – sulfonica reticulata cu 12 % divinil – benzen, in cazul schimbului cationic Li+ K+, aceasta presiune atinge 250 atm.
Daca V0 este volumul rasinii uscate, volumul rasinii umflate V este dat de relatia: V = V0 + m 2.
Daca p0 este tensiunea de vapori a lichidului in exteriorul rasinii si pu aceea a lichidului in rasina umflata, atunci:
3.
Admitand ca p0 = 1, se poate deduce ca:
4.
n = numarul ionilor din rasina umflata
Vu = volumul ionilor din rasina umflata
Din relatia 2. se deduce ca presiunea osmotica este proportionala cu numarul n al ionilor in rasina umflata, adica cu cantitatea de ioni care se schimba, respectiv cu capacitatea de schimb a rasinii, schimbul ionic are loc dupa cum s-a mai aratat, in pelicula de lichid de la interfata solid – lichid, adica in lichidul care provoaca umflarea rasinii 3.
Din studiul procesului de umflare al rasinilor schimbatoare de ioni s-a precizat ca faza interioara a unui ionit umflat se comporta la fel ca solutiile concentrate ale electrolitiilor complet disociati. Gradul de umflare influenteaza deci, in mare masura, capacitatea si selectivitatea de schimb a rasinilor ionice.
2.Selectivitatea schimbului ionic
Procesele de schimb ionic efectuate cu solutii cu mai multi ioni A, B, C …in prezenta unui schimbator avand un singur ion de schimb X, decurg in mod diferit, in functie de capacitatea schimbatorului de a retine de preferinta pe unul din ionii A, B, C… fata de ceilalti ioni din solutie.
Coeficientul de selectivitate al rasinii ionice pentru un ion A din solutia de electrolit se poate exprima prin potentialul de schimb al ionului respectiv, in procesul de schimb al ionului B al rasinii; unii autori il denumesc coeficient de afinitate relativa a rasinii fata de doi ioni diferiti.
Gregor H. P. afirma ca in general fenomenul de afinitate relativa este in general, diferenta dintre marimea ionului, hidratat si nehidratat, si presiunea osmotica din interiorul rasinii.
Pe acest considerent, Gregor stabileste relatia dintre coeficientul de afanare relativa KAB al rasinii fata de ionii A si B, in functie de presiunea osmotica din interiorul rasinii si volumele VA, VB ale ionilor hidratati.
Selectivitatea rasinilor ionice pentru anumiti ioni cu diferite potentiale de schimb poate fi folosita la separarea si recuperarea lor cantitativa din solutiile respective.
Folosind o coloana suficient de inalta, incarcata cu un schimbator de ioni, acesta retine dintr-o solutie in care se afla doi ioni diferiti A si B cu coeficienti de schimb diferiti, mai intai ionul A cu coeficientul de schimb mai mare in portiunea superioara a coloanei, inainte de atingerea coeficientului de schimb. Ionul B cu coeficientul de schimb mai mic va fi retinut in portiunea inferioara a coloanei. In general, selectivitatea rasinilor cationice, pentru cationii metalelor alcaline si alcalino- pamantoase, se manifesta descrescand in ordinea cresterii masei atomice:
Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < C+3
Mg2+< Ca2+ < S2+ < Ba2+
Separarea ionilor dupa selectivitateeste influentata, practic, de raportul intre inaltimea coloanei si diametrul ei si de granulatia schimbatorului. In cazul coloanelor cu diametru mic folosite in laborator, se aleg schimbatori cu granulatia mai fina ; pentru coloanele industriale se folosesc schimbatori cu granulatia de 0,3 – 0,5 mm, cu eliminarea granulelor fine, prin spalare prealabila. Regularitatea formei si uniformitatea dimensiunilor granulelor prezinta de asemenea o mare importanta pentru viteza de difuziune a solutiei de electrolit in interiorul granulelor si pentru raportul dintre volumul interstitial (volumul golurilor dintre granule ) si volumul stratului de schimbator. La incarcarea cea mai compacta cu granule sferice, volumul interstitial reprezinta 25,94 % din volumul total al stratului de schimbator.
3. Cinetica schimbului ionic
Viteza de schimb a ionilor, in procesul de schimb care se desfasoara intre o rasina ionica si solutia de electrolit, depinde de desfasurarea procesului de difuziune a ionilor care se schimba din solutie in rasina si invers.
O teorie originala presupune ca difuziunea ionilor produce un gradient de potential electric, influentand astfel coeficientul de difuziune si viteza de schimb ionic. Pentru verificarea acestei teorii s-au masurat vitezele de schimb si variatia concentratiei ionilor din interiorul rasinii.
Rezultatele experimentale, bazate pe valorile coeficientilor de difuziune, determinati prin masuratori de conductibilitate, concorda cu previziunile teoretice. S-au confirmat, in special, previziunile privitoare la diferentele caracteristice dintre vitezele si concentratiile ionilor la schimbul direct si invers a doi ioni cu mobilitati diferite.
S-a evidentiat astfel importanta gradientului de potential, care, pe langa efectele mentionate, produce apreciabile variatii ale concentratiei ionice si de dizolvant, in rasina, in decursul desfasurarii schimbului ionic.
Cinetica schimbului ionic este influentata de felul ionilor de schimb, de structura schimbatorului, de natura grupelor polare si de gradul de reticulare.
In cazul schimbului cu ioni organici, viteza de schimb depinde in cea mai mare masura de structura schimbatorului. Viteza de schimb creste cu timpul, datorita difuziunii cationilor electrolitului in interiorul grauntilor (la permutitii). Viteza de schimb creste, deci, in raport direct cu finetea grauntilor.
Temperatura si concentratia solutiei de electrolit maresc de asemenea viteza de schimb.
In cazul rasinilor ionice, ale caror grupe schimbatoare de ioni sunt dispersate mai putin ordonat, viteza de schimb depinde de vitezele de difuziune, a ionilor in pelicula de lichid inconjurator si in interiorul rasinii, in conformitate cu legile difuziunii. In cazul solutiilor cu concentratii ale ionilor sub 0,003m, viteza de schimb depinde de viteza de difuziune a ionilor prin pelicula de lichid, care inconjoara granula de schimbator, iar la concentratii mai mari, de viteza de difuziune a ionilor in interiorul granulei.
Viteza de difuziune a ionilor in interiorul rasininii este, in general, mult mai mica decat viteza de difuziune in solutii. In cazul rasinilor sulfonice, coeficientul de difuziune in interiorul rasinii este de 5 – 10 ori mai mic decat coeficientul de difuziune in solutii. Viteze mari de difuziune se realizeaza cu solutii foarte diluate.
Viteza de schimb depinde si de natura grupelor ionogene din structura rasinii. In prezenta grupelor sulfonice, fie sub forma SO3H, fie sub forma SO3Me, schimbul cationic decurge cu viteze foarte mari, rasinile respective actionand la fel ca electrolitii puternici, energia de activare fiind de 4 – 5 kcal/mol.
In cazul rasinilor carboxilice, viteza schimbului cationic variaza in limite largi, in functie de perechile de cationi care se schimba. In prezenta rasinilor sub forma HCOOR echilibrul reactiei de schimb se poate atinge uneori dupa cateva zile, datorita faptului ca rasina se comporta ca un electrolit slab.
Viteza de schimb este franata in acest caz si de o concentratie a ionilor H+ din solutie, care creste in decursul reactiei de schimb:
HCOOR + Me+ = MeCOOR + H+
favorizand reactia inversa (de la dreapta spre stanga), de regenerare a rasinii. Reactia de schimb in prezenta rasinilor sub forma MeCOOR ajunge la echilibru in cateva minute, datorita faptului ca, sub aceasta forma, rasina se comporta ca un electrolit tare:
MeCOOR + Me1+ = Me1COOR + Me+
Rasinile cu grupe active –OH fenolic se comporta ca electroliti slabi, din care cauza schimbul cationic in prezenta lor decurge cu o viteza foarte mica. Viteza de schimb creste cu temperatura; pentru scurtarea timpului necesar atingerii echilibrului reactiei de schimb, cu rasinile slab acide se lucreaza in general la temperaturi mai inalte.
Difuziunea ionilor din solutie spre grupele de schimb ionic din interiorul granulelor este inlesnita, in acest caz, de micsorarea vascozitatii solutiei. Rezistenta termica redusa a rasinilor nu permite insa, in general, efectuarea reactiilor de schimb cationic decat la temperaturi care nu trebuie sa depaseasca 100. Unele rasini cationice realizeaza insa schimbul ionic pana la 150 , fara sa se deterioreze.
In prezenta rasinilor anionice viteza de schimb depinde de bazicitatea rasinii, de taria acidului din solutie si de PH – ul solutiei. Acizii organici si cei anorganici slab disociati (carbonic, silicilic) pot fi retinuti din solutiile lor apoase numai de rasinile anionice puternic bazice ( cu grupe cuaternare de amoniu); in acest caz viteza schimbului anionic nu variaza sensibil de constanta de ionizare a acidului; acizii clorhidric si acetic manifesta viteze similare de schimb, cu toate ca constantele respective de ionizare sunt diferite.
4. Fazele procesului de schimb ionic
Procesul discontinuu de schimb ionic in coloana se realizeaza in 5 faze succesive: absorbtia ionilor din efluent, elutia ionilor absorbiti, spalarea rasinii pentru eliminarea eluentului retinut in spatiile interstitiale, regenerarea rasinii si spalarea rasinii regenerate. In numeroase cazuri, procesul decurge in 4 faze: absorbtia, elutia, regenerarea si spalarea.
Pentru continuitatea procesului se utilizeaza instalatii cu doua coloane lucrand in paralel: cand o coloana efectueaza absorbtia si apoi elutia ionilor, cealalta efectueaza spalarea si regenerarea rasinii. In instalatiile cu 4 coloane, fiecare coloana realizeaza una din cele 4 faze ale procesului: realizarea simultana a celor trei faze se efectueaza separat in celelalte coloane. Instalatia cu 4 coloane lucreaza in mod efecient daca durata fazelor succesive este aproximativ aceeasi, in caz contrar se produc discontinuitati in desfasurarea procesului:
a) Absorbtia ionilor din solutiile de electroliti
Pentru retinerea cantitativa a ionilor dintr-un volum dat de solutie de electrolit, de o anumita concentratie, este necesara o cantitate de rasina mai mare decat cea calculata. In cazul folosirii rasinii sub forma HR, in efluent se recupereaza acidul sarii din efluent, care, prin modificarea valorii PH-ului solutiei, influenteaza capacitatea de schimb a cationilor slab acizi, datorita unui proces de autoregenerare concomitenta a rasinii.
Operatia de retinere a ionilor din solutia care traverseaza masa de cationit se efectueaza pana la aparitia in efluent a ionilor care nu mai pot fi retinuti de rasina. In acel moment, rasina se considera practic saturata cu ionii retinuti din solutie; se intrerupe fluxul solutiei si se procedeaza la spalarea si apoi la regenerarea rasinii.
b) Regenerarea rasinilor
Regenerarea rasinilor saturare cu ioni retinuti din efluent este operatia de reducere a acestuia la forma sa initiala (HR, NaR, ROH,RCl etc.) si se realizeaza trecand prin coloana de rasina cationica epuizata o solutie de 2 – 4% de HCl, respectiv NaCl, si o solutie de 2 – 4% NaOH, respectiv HCl, prin coloana cu rasina anionica epuizata.
Dupa regenerare, inainte de inceperea unui nou ciclu de schimb ionic, umplutura de rasina din coloana se spala cu apa distilata sau demineralizata, pentru eliminarea urmelor de solutie folosita la regenerare.
CAPITOLUL IV
ANALIZA SCHIMBATORILOR DE IONI
A. Determinarea caracteristicilor fizice
Pentru caracterizarea tehnica a schimbatorilor de ioni, in scopul utilizarii lor eficiente in procesele de schimb ionic, este necesar sa li se determine principalele caracteristici mecanice, fizice si chimice. Datele obtinute experimental pot fi folosite atat la intocmirea schemei tehnologice, cat si pentru proiectarea instalatiei in care se va folosii schimbatorul respectiv.
Caracteristica mecanica importanta a schimbatorilor de ioni este rezistenta la compresiune, care, in general, satisface conditiile impuse de tehnica actuala a schimbului ionic.
Dintre caracteristicile fizice intereseaza greutatea specifica, densitatea aparenta, volumul interstitial si conductivitatea electrica.
Caracteristicile tehnice importante ale schimbatorilor de ioni, care depind de structura lor chimica si fizica, sunt capacitatea de schimb si selectivitatea.
Determinarea densitatii aparente
Determinarea densitatii aparente se face utilizand schimbatorul de ioni uscat in prealabil pana la greutate constanta. Se introduce intr-un cilindru gradat o cantitate G de schimbator, cantarita exact, astfel incat inaltimea coloanei de schimbator sa fie de 5-6 ori mai mare decat diametrul interior al cilindrului. Se traseaza continutul cilindrului si se citeste volumul V al schimbatorului.
Densitatea aparenta a este valoarea raportului intre greutatea G a schimbatorului ( in g) si volumul sau tasat V (cm3).
Determinarea volumului interstitial si de umflare
Volumul interstitial si volumul de umflare se determina introducand intr-un cilindru gradat, plin pana la jumatate cu apa, o cantitate cantarita de schimbator. Se taseaza lovind incet peretii cilindrului cu o bagheta de lemn, se adauga apoi apa distilata pana se acopera cu lichid intregul strat de schimbator de ioni, notandu-se intreaga cantitate de apa introdusa in cilindru. Se lasa peste noapte si se decanteaza cu grija apa de deasupra stratului de schimbator. Diferenta dintre volumul apei turnate in cilindru si volumul apei decantate a doua zi, reprezinta volumul interstitial al schimbatorului plus volumul sau de umflare. Se scoate cantitativ, schimbatorul din cilindrul gradat si se usuca, asezand granulele intr-un strat subtire pe o hartie de filtru; pierderea de greutate (g), a schimbatorului uscat in acest fel, reprezinta volumul sau interstitial (cm3). Prin diferenta se determina volumul de umflare.
Pentru o buna comportare a ionitului este necesar ca volumul rasinii in stare umflata sa nu depaseasca cu mai mult de 30 % volumul sau initial, in stare uscata.
Determinarea gradului de umflare se face lasand rasina sa stea 24h intr-un volum mare de apa, ca in cazul determinarii volumului interstitial.
Determinarea coeficientului de schimb
Coeficientul de schimb al unei rasini pentru un ion dat se determina astfel: se cantaresc exact 4 probe de rasina uscata, care se introduc in fiolele (1, 2, 3 si 4 ) cu dop rodat si se lasa in exces de apa timp de 24h. Se adauga apoi, in fiecare fiola, acelasi volum din solutia titrata a unui electrolit, care contine ionul ce intereseaza, in cantitate echivalenta cu capacitatea de schimb a rasinii si se lasa in repaus pentru atingerea echilibrului reactiei de schimb. Pentru evitarea efectelor produse de variatia umflarii rasinii, care are loc la schimbul ionilor cu valente diferite, se utilizeaza solutii care contin ioni cu aceeasi valenta ca si a ionului mobil al rasinii. Se dozeaza ionul din fiola 1; dupa 5 min. se dozeaza ionul ramas in solutia din fiola 2. dupa 15 min. ionul ramas in solutia din fiola 3 si dupa 60 min. ionul din fiola 4. Echilibrul reactiei de schimb se considera atins dupa cantitatile dozate in probele 3 si 4 sunt foarte apropriate; pentru control se dozeaza din nou ionul ramas in solutia din fiola 1. Raportul dintre cantitatea de ioni ramasi din solutie la echilibru si cantitatea de ioni din solutia initiala, exprimate in miliechivalenti, reprezinta coeficientul de schimb a.
Valoarea expresiei reprezinta coeficientul de repartitie.
B. Determinarea capacitatii de schimb a cationitilor
Capacitatea de schimb ionic reprezinta cantitatea de ioni de schimb, exprimata in miliechivalenti, continuti in unitatea de greutate sau in unitatea de volum aparent al unui schimbator de ioni. Pentru determinarea capacitatii de schimb a unui cationit se foloseste, de obicei, reactia de schimb dintre cationul mobil al schimbatorului si cationul Ca2+ din solutia unei stari de calciu. In general capacitatea de schimb a cationilor este in functie de greutatea atomica a acestuia. Capacitatea de schimb ionic creste cu concentratia sarurilor in solutie. Impuritatile din apa, in special suspensiile organice, diminueaza capacitatea de schimb.
Determinarea capacitatii statice
Capacitatea de schimb cationic poate fi determinata rapid prin dozarea cationilor Ca2+ neretinuti de cationit. In acest caz, cantitatea ionilor neretinuti rezulta din diferenta dintre cantitatea ionilor aflati in afluent si aceea a ionilor din efluent, neglijandu-se cationii din solutia retinuta in spatiile dintre granulele schimbatorului.
Determinarea capacitatii dinamice
Determinarea in ciclul hidrogen se face astfel: se trece o solutie de NaCl2 3,5 +- 0,1 mval/l, printr-o coloana in curent descendent, cu un debit de 1+- 0,1 l/cm2-h si se colecteaza efluentul in fractiuni de 250 ml, la care se determina aciditatea prin filtrare cu NaOH 0,1N, in prezenta metiloranjului si concentratia ionilor de Ca2+ prin titrare cu oleat de potasiu. Cand concentratia calciului in efluent depaseste 0,05 mval/l, sau aciditatea scade sub 0,05 mval/l se atinge punctul final al determinarii. Capacitatea de schimb dinamica Q este data de ecuatia:
(mval/ml)
V1 = cantitatea de afluent trecuta pana la punctul final (l)
V = volumul probei de cationit imbibat (ml)
N = concentratia solutiei de CaCl2 in mval/l
Rezultatul se calculeaza ca medie aritmetica a doua determinari succesive a caror diferenta sa fie maximum 5%, lucrand cu un consum identic de reactivi de regenerare.
Consumul specific real de H2SO4 100% necesar regenerarii se calculeaza din datele experimentale, cu ajutorul relatiei:
(g/val)
C = concentratia solutiei de regenerare (g/l)
V = cantitatea de afluent trecuta pana la punctul final (ml)
W = cantitatea de solutie de acid necesara regenerarii (ml)
N = concentratia solutiei initiale de CaCl2, (mval/l)
K = 147 g H2SO4 /val +- 10%
Capacitatea de schimb se calculeaza cu formula:
(mval/ml)
Q’ = capacitatea de schimb pentru consumul specific de H2SO4 : K1< 147
Q’’ = capacitatea de schimb pentru consumul specific de H2SO4 : K1>147
Pentru calcule industriale, capacitatea de schimb se exprima in echivalenti gram pe kg schimbator de ioni.
Pentru instalatiile de dedurizare si de mineralizare a apelor, capacitatea de schimb se exprima adesea in grad l/l de schimbator, sau pe kg de schimbator, stiind ca masa moleculara a carbonatului de Ca este 100, un echivalent – gram va fi 100/2 = 50.Prin definitie 1 grad (francez) reprezinta 0,01 g CaCO3; 50 g CaCO3 respectiv un echivalent gram, corespund la 5000 grad l/l. Aceasta se refera la capacitatea de schimb a unui cationit in raport cu cationii Ca2+ corespunzand la CaCO3, respectiv Ca(HCO3)2, din solutia care reactioneaza cu cationitul.
Capacitatea de schimb mai poate fi exprimata in grad l, luandu-se ca baza CaO (grade germane) a carui masa moleculara este 56. Deci 1 grad l francez corespunde la 0,56 grade l german, iar 1 grad l german corespunde la 1,780 grade l francez. In mod curent, capacitatea de schimb este exprimata in echivalenti gram pe litru, sau in echivalenti gram pe kg. Corespondenta este urmatoarea:
1 val/l = 5000 grad l/l francez = 2800 grad l/l german = 50000 ppm
C. Determinarea capacitatii de schimb a anionitilor
Pentru determinarea capacitatii de schimb a unui anionit se procedeaza la fel ca in cazul anionitilor.
Se satureaza coloana de schimbator cu anioni Cl- sau SO42-, utilizand ca afluent solutii 3% de HCl sau H2SO4, acidul neretinut de rasina se spala cu apa distilata.Anionii retinuti de rasina sunt eluati (spaland coloana cu o solutie 6% de Na2CO3) si dozati in efluent, cu o solutie titrata de AgNaO3 pentru ionul Cl-, respectiv cu BaCl2 pentru ionul SO42-.
Determinarea capacitatii statice
Se cantaresc cu precizie de +- 0,01g, 5 g anionit si se introduc intr-o palnie de separare care are la partea inferioara vata de sticla pentru retinerea granulelor de rasina. Se trateaza apoi cu 1 l HCl 1n, si se spala cu alcool pana cand eventual devine neutru la metiloranj.
Proba astfel preparata se trateaza intr-un pahar cu 1l solutie de NH3 1%. Dupa 30 min se ia o proba alicota de 100 ml si se titreaza cu solutie de AgNO3 0,1n in prezenta solutiei de K2CrO4 ca indicator.
Capacitatea de schimb statica se determina cu relatia: (mval/g)
a = ml solutie de AgNO3 0,1n folosita la titrare
t = factorul solutiei AgNO3 0,1N
G = cantitatea de anionit luat in lucru (g)
2.Determinarea capacitatii dinamice
Se introduce proba in coloana de schimb ionic si se neutralizeaza excesul de acid eventual din produs, cu una din solutiile de NaOH 4%, de NH3 5%, de NaHCO3 10% sau de Na2CO3 10 %; timpul de contact este de 24 h.
Se satureaza apoi rasina cu HCl 4% . Eluarea anionului Cl- se face cu solutie NaHCO3 4 +- 0,2% cu un debit de 0,4 +- 0,1/cm2h;norma de consum specific de NaHCO3 100% este 168 g/val (dublul valorii teoretice). Spalarea se face cu apa distilata pana cand alcalinitatea efluentului scade sub 0,2 mval/l. Formele de calcul raman aceleasi ca la cationiti.
D. Determinarea stabilitatii chimice a schimbatorilor de ioni
Se utilizeaza efluentul obtinut la ciclul schimbului H+ cu ioni Ca2+ pentru cationiti, respectiv al schimbului cu SO42- pentru anioniti. Se ia o proba de 100 ml care se introduce intr-un balon conic de 250 ml.
Se adauga 10 ml H2SO4 diluat (1:4) si 20 ml KMnO4 0,01n.
Continutul balonului se fierbe 15 minute. Daca solutia devine incolora se mai adauga inca 10 –15 ml KMnO4 0,01n.
Apoi se fierbe inca 10 minute si se adauga 10 – 15 ml acid oxalic 0,01n (pana la disparitia completa a precipitatului de MnO4). Excesul de acid oxalic se trateaza cu solutia de KMnO4 0,01 pana la coloratie roz.
Oxidabilitatea filtratului se calculeaza cu formula:
X2 = (a – a1) 10 x 0,08 = 0,8 (a – a1) [mg O2/l]
a = cantitatea totala de solutie KMnO4 0,01n consumata (ml)
a1 = cantitatea de solutie (COOH)2 0,01 consumata (ml)
1 ml solutie KMnO4 0,01n corespunde la 0,08 mg O2.
In mod analog se determina oxidabilitatea X1 a apei distilate:
X1 = X2 – X1 [mg O2/l]
E. Relatiile uzuale si transformarile utilizate in practica schimbatorilor de ioni
1°d = 10 mg CaO/l = 0,357 mval/l; 1 mval CaO/l = 28 mg CaO/l = 2,8 °d
1 grad de duritate (STAS) °d ………………… 10 mg CaO/l
1 grad de duritate german °G ………………… 10 mg CaO/l
1 grad de duritate francez °F …………………. 10 mg CaCO3/l
1 grad de duritate englez °E ………………….. 14,29 mg CaCO3/l
1 grad de duritate american °A ……………….. 1 mg CaCo3/l
1 mval = 2,8 °d = 2,8 °G = 5 °F = 3,5 °E = 50 °A
1 grad de deritate (STAS) = 0,357 mval/l = 3,57 · 10-4 mval/ml
1 mval/ml = 28 g CaCO/l = 28—t grad/m3
1 tona grad/m3 = 3,57 · 10-4 mval/ml
1 libre (pound) x 453,59 = grame
gallon (USA) x 3,785 = litri
cubic fert (USA) x 28,32 = litri
square fert (USA) x 929,03 = cm2
libre/cubic foot x 0,016 = g/cm3
libre NaCl/cubic foot x 0,274 = gram echiv/l
libre HCl/cubic foot x 0,439 = gram echiv/l
libre H2SO4/cubic foot x 0,327 = gram echiv/l
kilograins (kgrs) CaCo3/cubic foot x 0,0458 = gram echiv/l
gallons/cubic foot/minut x 0,1336 = cm3/cm3/minut
gallons/square foot/minut x 4,074 = cm3/cm2/minut
CAPITOLUL V
Tratatea apelor cu schimbatori de ioni
Schimbatorii de ioni, datorita proprietatiilor lor speciale, au diferite aplicatii industriale si sunt folositi pentru rezolvarea unor probleme speciale de mare importanta stiintifica si tehnica. Introducerea schimbatorilor de ioni in tehnica de laborator si in industrie constituie in prezent un criteriu de promovare a tehnicii celei mai avansate.
Dedurizarea si demineralizarea apelor tehnologice si de alimentare a generatorilor de vapori este un domeniu in care schimbatorii de ioni si-au gasit o larga utilizare, permitand obtinerea unor ape fie complet lipsite de cationii Ca2+ si Mg2+, care confera duritate, fie lipsite complet de cationi si anioni, adica ape demineralizate.
Procedeele chimice folosite in trecut, pe langa faptul ca realizau o apa incomplet dedurizata sau demineralizata, erau greoaie si costisitoare, din care cauza in prezent sunt abandonate.
Dedurizarea apelor
Dedurizarea reprezinta una din operatiile de baza din tratatea apei pentru cazane si consta in eliminarea din apa a duritatii, respectiv a ionilor de calciu si magneziu, din apa tratata cu reactivi specifici, prin diferite procedee.
Duritatea temporara (Dt) a apei o dau bicarbonatii de calciu si de magneziu se descompun si se separa din apa sub forma de carbonati. Carbonatul de calciu, practic insolubil in apa, se separa sub forma de namol si se depune pe peretii recipientului formand cu timpul o crusta aderenta; carbonatul de magneziu, mai solubil, se separa partial.
Prin hidroliza, carbonatul de magneziu dizolvat, trece in Mg(OH)2, care se separa din apa, fiind insolubil.
Continutul de cloruri si de sulfati de Ca si Mg formeaza duritatea permanenta (Dp) a apei; sarurile respective se separa din apa, se depun ca namol si se formeaza cruste, numai dupa o fierbere mai indelungata a apei, pana la formarea respectivelor solutii saturate. Duritatea temporara si duritatea permanenta alcatuiesc impreuna duritatea totala.(Dt).
Dt + Dp = DT
Pentru inlaturarea duritatii se folosesc reactivii ca de exemplu: varul (hidroxidul ce calciu), soda calcinata (carbonatul de sodiu Na2CO3) soda caustica (hidroxidul de sodiu NaOH) si fosfatul trisodic (Na3PO4).
Inlaturarea duritatii apei se poate face mult mai economic folosind schimbatorii de ioni. Se pot folosi rasini cationice in forma R-H sau R-Na.
In cazul cand cationitul folosit este cel sub forma R-Na, principiul metodei consta in schimbarea ionilor de Ca si Mg, care constituie duritatea apei, cu ioni de sodiu. In acest fel, toate sarurile de Ca si Mg se transforma in saruri de sodiu, care nu mai dau nastere la diferite depuneri:
Reactia care are loc este urmatoarea:
2R-Na+ + Ca2+(Mg2+) R2Ca2+(Mg2+)+2Na+
Operatia se desfasoara intr-un filtru si este reprezentata schematic in figura de mai jos:
Apa bruta intra pe partea superioara si parcurge stratul de cationit de sus in jos.
Ionii duritatii Ca si Mg sunt retinuti de cationit si in apa trec ionii de Na. Cand toate grupele cationitului au fost saturate cu ionii de Ca si Mg, in efluent apar primele urme de duritate, filtrul, considerandu-se in acest moment epuizat, este scos din functiune. Pentru a readuce filtrul la starea initiala, se procedeaza astfel:
faza de afanare: se introduce apa bruta de jos in sus, cu o viteza de 5 – 10 m/h, timp de 20 – 30 min, pentru a se asigura o detesare a stratului de cationit de 50 – 100%;
faza de regenerare: se introduce pe la partea superioara o solutie de 10% sare in apa bruta ( saramura); prin aceasta operatie ionii de Ca si Mg, retinuti de cationit, sunt inlocuiti cu ionii de Na din solutia de sare:
R2 – Ca2+(Mg2+) + 2 Na Cl 2R – Na+ + CaCl2 (MgCl2)
In acest fel, cationitul este readus la starea initiala, fiind saturat cu sodiu.
-faza de spalare: se introduce apa bruta pe la partea superioara in scopul de a indeparta excesul de sare si clorura de calciu si magneziu, rezultate din operatia de regenerare. Spalarea continua pana cand in efluent reapare o apa lipsita de duritate, din acel moment filtrul este gata pentru repunerea in functiune.
Pentru a se asigura continuitatea furnizarii de apa dedurizata, se monteaza doua filtre in paralel, astfel ca in permanenta un filtru este in functiune iar celalalt in regenerare – rezerva.
Daca se foloseste o rasina schimbatoare de tipul H-R dedurizarea se desfasoara in doua trepte.
eliminarea duritatii temporare:
2HR + Ca(HCO3)2 = CaR2 + 2H2CO3
2HR + Mg(HCO3)2 = MgR2 + 2H2CO3
Apa fara duritate temporara contine CO2 liber, care, datorita absentei bicarbonatilor, se comporta ca CO2 agresiv si trebuie sa fie eliminat.
eliminarea duritatii permanente:
2HR + CaSO4 = CaR2 + H2SO4
2HR + CaCl2 = CaR2 + 2HCl
2HR + MgSO4 = MgR2 + H2SO4
2HR + MgCl2 = MgR2 + 2HCl
Apa dedurizata contine acizii sarurilor din apa bruta, a caror cantitate depinde de duritatea permanenta. Cationitul se regenereaza cu o solutie 4% de HCl sau 2-3% de H2SO4.
Demineralizarea apelor
Prin demineralizare se intelege inlaturarea tuturor cationilor si anionilor continuti in apa. Demineralizarea se poate efectua pe doua cai:
pe cale termica, prin distilare
pe cale chimica, prin schimb ionic
Pe cale termica demineralizarea apei se realizeaza prin vaporizare urmata de condensare.
Demineralizarea pe cale termica este rentabila in conditiile unor ape cu salinitati peste 800 ppm.
Demineralizarea pe cale termica prezinta urmatoarele dezavantaje fata de procedeul prin schimb ionic:
– continutul rezidual de saruri in apa distilata este destul de important pentru a putea face ca aceasta apa sa fie folosita la cazanele cu parametri ridicati.
cheltuiala mare de energie termica
Daca se trece apa bruta printr-un filtru cu H- cationit (care retine cationii) si apoi printr-un filtru cu OH – anionit (care retine anionii) se obtine practic o apa pura, neutra, cu o duritate remanenta foarte mica,numita demineralizata, care poate inlocui apa distilata in cele mai multe din domeniile ei de utilizare.
Procesul de demineralizare a apei se desfasoara dupa schema:
2HR + CaCl2 CaR2 + 2HCl (decationizarea apei)
CaR2 + H2SO4 2HR + CaSO4( regenerarea cationitului)
ROH + HCl RCl + H2O(neutralizarea apei)
RCl + NaOH ROH + NaCl (regenerarea anionitului)
Apele cu duritate temporara mare, contin cantitatile echivalente de bioxid de carbon agresiv care trebuie eliminat prin degazare. Degazorul poate fi plasat dupa filtrul cu H – cationit sau, in unele cazuri, dupa filtrul cu OH – anionit. Procesul de demineralizare a apei intr-o instalatie simpla, cu doua filtre, se desfasoara dupa schema de mai jos:
Schimbatorii de ioni utilizati in mod obisnuit la demineralizarea apelor sunt H – cationitii puternic acizi si OH – anionitii puternic bazici.
Regenerarea H – cationitului se face cu o solutie 3 – 6% de HCl, iar a anionituluicu o solutie 3 – 4% de NaOH. Consumul de agenti de regenerare greveaza apreciabil asupra costului apei demineralizate. Aplicarea procedeului se extinde, totusi datorita eficacitatii sale si faptului ca poate fi utilizat la demineralizarea oricarui fel de apa, chiar si a acelora cu continut de floruri si sulfuri. In acest din urma caz, procedeele cu rasini ionice s-au dovedit superioare procedeelor chimice obisnuite (prin precipitare).
1. Scheme tehnologice de demineralizare a apelor cu rasini schimbatoare de ioni
Din procesele de dedurizare, ca si din procesele de demineralizare a apei prin schimb ionic, rezulta cantitati apreciabile de CO2 care asociat cu O2 din apa corodeaza puternic aparatura medicala:
Fe + ½ O2 + 2CO2 + H2O Fe(HCO3)2
4Fe(HCO3)2 + 2H2O + O2 4Fe(OH)3 + 8CO2
Deci, pentru evitarea corodarii aparaturii metalice, eliminarea O2 si CO2 este deci absolut necesara.
In cazul apelor cu duritate temporara ridicata fata de duritatea permanenta, daca se urmareste numai eliminarea duritatii temporare, deci o demineralizare partiala, se foloseste o instalatie formata dintr-o singura coloana cu o rasina cationica carboxilica sub forma HR si un turn de degazare, pentru eliminarea O2 si a CO2, ca in figura urmatoare:
Pentru demineralizarea apelor cu duritate temporara mult mai mare decat duritatea permanenta, aceasta din urma depasind totusi limita 1 –2 grade, se recomanda folosirea unei coloane cu H – cationit, urmata de o coloana de OH – anionit, intre care se plaseaza turnul de degazare. Degazarea trebuie realizata inainte de coloana de anionit, pentru evitarea unei eventuale contrapresiuni care ar frana trecerea lichidului prin masa de rasina cationica. Instalatia este cea din figura de mai jos:
Pentru demineralizarea apelor cu duritati temporare si permanente ridicate, se foloseste o instalatie cu doua perechi de coloane cationit – anionit; turnul de degazare este plasat inaintea ultimei coloane cu anionit conform instalatiei:
Pentru debite mari de ape foarte dure se foloseste o instalatie cu doua baterii de demineralizare legate in serie, turnurile de degazare se plaseaza inaintea coloanelor cu anionit conform schemei:
Demineralizarea apei cu strat mixt de cationit si anionit
Demineralizarea apei poate fi realizata utilizand un singur filtru a carui umplutura este alcatuita din doua straturi succesive, primul H – cationit, al doilea OH – anionit (strat dublu), sau dintr-un strat alcatuit din granule de cationit si anionit amestecate (strat mixt). In filtrele cu strat mixt se pot introduce diferite combinatii de schimbatori: puternic acid – puternic bazic; puternic acid – slab bazic etc., in functie de demineralizarea apei brute si de gradul de demineralizare dorit.
Filtrele cu schimbatori slab bazici furnizeaza efluenti cu o demineralizare mai putin avansata, datorita faptului ca anionitii slab bazici nu pot retine acizii slabi (carbonic si sicilic). Totusi, din cauza reactivilor ieftini si necesari in cantitati mici pentru regenerarea acestoranioniti, folosirea lor se extimde mai ales in cazul apelor demineralizate care se folosesc in procesele chimice, in care prezenta HCl si H2 si O3 nu incomodeaza.
Combinatia de rasini puternic bazice (cu grupe cuaternare de amoniu) si slab acide (cu grupe carboxil) dau efluenti puternic demineralizati, lipsiti de H2CO3 si H2SiO3 in cazul apelor cu duritate temporara foarte mare fata de duritatea permanenta.
Productivitatea coloanelor cu strat mixt este mult mai mare, in comparatie cu aceea a instalatiilor de demineralizare cu un cuplu de coloane cationit – anionit.
Diferentele de dimensiuni ale coloanelor duc la o imobilizare importanta de rasini in sistemele cationit – anionit, in comparatie cu coloanele cu strat mixt.
Spre exemplu, se constata ca o instalatie care demineralizeaza 30 m3 apa/h, necesita 5 m3 rasina cationica si 6 – 8 m3 de rasina anionica, fata de 600 l amestec de rasini ionice necesitat de coloana cu strat mixt, care realizeaza aceeasi productie de apa demineralizata. Cele mentionate implica un consum de reactivi de 2 – 3 ori mai mare pentru regenerarea coloanelor cu strat simplu pentru asigurarea unui grad de regenerare acceptabil (care, in general, nu depaseste 70%). Consumul de apa de spalare a stratului simplu de rasina regenerata se ridica la circa 10% din productia instalatiei, fapt care influenteaza apreciabil atat capacitatea de productie cat mai ales pretul de cost al apei demineralizate. Deoarece durata operatiilor de regenerare si spalare a stratului simplu depaseste durata operatiei de epurare a apei, pentru asigurarea procesuului continuu de productie este necesar sa se foloseasca doua instalatii identice montate in paralel, de unde urmeaza, de fapt, un necesar dublu de rasini ionice. Pentru diminuarea acestor inconveniente, instalatiile moderne de demineralizare sunt dotate cu un cuplu de coloane cationit – anionit urmat de o coloana cu strat mixt. Cuplul cationit – anionit retine 90 –95 % din ionii aflati in apa bruta, debitand o apa cu rezistivitatea 100000 –400000 cm, pentru ca restul de ioni sa fie retinuti de coloana urmatoare cu strat mixt,care debiteaza practic o apa practic demineralizata cu rezistivitatea peste 5cm. In cazul apelor cu salinitate mica, demineralizarea foarte avansata poate fi realizata numai cu ajutorul coloanei cu strat mixt, de unde rezulta un pret de cost avantajos.
Marele avantaj al instalatiei de demineralizare cu strat mixt consta in faptul ca numai cu un singur filtru se poate obtine un efluent ale carui calitati nu pot fi obtinute prin procedeul cu filtru cationic si filtru anionic, decat in instalatii cu cateva serii de filtre. Adaugand si avantajul consumului redus de agenti de regenerare, procedeul demineralizarii cu strat mixt de schhimbatori poate fi considerat ca cel mai economic procedeu de demineralizare a apei. Procedeul tinde sa inlocuiasca celelalte procedee cu schimbatori de ioni. Dupa natura cationitilor si anionitilor utilizati in stratul mixt, procesele de demineralizare se desfasoara dupa cum urmeaza:
Cationit puternic acid – anionit puternic bazic
Reactiile cationitului RSO3H + NaCl RSO3Na + HCl
RSO3H + NaOH RSO3Na + H2O
Reactiile anionitului ROH + NaCl RCl + NaOH
ROH + HCl RCl + H2O
Cationit puternic acid – anionit slab bazic
Reactiile cationitului:
RSO3H + NaCl RSO3Na + HCl
RSO3H + NaOH RSO3Na + H2O
Reactiile anionitului:
RNH2 + H2O RNH3OH
RNH3OH + NaCl RNH3Cl + NaOH
RNH2 + HCl RNH3Cl
RNH2 + H2O RNH3OH
RNH3OH + HCl RNH3Cl + H2O
Cationit slab acid – anionit puternic bazic
Reactiile cationului:
RCOOH + NaCl RCOONa + HCl
RCOOH + NaOH RCOONa + H2O
Reactiile anionitului:
ROH + NaCl RCl + NaOH
ROH + HCl RCl + H2O
Cationit slab acid – anionit slab bazic
Reactiile cationului:
RCOOH + NaCl RCOONa + HCl
RCOOH + NaOH RCOONa + H2O
Reactiile anionitului:
RNH2 + H2O RNH3OH
RNH3OH + NaCl RNH3Cl + NaOH
RNH2 + HCl RNH3Cl
RNH2 + H2O RNH3OH
RNH3OH + HCl RNH3 Cl + H2O
Procesul de demineralizare a apei in filtrul cu strat mixt comporta urmatoarele operatii succesive:
– demineralizarea apei, prin percolare pana la saturarea cationului si a anionului.
– separarea granulelor de schimbator saturate, in straturi distincte, prin diferenta greutatii specifice a granulelor respective; aceasta are loc prin introducerea unui curent ascendent de apa, care provoaca miscarea turbionara a granulelor si separa stratul granulelor de anionit mai usoare deasupra stratului de cationit ale carui granule au greutatea specifica mai mare.
– regenerarea anionului prin percolarea stratului respecriv cu o solutie 3 – 4% de NaOH dupa care urmeaza spalarea cu apa demineralizata, timp de cateva minute. Solutia alcalina de regenerare si apa de spalare traverseaza si stratul de cationit neregenerat, un eventual schimb ionic intre cationii Na+ din solutia de regenerare cu cationii Ca2+ si Mg2+ care satureaza cationitul nu influenteaza operatia urmatoare de regenerare a cationului.
– regenerarea H- cationitului prin percolarea stratului respectiv cu o solutie de 5 – 10% HCl. Conducta pentru solutia de HCl patrunde la limita de separare a celor doua straturi de schhimbatori, evitandu-se astfel contactul solutiei acide cu masa anionica.
Acest procedeu de regenerare prezinta , totusi, dificultati datorita faptului ca straturile de rasini ionice nu se pot separa net, de unde rezulta o regenerare defectuoasa si un consum mare de reactivi de regenerare.
Regenerarea electrolitica a straturilor de rasini pare a fi mai indicata decat procedeul descris .
Demineralizarea apei se mai poate face prin electro- osmoza sau folosind membrane schimbatoare de ioni, prin procedeul electrodualizei, in acest caz calitatea membranelor fiind esentiala in procesul de demineralizare.
CAPITOLUL VI
DEMINERALIZAREA APEI LA INTREPRINDEREA „ STELA”
A. Necesitatea tratarii apei
La intreprinderea „Stela” apa folosita pentru demineralizare este o apa de suprafata si anume o apa statatoate provenita din lacul „ Cernica”.
Compozitia apelor statatoare depinde de aceea a afluentilor, de natura rocilor care formeaza fundul albiei, de regimul ploilor din regiune, de situatia geografica a regiunii respective.
Prezenta microorganismelor si in deosebi a algelor care se dezvolta prodigios in timpul verii, modifica sensibil compozitia apelor stagnate datorita asimilatiei clorofiliene.
Apa lacului „Cernica” contine o serie intreaga de suspensii organice, ssaruri de toate tipurile, silice, etc.
Aceasta apa provenita din lacul „Cernica” este demineralizata, fiind folosita la cazanele intreprinderii. Cazanele folosite sunt cazane de tip BABCOCK de presiuni 33 kgf/cm2 cu un debit de 25 m3/h.
Dupa cum am aratat apa lacului „ Cernica”, contine saruri, gaze dizolvate, materii organice si acizi humici, toate acestea avand actiune daunatoare asupra peretilor metalici ai cazanului. Aceste efecte negative le putem grupa in trei categorii: 1). Depuneri (sub forma de cruste si namoluri)
2). Coroziuni
3). Impuritatea aburului
Toate aceste efecte duc la deteriorarea rapida a instalatiilor de abur (cazanelor), creand totodata pericol de avarii si explozii.
De aceea indicii de calitate ai apei de alimentare trebuie strct controlati si timuti in limitele prescrise prin tratarea in prealabil a apei de alimentare a cazanelor.
Pentru fiecare categorie de cazan sunt prevazuti indici de calitate ai apei de alimentare ce nu pot fi depasiti in timpul functionarii.
O impurificare importanta cacare produce aspecte nefavorabile in functionarea cazanelor de abur este constituita de substantele organice. Aceste substante organice produc depuneri spongioase pe peretii cazanelor, precum si spumarea apei in cazan.
De asemenea prin descompunerea termica iau nastere acizii corozivi. Aceleasi efecte periculoase sunt produse si de prezenta uleiului in apa. Sarurile ce se intalnesc cu cea mai mare frecventa dizolvate in apele naturale sunt bicarbonatii, sulfatii, clorurile si silicatii alcalini. Dintre toate acestea, pericolul cel mai mare il reprezinta pentru cazane sarurile de calciu si magneziu.
Aceste saruri prin reactii chimice sau prin simpla concentrare se depun pe peretii cazanelor inrautatind in mod deosebit schimbul de caldura (deci un supraconsum de combustibil, o supraincalzire locala a peretelui metalic), creand pericol de explozie si avarie a cazanelor.
Sarurile duritatii temporare se depun sub forma de CaCO3 si Mg(OH)2; sunt putin aderente si se indeparteaza usor; acizii ii dizolva foarte usor.
Aceste depuneri se formeaza pe partile mai reci ale cazanelor cum ar fi : tubul de flacara, in zona de intrare a apei de alimentare.
Sarurile duritatii permanente dau nastere la depuneri tari, compacte, foarte aderente pe suprafata metalului, greu de indepartat pe cale mecanica sau chimica.
Silicea impreuna cu CaSO4 formeaza cruste foarte aderente si extrem de dure. La temperaturi ridicate silicea poate fi antrenata de vaporii supraincalziti, depunandu-se in anumite portiuni si stingherind astfel buna functionare a cazanelor.
Consecintele depunerilor pe suprafetele de incalzire ale cazanelor sunt:
– Supraincalziri locale. Datorita conductibilitatii termice reduse a depunerilor, transmisia caldurii de la foc – metal – apa este inrautatita, temperatura peretelui tevii creste mult. Rezistenta la rupere scade atat de mult incat, sub influenta presiunii din interior teava se deformeaza, se fisureaza sau se sparge.
– Impurificarea aburului. Existenta namolului face ca apa din cazan sa spumege impurificand aburul.
– Supraconsumul de combustibil. Odata cu grosimea depunerii, supraconsumul de combustibil creste foarte mult.
– Decarburari ale metalului. Supraincalzirile locale duc la decarburari cu aspect de coroziune prin imbatranire.
Bioxidul de carbon liber sau legat ca de altfel si oxigenul provoaca coroziunea cazanelor. Din procesul de coroziune rezulta oxizii care se depun pe suprafetele incalzite, asemanandu-se din acest punct de vedere cu depunerile. In plus, coroziunile produc deteriorari ale metalului prin transformarea acestuia in oxizi, uneori pana la disparitia integrala a metalului ca atare.
Coroziunile provoaca in principal degradarea metalului si supraincalziri locale. – Degradarea metalului. Peretele metalic se subtiaza si datorita presiunii interioare teava respectiva se fisureaza sau se sparge.
– Spargeri de tevi. Ca urmare a inrautatirii transferului de caldura, datorita oxizilor depusi pe suprafetele incalzite, apar supraincalziri locale sau chiar spargeri de tevi. In anumite locuri unde viteza apei sau emulsiei este mare, oxizii se desprind de pe suprafata metalului, sunt transportati in circuit si se depun pe suprafetele cu incarcare termica mare sau in coturi (strangulari), infundand si spargand teava.
Toateacestea impun ca in prealabil apa sa fie tratata(inlaturarea suspensiilor, sarurilor, gazelor, etc)
Schema operatiilor principale
Apa filtrata lacul Cernica
Retinerea sub. organice in
filtre cu carbune activ
Spalare cu apa Canalizare conventional
calda curata
Decarbonatare in filtre cu
schimbatori de ioni
Regenerarea maselor cationice
cu HCl 3 – 5%
Eliminarea bioxidului de
carbon in turnul degazor
Retinerea ionilor Ca2+ si Mg2+
in filtre puternic acide
Regeneraea maselor cationice
cu HCl 5 – 8%
Retinerea ionilor de SO42-, Cl-
silice in filtre puternic bazice Bazin de neutralizare
Regenerarea maselor anionice
cu NaOH solutie 4%
Apa demineralizata la Apa demineralizata la
cazanele de 15 kgf/cm3 cazanele de 33 kgf/cm3
Importanta inlaturarii substantelor organice
La demineralizarea apelor trebuie sa se tina cont si de substantele organice continute de apa.
Destul de adesea instalatiile de demineralizare sunt proiectate fara a se tine seama de posibilitatea influentei negative a substantelor organice.
In prealabil este necesar sa se faca o pretratare a apei, care rezolva in mare parte problema substantelor organice. Important este faptul ca influenta substantelor organice nu poate fi integral eliminata in practica prin alegerea rasinilor. Este necesar sa se asume o oarecare pierdere in capacitate si acest factor trebuie luat in proiectare. Daca substantele organice reprezinta o problema deosebita trebuie prevazuta posibilitatea tratarii rasinilor anionice cu saramura, acid, etc. Proiectarea unei instalatii de schimb ionic si alegerea rasinilor potrivite care sa minimalizeze deficientele legate de prezenta substantelor organice depind de urmatorii doi factori importanti:
natura apei brute
marimea instalatiei
In tehnica actuala cand este vorba de o astfel de instalatie se proiecteaza o treapta care furnizeaza o apa medie,continand modeste cantitati de cloruri, sulfati, bicarbonati, si urme obisnuite de silice si substante organice. Instalatia este completata de o trapta de finisare cu pat mixt. Pentru marirea efeicientei regenerarii se ataseaza un filtru carboxilic. O noutate in tehnica combinarii etajelor anionice o constituie faptul ca in aceeasi coloana se introduce anionitul slab bazic si cel puternic bazic.
Pentru a obtine maximul de avantaj trebuie ca anionitul slab bazic sa se afle depus peste cel puternuc bazic. Pentru a mentine aceasta geometri trebuie se executa o spalare inversa urmata de o regenerare caustica obisnuita. Proportia dintre cei doi anioniti este functie de raportul intre acizii tari si slabi. Prin aceasta tehnica s-a imbunatatit si absorbtia reversibila a substantelor organice.
Substantele organice influenteaza comportarea anionitilor. In functie de natura acestor substante, acestea pot fi retinute integral sau partial si prin regenerare cu soda sunt eliminate integral sau numai partial. Efectele retinerii ireversibile a substantelor organice de catre anioniti sunt:
micsorarea capacitatii utile de schimb;
marirea necesarului de apa de spalare.
Pentru evitarea acestor neajunsuri se procedeaza dupa cum urmeaza:
– folosirea in procesul de limpezire al apei, a unor substante de indepartare avansata a substantelor organice cum ar fi: Cl, KMnO4 sau filtre cu carbune activat (granule sau pulbere)
– folosirea anionitilor slab bazici macroporosi care au proprietatea de a retine reversibil substantele organice, deci de a le reda aproape cantitativ prin operatia de regenerare.
– folosirea in fruntea instalatiei de demineralizare a unei rasini speciale care retine substantele organice, anumite rasini absorbante sau scavenger.
Dintre substantele organice cei mai periculosi sunt acizii humici, deoarece acestia avand molecula mare difuzeaza greu din reteaua macromoleculara a anionitilor, deoarece prin reactia cu NaOH, folosit la regenerarea anionitilor, molecula acestora se mareste, datorita ionizarii si hidratarii. Acest fapt conduce la necesitatea spalarii periodice a rasinii cu o solutie de 5 – 10%NaCl, care are drept efect micsorarea moleculei si usureaza absorbtia substantelor organice.
Fazele principale si reactile care au loc in cadrul pocesului de demineralizare
1. Retinerea suspensiilor organice in 2 filtre (unul se afla in spalare – repaus) ce contin carbune activ.
2. Spalarea cu apa calda (apa + abur) 104C, de jos in sus a masei de carbune activ.
3. Eliminarea cationilor legati ca bicarbonati in filtre cu masa H – carboxilica. Aceste filtre 2 (unul se afla in regenerare – repaus) sunt echipate cu schimbatori de ioni – cationit slab acid (vionit CC – 1) si au rolul de a transforma bicarbonatii de Ca si Mg in acid carbonic conform reactiilor:
R – COO Ca + H2CO3
2R – COOH + Ca(HCO3)2 = R – COO
2R – COOH + Mg(HCO3)2 = R – COO
R – COO Mg + H2CO3
4. Afanarea masei H – carboxilica cu apa introdusa de jos in sus.
5. Regenerarea masei H – carboxilica cu solutie HCl 3 – 5%.
R – COOH
R – COOH Ca + HCl = 2R – COOH + CaCl2
R – COOH
R – COOH Mg + HCl = 2R – COOH + MgCl2
Spalarea cu apa introdusa de sus in jos a masei schimbatoare de ioni H – carboxilica.
7. Eliminarea CO2 liber intr-un degazor prin antrenare cu aer (aerul circula de jos in sus in contracurent cu apa). Degazorul este echipat cu inele raching si are rolul de a elimina CO2 rezultat din descompunerea H2CO3(3).
H2CO3 CO2 + H2O
8. Eliminarea cationilor legati ca sulfati si cloruri in filtre cu o masa H – puternic acida. Se folosesc doua filtre echipate cu schimbatori de ioni cationit – puternic acid (vionit CS – 3). Unul din filtre se afla in regenerare – repaus. Reactiile care au loc sunt urmatoarele:
2RH + CaSO4 = R2Ca + H2SO4
2RH + CaCl2 = R2Ca + 2HCl
2RH + MgSO4 = R2Mg + H2SO4
2RH + MgCl2 = R2Mg + 2HCl
Afanarea masei schimbatoare de ioni H – puternic acida cu apa introdusa de jos in sus.
Regenerarea masei H – puternic acida cu solutie HCl 5 –8%.
R2Ca + 2HCl = 2RH + CaCl2
R2Mg + 2HCl = 2RH + MgCl2
Spalarea masei H – puternic acida cu apa introdusa de sus in jos.
Eliminarea anionilor in filtre cu masa OH – puternic bazica. Se folosesc doua filtre echipate cu schimbatori de ioni anionit puternic bazic (vionit AT – 1). Unul din filtre se afla in regenerare – repaus. Aceste filtre au rolul de a neutraliza aciditatea provenita de la filtrul puternic acid.
2ROH + H2SO4 = R2SO4 + 2H2O
ROH + HCl = RCl + H2O
Afanarea masei schimbatoare de ioni OH – puternic bazica cu apa introdusa de jos in sus.
Regenerarea masei OH – puternic bazica cu solutie calda (pentru indepartare silice) de NaOH 4%.
R2SO4 + 2NaOH = 2ROH + Na2SO4
RCl + NaOH = ROH + NaCl
Spalarea masei OH – puternic bazica cu apa introdusa de sus in jos.
Materii prime utilizate
La statia de tratare a apei din cadrul sectiei de chimizare grasimi fabrica Stela, principalele materii prime utilizate sunt urmatoarele:
EA. Rasini schimbatoare de ioni
Vionit CC- 1
Vionit CS – 3
Vionit AT – 1
EB. Carbune activ
EC. Cuart monocristalin
ED. Inele rasching
EE. Acid clorhidric
EF. Hidroxid de sodiu
EA. RASINI SCHIMBATOARE DE IONI
Experientele efectuate au aratat ca rasinile romanesti fabricate la „Combinatul Chimic Victoria” se pot compara cu cele mai bune rasini straine, atat in ceea ce priveste capacitatea de schimb, cat si in ce priveste influenta lor asupra calitatii produselor tratate.
a). Vionit CC- 1
Vionit CC – 1 este un catoinit slab acid, pe baza de copolimer metilmetacrilat – divinilbenzen, avand ca grupa activa, functionarea COOH.
Vionit CC – 1 prezinta in conditii avantajoase de regenerare si apalare o capacitate utila de schimb ridicata.
Vionit CC – 1 are o foarte buna rezistenta mecanica, o rezistenta hidraulica scazuta, o stabilitate termica ridicata si o buna rezistenta la agenti alcalini, acizi, oxidanti si reducatori.
Produsul se fabrica in instalatia pilot.
Caracteristici ale rasinii Vionit CC – 1
Aspect…………………………… perle
Culoare………………………….. alb – galbui
Granulatie………………… ……..0,3 – 1,2 mm
Forma de livrare………….. …….. H umed
Umiditate%………………………. 40 – 60
Greutate volumetrica g/l…………. 850 – 950
Temp. de lucru max. C…………. 100
Domeniu de PH…………………… 4 – 14
Rasina de baza……………………. acrilica
Grupa activa……………………… – COOH
Regenerant……………………….. HCl
Concentratii regenerant%……….. 5
Consum regenerant HCl g/l………. 75 – 120
Regenerant % fata de teorie………. 100 – 120
Capacitate utila de schimb mval/l……1,5 – 2
Capacitate utila de schimb g CaO/l……..42 – 56
Apa spalare – consum l/l……………….. 2 – 5
Viteza de afanare m/h…………………… 5 – 10
Spatiu liber % din strat…………………. min.100
Inaltime strat mm ……………………… min 750
Intrebuitari ale rasinii Vionit CC – 1
dedurizarea si demineralizarea apei industriale
tratarea condensului
tratarea apelor reziduale
industria farmaceutica
chimia analitica etc.
Alti cationiti slab acizi des folositi sunt:
Relite CC
Duolite CS – 101
Kastel C – 100
Lewatit CN O
Imac C – 19
Necrolith HS
b) Vionit CS – 3
Vionit CS – 3 este un cationit puternic acid, pe baza de copolimer stiren – divinilbenzen , avand ca grupa activa, functiunea SO3H.
Vionit CS – 3 prezinta in conditii avantajoase de regenerare si spalare o capacitate utila de schimb ridicata.
Vionit CS – 3 are o foarte buna rezistenta la agenti alcalini, acizi, oxidanti si reducatori.
Carateristici ale rasinii CS – 3
Aspect………………………………. perle
Culoare……………………………… galbena
Granulatie mm………………………. 0,3 – 1,2
Rasina de baza………………………. stiren
Grupa activa………………………… – SO3H
Forma de livrare……………………. H – umed
Umiditate…………………………… 40 – 65
Greutate volumetrica g/l……………. 800 – 900
Temp de lucru max. C…………….. 120
Domeniu de PH…………………….. 0 – 14
Concentratii regenerant%……….. ….5 – 10%
Consum regenerant HCl g/l………….125 – 150 Regenerant % fata de teorie………. ..135 – 150
Capacitate utila de schimb mval/l……1,3 – 1,5
Capacitate utila de schimb g CaO/l… 36 – 42
Regenerant ………………………… HCl
Apa spalare – consum l/l…………… 3 – 7
Viteza de afanare m/h…………… 10 – 15
Spatiu liber % din strat…………… min.50 Inaltime strat mm ………………… min 750
Intrebuintari ale rasinii Vionit CS – 3
dedurizarea si demineralizarea apelor industriale
tratarea condensului
tratarea apelor reziduale
catalizatori in industria organica
industria alimentara
industria farmaceutica
industria hidrometalurgica
chimia analitica
Alti cationiti puternic acizi des folositi
vionit CS – 1
vionit CS – 2
Lewatit PN
Lewatit S – 100 forma Na
Amberlite IR – 120
Duolite C – 20
Imac C – 12
vionit CS – 1
vionit CS – 3
vionit CS – 2
Lewatit KSN
Lewatit S – 100 forma H
Amberlite IR – 120
Duolite C – 20
Imac C – 12
Vionit AT – 1
Vionit AT – 1 este un anionit puternic bazic, pe baza de copolimer stiren – divinilbenzen, avand grupe cuaternare de amoniu ca functiuni active.
Vionit AT- 1 prezinta in conditii avantajoase de regenerare si spalare o capacitate utila de schimb ridicata.
Vionit AT – 1 are o foarte buna rezistenta mecanica, o stabilitate termica satisfacatoare si o buna rezistenta la agenti chimici.
Caracteristici ale rasinii Vionit AT – 1
Aspect………………………………. perle
Culoare……………………………… galbena
Granulatie mm………………………. 0,3 – 1,2
Rasina de baza………………………. stiren
Grupa activa………………………… – NR3
Forma de livrare……………………. Cl – umed
Umiditate…………………………… 40 – 60
Greutate volumetrica g/l……………. 700
Temp de lucru max. C…………….. 60
Domeniu de PH…………………….. 0 – 14
Concentratii regenerant%……….. ….5 – 10%
Consum regenerant HCl g/l………….125 – 150 Regenerant % fata de teorie………. ..135 – 150
Capacitate utila de schimb mval/l……0,4 – 0,6
Capacitate utila de schimb g CaO/l… 11 – 17
Regenerant ………………………… NaOH
Apa spalare – consum l/l…………… 8 – 10
Viteza de afanare m/h…………… 6 – 8
Spatiu liber % din strat…………… min.50 Inaltime strat mm ………………… min 750
Intrebuintari ale rasinii Vionit AT – 1
demineralizarea apei industriale
tratarea condensului
tratarea apelor reziduale
procese catolitice
chimie analitica etc.
Alti anioniti puternic bazici des folositi
Lewatit M 500
Amberlite IRA – 400
Amberlite IRA – 410
Duolite A 101 – D
Imac S 540
Kastel A 300
Anioniti mediu si slab bazici des folositi
Vionit AS – 1
Lewatit MP 60
Imac A – 17
Amberlite IR – 45
Kastel A – 100
Duolite A – 7
Relite MS – 170
EB. Carbulele activ
Filtrele mecanice sunt echipate cu carbune activ. Rolul carbunelui activ este de a retine toate suspensiile organice. Aceste suspensii organice pot fi: nisip coloidal, mal, uleiuri, argila, microorganisme, grasimi, albumine. In afara de acestea carbunele activ mai poate retine (silice, sulfuri, hidroxizi). Deasemeni pe carbunele activ se retin si tot felul de impuritati nedizolvzbile in apa, antrenate odata cu acesta. Carbunele activ este capabil sa absoarba pana la 20 % din propria greutate.
Inaltimea stratului de carbune in filtru este de 1,2m. Carbunele folosit este un carbune absorbant tip ROMCAREON de granulatie cilindrica. Are urmatoarele dimensiuni: = 3,5 – 4 mm, h = 4- 8 mm.
Cand se constata cresterea rezistentei hidraulice si acest lucru se intampla cam la o saptamana, se procedeaza la spalarea masei de carbune activ.
Spalarea se face cu apa calda, avand o temperatura de aproximativ 80 grade C. Apa se introduce de jos in sus, suspensiile fiind antrenate pe la partea superioara. Spalarea se face pana in momentul cand apa iese perfect limpede.
Inainte de umplerea filtrelor cu carbunele activat, acesta trebuie spalat bine pentru indepartarea sarurilor continute.
EC. CUART MONOCRISTALIN
Cuartul monocristalin se foloseste drept suport pentru masa ionica, avand rolul de a nu lasa masa ionica sa iasa din filtru prin partea inferioara a acestuia.
Se foloseste un cuart monocristalin granulat si sortat cu minim 98% SiO2. Este furnizat de intreprinderea „ Extracerom – Timisoara”. Se aseaza in patru straturi succesive de 150 mm fiecare grosime, avand urmatoarea granulatie:
1 – 3 mm 10 – 20 mm
3 – 10 mm 20 – 30 mm
Jos se aseaza stratul cu dimensiunile cele mai mari 20 – 30 mm, iar apoi urmeaza celelalte straturi.
ED. INELELE RASCHIG
Eliminarea CO2, ( care este un mediu foarte corosiv) rezultat din descompunerea H2CO3, care la urma lui rezulta prin transformarea bicarbonatiilor de Ca si Mg in cadrul filtrelor slab acide, se face din degazor. Degazorul este echipat cu inele rasching asezate in 6 – 7 straturi.
Pentru sustinerea inelelor rasching sunt confectionate din ceramica sau P.V.C. avand dimensiunile: h = 25 mm, = 20 mm. Apa in degazor circula de sus in jos, iar in contracurent cu aceasta circula erul insuflat pe la partea inferioara a degazorului cu ajutorul unui ventilator. H2CO3 este compus in H2O si CO2 acesta fiind antrenat in aer.
EE. ACIDUL CLORHIDRIC
Acidul clorhidric se utilizeaza pentru regenerarea cationitului slab acid cat si pentru regenerarea cationitului puternic acid. Pentru regnerarea filtrului cationit slab acid se foloseste o solutie de HCl 3 – 5%, regenerarea avand loc conform reactiilor:
R – COO Ca Mg
R – COO Mg + HCl = 2R – COOH + CaCl2
Pentru regenerarea filtrului cationit puternic acid se foloseste o solutie de HCl 5 – 8%, regenerarea avand loc conform relatiei:
R2Ca + 2HCl = 2RH + CaCl2
Mg Mg
Acidul clorhidric vine printr- o conducta in concentratie de 31 – 33 % si se depoziteaza intr-un rezervor, de unde cu ajutorul unui ejector se dilueaza cu ajutorul apei la 3 – 5% sau 5 – 8%.
EF. HIDROXIDUL DE NATRIU
Hidroxidul de sodiu se utiluzeaza pentru regenerarea anionitului puternic bazic. Pentru regenerare se foloseste o solutie de NaOH 4%, regenerarea avand loc conform reactiei:
R2SO4 + 2NaOH = Na2 SO4 + 2R – OH
Hidroxidul de sodiu vine intr-o conducta in concentratie de 40 % si se depoziteaza Intr-un rezervor, de unde cu ajutorul unui ejector se dilueaza cu apa calda la 4 %.
DESCRIEREA PROCESULUI TEHNOLOGIC
Apa bruta provenita din lacul “Cernica” intra in statia de tratare printr-un filtru mecanic pe la partea superioara. Filtrul mecanic este echipat cu carbune activ capabil sa retina impuritatile mecanice din apa (nisip fin, mal, uleiuri, grasimi, etc.).
Intrucat filtrarea se realizeaza sub presiune, masa filtranta se taseaza puternic, capacitatea de filtrare scazand in urma colmatarii cu impuritati.
De aceea periodic (3 – 7 zile) si ori de cate ori este nevoie se face spalarea si afanarea masei filtrante. Aceasta se realizeaza prin scoaterea filtrului mecanic din circuitul de alimentare si introducerea apei pe la partea inferioara a filtrului si insuflarea de abur. Apa de spalare cu impuritati si aburul de barbotare ies pe la partea superioara a filtrului si se arunca la canal. Caderea maxima de presiune prin stratul filtrant al filtrului mecanic nu trebuie sa depaseasca 0,5 – 0,8 atm.
Apa filtrata intra in filtrele H-cationice slab acide. Pentru asigurarea unei functionari continue o statie de tratare este dotata cu doua filtre slab acide legate in paralel, de doua filtre puternic acide legate tot in paralel si de asemenea cu doua filtre puternic bazice legate tot in paralel.
Filtrele H-cationice de tip slab acid sunt echipate cu masa slab acida de tip Vionit cc-1 dispusa pe un strat de cuarturi monocristaline de diferite dimensiuni. Filtrele sunt cauciucate in interior avand in vedere faptul ca in timpul regenerarii se introduce solutii de HCL . Apa intra in aceste filtre pe la partea superioara. Ca si la filtrele mecanice, filtrele echipate cu mase slab acide sunt prevazute pentru posibilitatea afanarii de jos in sus, precum si cu racorduri la canal pentru indepartarea apelor de spalare. Afanarea se executa cu apa provenita de la filtrele mecanice.
Fiecare din filtrul slab acid este prevazut cu priza pentru probe de apa si pentru aerisire. In conducta de admisie a apei in filtrele echipate cu masa cationica slab acida se face si introducerea solutiei de regenerare din instalatia auxiliara aferenta. Dozarea HCL (3 – 5%) se realizeaza cu ajutorul unui ejector. Regenerarea filtrelor puternic acide se face tot cu HCL (5 – 8%). Si instalatia auxiliara pentru producerea solutiei acide de regenerare este cauciucata.
De la iesirea celor doua filtre slab acide legate in paralel, apa este condusa in decarbonator. Intrarea se faca la partea superioara printr-un distribuitor stropitor. Coloana de decarbonatare contine la diferite nivele “sicane” pentru marirea suprafetei de contact apa-aer. Aceste sicane sunt realizate din straturi de 25-30 cm. inaltime format din inele de masa plastica tip RASCHIG.
Coloana de decarbonatare este prevazuta la partea inferioara cu un preaplin, iar la partea superioara este in contact cu atmosfera. Tot la partea inferioara se afla racordul de intrare a aerului, care este introdus in coloana de decarbonatare cu ajutorul unui ventilator. Prin parcurgerea coloanei in contra curent cu aerul, apa pierde in buna masura CO2 dizolvat fizic si legat sub forma de radical acid. Apa decarbonatata este colectata la baza coloanei de decarbonatare intr-un bazin tampon de beton de unde cu ajutorul pompelor (care sunt legate in parelel pentru a face fata in orice conditie de debit) apa este introdusa in filtrele echipate cu masa cationica puternic acida (forma R – H). Aceste filtre sunt legate in paralel, nefunctionand decat alternativ si sunt echipate cu masa H-cationica tip Vionit CS3 si sunt cauciucate. Regenerarea acestor filtre se face la fel ca la cele slab acide.
Si la aceste filtre sau prevazut prize pentru aerisire si pentru luarea probelor. Apa tratata care iese din aceste filtre trece in continuu prin filtrele echipate cu masa ionica puternic bazica de tip Vionit AT – 1 (anionit). Si aceste filtre sunt legate in paralel si sunt cauciucate.
Fiecare din filtrele puternic bazic este prevazut cu prize de aerisire si prize pentru luarea probelor. Regenerarea lor se face cu soluti de NaOH 4%, realizata intr-o instalatie auxiliara. Dintr-un rezervor in care se afla solutie NaOH 40%, acesta se dozeaza la 4% si trimis la filtrele puternic bazice prin intermediul unui ejector. Solutia intra pe la partea superioara a filtrelor si iese pe la partea inferioara mergand la canal. Apa iesind din filtrele anionice este preluata de pompe si trimisa la cazane.
CONTROLUL CHIMIC AL APEI DUPA FIECARE
FILTRU
Controlul filtrului slab acid
In timpul functionarii filtrului slab acid se urmareste: PH-ul care trebuie sa fie cuprins intre 4 – 6,5, conductivitatea electrica care trebuie sa fie de 200 – 400 s/cm in cadrul acestor filtre si alcalinitatea m. care variaza foarte lent in timpul functionarii filtrului, de la 0 cand filtrul este proaspat regenerat si ajunge la 3 cand filtrul este epuizat. Toate aceste analize se fac din ora in ora.
Controlul filtrului puternic acid
La aceste filtre se urmareste PH-ul, aciditatea, conductibilitatea electrica si duritatile.
Aciditatea in timpul functionarii filtrului trebuie sa aiba valoare constanta. Aceste filtre dupa regenerare se spala paana la obtinerea unei valori constante a aciditatii (-m), la mai multe determinari consecutive.
In momentul cand se observa o scadere a aciditatii (-m) de la o ora la alta se considera filtrul epuizat. PH-ul trebuie sa fie cuprins intre 2 – 3,5.
Conductivitatea electrica este mai ridicata la acele filtre avand valoarea cuprinsa intre 700 – 1000 s/cm. Duritatea temporara si permanenta trebuie sa fie zero. Analizele se fac din ora in ora.
c) Controlul filtrului puternic bazic
La aceste filtre se controleaza valoarea alcalinitatii p., PH – ul, duritatea si conductivitatea electrica.
Alcalinitatea p. trebuie sa varieze intre 1,2 – 0.
PH-ul trebuie sa fie cuprins intre 9 – 6,5. Conductivitatea electrica trebuie sa fie 50 s/ cm, iar duritatea trebuie sa fie zero. Analizele se fac din ora in ora.
SCHEMA SI MODUL DE FUNCTIONARE A
FILTRULUI SLAB ACID
Apa ce vine de la filtrul mecanic patrunde in masa cationica prin conducta A (ventilele 1, 2, 6 sunt deschise iar celelalte inchise)
Apa paraseste filtrul slab acid prin conducta B mergand la decarbonator.
Cand se constata saturarea masei cationice se inched ventilele 1, 2, si 6 si se deschide ventilul 9, pentru scurgerea apei, iar ventilul 8 este si el deschis pentru admisia aerului.
In perioada de afanare a masei cationice,apa intra prin conducta A ventilele 1, 4, 3, 5 sunt deschise iar celelalte sunt inchise. Apa se scurge prin conducta C la canal.
Pentru regenerare, solutia de HCL 3 –5 % vine pe conducta D, ventilele 7 si 9 sunt deschise iar celelalte sunt inchise. Operatia de regenerare se intrerupe cand se constata in efuentul evacuat aceeasi concentratie acida ca si in solutia regeneratoare.
Pentru spalarea cationitului regenerat se deschid ventilele 1, 2 pentru introducerea apei si ventilul 9 pentru eliminarea apei. Celalalt filtru functioneaza asemanator.
PROBLEME DE COROZIUNE LA STATIA DE
TRATARE A APEI
Agentii corozivi din cadrul statiei de tratare a apei sunt urmatorii:
acidul clorhidric 31 –33% si solutiile acestuia in concentratii de 3 –5% si 5 – 8%.
hidroxidul de sodium 40% si solutiile acestuia in concentratie de 4%.
apa carbonatata
apa demineralizata
Pentru evitarea efectelor corozive ale acestora s-au luat urmatoarele masuri de protectie. S-au prevazut in executie cauciucata:
vasele de depozitare si diluare HCL si Na OH
filtrele ionice
conductele prin care circula apa H –cationata, demineralizata si solutiile concentrate si diluate de acid si soda.
pompele centrifuge care transporta solutie de Na OH 4% si omogenizeaza apele reziduale.
Deasemeni s-a prevazut protectie anticoroziva b:
– cuvele filtrelor ionice si vasele de consum de HCL si Na OH.
bazinul de apa H – cationata
bazinul de neutralizare ape
APE REZIDUALE REZULTATE
Apele reziduale din procesul tehnologic al statiei de tratare a apei rezulta de la regenerarea filtrelor ionice. Apele reziduale care rezulta sunt ape acide, alcaline si conventional curate. Preponderente sunt apele alcaline.
Deversarea apelor reziduale s-a solutionat in felul urmator :
apele conventional curate se vor deversa in canalizarea conventional curata a fabricii
apele acide rezultate de la regenerarea filtrelor cationice se neutralizeaza pana la PH = 7 cu apele alcaline rezultate de la filtrele anionice.
Restul apelor alcaline se vor colecta in bazinul special amenajat pentru aceste ape, excesul de alcalinitate este neutralizat in proces discontinuu cu ajutorul acidului sulfuric, urmand ca aceste ape sa fie refolosite la regenerarea filtrelor anionice.
DETECTAREA DEFICIENTELOR SI
REMEDIEREA LOR
In functionarea unei instalatii de tratare a apei cu schimbatori de ioni apar diverse defectiuni. In cele ce urmeaza sunt prezentate diferitele defectiuni care pot sa apara, aratandu-se cauza lor si modul de remediere (ca in schemele de mai jos 1, 2, 3, 4)
Ciclul mai scurt decat cel indicat
Se vor examina indicatiile din instructiunile de expoatare a statiei de demineralizare si se vor urmarii deficientele din schema 1. Pentru o mai buna intelegere a schemei prezentate se dau urmatoarele explicatii, in functie de relatiile intre:
Apa la intrare si volum de masa: numarul de m3 de apa de tratat intr-un ciclu a fost calculat functie de salinitatea apei si duritatea ciclului. Fiecare litru de masa fiind dotat cu o anumita capacitate de retinere, sa dedus volumul de masa. Variatia compozitiei apei la intrare in filtru sau a volumului de masa din filtru antreneaza modificarea duratei ciclului.
Durata ciclului prea lunga si cantitatea de regenerant: capacitatea de schimb a unei mase schimbatoare de ioni continuta intr-un filtru este functie nu numai de salinitatea apei influente dar si de cantitatea de reactiv folosita la regenerare. Daca un ciclu a fost dus dincolo de cantitatea normala de apa de tratat, masa va fixa o cantitate de ioni prea importanta. Cantitatea de regenerant nu va fi suficenta pentru a asigura eluarea completa a sarurilor si ciclul urmator va produce o cantitate de apa insuficienta.
Timp de regenerare si de deplasare: in scopul ca solutia regeneranta sa poata sa actioneze eficace asupra masei permitand o eluare completa a ionilor retinuti este important sa se respecte un timp minim de contact asa cum este stabilit de instructiunile de exploatare.
Sarcina volumica: capacitatea de schimb a masei este in legatura directa cu debitul orar si volumul de masa din filtru. Daca debitul este superior celui fixat capacitatea de schimb este afectata caci intr-un timp egal masa va trebui sa retina o mai mare cantitate de ioni.
SCHEMA 1
Ciclul cel mai scurt
Conform proiect Analiza apei la intrare Diferita de contact; se anunta
proiectantul
Verificarea volumului Diminuat: se completeaza la
masei volumul initial
Neschimbat
Durata ciclului Prea lunga: se face o regenerare
precedent dubla
Normala
Verificarea cantitatii Insuficienta: se mareste cantitatea
de reactiv de regenerare de reactiv
Suficieanta
Timpul de regenerare Scurt sau lung: se va raporta la cel
indicat in instructiunile de exploatare
Normal
Sarcina volumica Prea ridicata: se verifica aparatele de
masura
Normala
Debit de afanare Slab: treceri preferentiale. Se
consulta instructiunile de exploatare
Normal
Prelevarea de monstre
de masa pentru analiza
Debitul de afanare: afanarea dupa fiecare ciclu are drept scop sa detaseze si sa claseze masa pentru a usura trecerea apei si sa evite canalele preferentiale. Prin afanare se elimina de asemenea particolele fine, colectate la suprafata stratului filtrant, provenite din apa sau din masa.
Aceasta operatie este necesara pentru a mentine stratul de masa in perfecta stare de functionare.
Scapari specifice schimbatorilor slab acizi-carboxilici
Se procedeaza conform SCHEMEI 2.
Motive probabile:
Scapari de duritate mai mari – regenerarea cu H2SO4 prost efectuata, precipitare cu CaSO4 (ghipsare)
ca dT – m pe masa
– canale preferentiale
Scapari de aciditate la mijlocul
ciclului, valori peste 15% din – nivelul de regenerare prea ridicat
continutul de saruri de Na cu
acizi tari
Scapari de alcalinitate m cu – sarcina volumica prea mare
peste 10% din valoarea – canale preferentiale
alcalinitatii influente – defect de regenerare
Cresterea conductivitatii la iesirea din filtrul anionic puternic bazic
Se procedeaza conform SCHEMEI 3.
Se verfica aparatele
de masura Indicatii eronate – repara
Indicatie eronata
Scapare de duritate Prezenta: se verifica functionarea filtrelor cationice
Absenta
Scapare de alcalinitate
p
Determinarea alcalinitatii p
la nivelul anionitului slab bazic
Absenta: Prezenta:
Scapare la nivelul masei A se vedea functionarea maselor
puternic bazice (acelasi control slab bazice si puternic acide
ca pentru masa slab bazica)
Absenta
Determinarea clorurilor Prezente:
– verificarea functionarii masei slab bazice
– verificarea regenerarii masei puternic bazice
– verificarea canalelor preferntiale
Absente
Substante organice
Absente
A se verifica scaparile de la robinet
Controlul pretratarii
Normala Anormala:
se verifica flocularea
Se prevaleaza monstre
de masa pentru analize
Detectarea cauzelor care provoaca cresterea
conductivitatii
Apa demineralizata la iesirea dintr-un cuplaj: cationit puternic acid-anionit slab bazic se supune urmatorului test pentru detectarea cauzelor crestere a conductivitatii.
Testul consta in a trece apa decationata iesita dintr-un filtru cotionic puternic acid, printr-o coloana de laborator, care contine un anionit puternic bazic, regenerat. Procesul de detectare este urmatorul:
SCHEMA 4
I. incercare Apa decationata
Cationit puternic acid, nou regenerat
Conductivitate
Scazuta Mare: scapari de Na si K provenind de la
schimbatorul cationic
a II-a incercare Apa decationata
Anionit puternic bazic, regenerat, prelevat din filtru
Conductivitate
Scazuta Mare: vezi punctul c)
Incidente specifice schimbatorilor anionici puternic bazici
Scaparile de silice au drept cauze :
In cazul unei scapari cationice de ioni de Na, se formeaza soda care in contact cu masa, puternic bazica, o regenereaza provocand eluarea silicei.
Dupa un anumit timp, masa se poate incarca cu silice, daca regenerarea nu este suficienta (cantitatea de soda, temperatura). Poate sa aiba loc o polimerizare a silicei in interiorul porilor masei provocand o diminuare a puterii de siliciere. O tratare cu soda la cald poate provoca eluarea silicei. Se va tine seama de temperatura maxim admisa de prospectul masei.
In instalatiile care au in compunere un degazor, buna sa functionare, poate fi verificata :de fapt, daca continutul de CO2 este superior continutului prevazut initial, ciclul se va termina mai repede aparand o scapare permanenta de silice si in consecinta o saturatie mai rapida a masei.
Scaparea de silice depinde de cantitatea de soda folosita la regenerare.
Indicarea eronata a aparatelor.
IMBUNATATIRI PROPUSE LA STATIA DE DEMINERALIZARE
– Cu solutia HCL (5 –8%) de regenerare a filtrului echipat cu cationit puternic acid, dupa ce sa regenerat acest filtru, cu aceasi solutie se regenereaza si filtrul echipat cu cationit slab acid, ce are nevoie de o solutie de regenerare HCL de 3 –5%. In acest fel s-ar economisi o cantitate insemnata de HCL.
Introducerea unui filtru echipat cu anionit slab bazic.
– Folosirea unor rasini schimbatoare de ioni cu capacitate de schimb mai mare care duce la marirea ciclului de functionare, ceea ce ar duce la economisire de reactivi, sau folosirea unor rassini schimbatoare de ioni cu indicator de epuizare, ceea ce ar duce la eliminarea controlului orar al functionarii filtrelor.
– Automatizarea instalatiei. Folosirea PH- metrelor si conductometrelor de flux, a analizatoarelor automate de gaze, a unor aparate pentru masurarea locala a valorilor parametrilor tehnologici, reglarea temperaturii apei la iesirea din schimbatorul de caldura, semnalizarea iesirii din limitele admise a apei din bazinul de decarbonatare, oprirea pompei de golire a bazinului la atingerea nivelului minim, comanda opririi umplerii rezervoarelor de solutie de regenerare. Supravegherea statiei de tratare sa se realizeze de la un dulap de comanda si semnalizare.
Toate acestea ar duce la micsorarea numarului de muncitori, costul apei demineralizate va scadea foarte mult, cu alte cuvinte va creste productivitatea muncii.
CAPITOLUL VII
Analize de laborator
Balanta ionica a apei din lacul Cernica
Analiza apei brute
In prealabil apa bruta este decantata si filtrata.
Indici de calitate ai apei tratate pe sortimente
Determinarea PH-ului
PH-ul reprezinta logaritmul zecimal cu semn schimbat al concentratiei ionilor de hidroniu [H3O]+.
Matematic PH-ul se reprezinta astfel:
sau
PH-ul se determina cu hartie indicator PH, prin compararea culorii hartiei introdusa in apa cu scala etalon indicata pe cutie.
PH-ul se mai poate determina direct cu ajutorul aparatului numit PH-metru, care indica pe o scala gradata valoarea PH-ului.
Determinarea rezidiului fix la 105C
Pentru determinarea rezidiului fix la 105C se iau 250 ml. de apa intr-un borcan cotat, se pune intr-o capsula de cuart adusa la greutate constanta (uscata), dupa care se evapora pe baia de apa pana la sec. La sfarsit balonul se clateste cu apa distilata care se adauga in capsula. Rezidiul se usuca in etuva timp de doua ore la 105 C. Se lasa in excicator sa se raceasca si se cantareste repede. Operatia de uscare si cantarire se repeat pana la greutate constanta.
Rezidiul fix se calculeaza cu urmatoarea formula:
Rezidiu fix
G = greutate rezidiu fix(mg)
V = volumul de apa luat pentru determinare(ml)
Greutate rezidiu fix = G2-G1
G2 = greutate capsula cu rezidiu
G1 = greutate capsula goala
6. Determinarea substantelor organice exprimate in consum de KmnO4
Se iau 100 ml. apa de analizat intr-un pahar erlenmayer, foarte curat (ce nu contine substante organice). Se fierbe cateva minute dupa care se adauga 5ml H2SO4 1/3, 10 ml. KMnO4 0,01 N si se fierbe inca 10 minute.
In solutia fierbinte se adauga 10 cm3 acid oxalic 0,01N. Solutia decolorata se titreaza cu KMnO4 0,01N pana la aparitia culorii slab roz persistenta.
Sub. organice
V = volum solutie KMnO4 0,01N adaugat initial
V1 = volum solutie KMnO4 0,01N intrebuintat la filtrare
V2 = volum acid oxalic adaugat
100 = volumul probei
0,316 = cantitatea de KMnO4 in mg. corespunzatoare la 1 ml. solutie KMnO4 0,01N
a. Determinarea alcalinitatii fata de metiloranj(m)
Alcalinitatea apei este datorata prezentei hidroxizilor, caronatiilor, fosfatiilor si este echivalenta cu cantitatea de acid necesara pentru neutralizarea acestora in prezenta de indicatori corespunzatori: fenolftaleina pentru domeniul de viraj in jurul PH-ului 8,3 si metiloranjul sau indicator mixt in cazul PH-ului 4,5 – 5,4.
Alcalinitatea fata de metiloranj sau indicator mixt, notata cu m, corespunde continutului total de hidroxizi si carbonati si in cazul prezentei fosfatilor, plus doua treimi din continutul lor.
Mod de lucru pentru determinarea alcalinitatii fata de metiloranj (m)
Se iau 100 ml. proba de apa intr-un pahar erlenmayer. Se adauga 1 – 2 picaturi indicator metiloranj si se titreaza cu HCL 0,1N, de la virarea culorii galben la portocaliu.
n = nr. ml. HCL 0,1N folositi la titrare
f = factorul solutiei HCL 0,1N
b. Determinarea alcalinitatii fata de fenolftaleina (p)
Alcalinitateafata de fenolftaleina, notata cu (p), corespunde continutului total de hidroxizi si carbonati si in cazul prezentei fosfatilor plus o treime din continutul acestora.
Mod de lucru:
Se introduc 100 ml. proba de apa intr-un pahar erlenmayer, dupa care se adauga doua pana la trei picaturi solutie de fenolftaleina. Se titreaza cu acid azotic 0,1N pana la decolorare, apai se mai adauga o picatura de solutie de fenoftaleina si se titreaza pana la decolorare care corespunde carecorespunde PH-ului 8,3.
n = numar de ml. HNO3 0,1N folositi la titrare
f = factorul solutiei HNO3 0,1N
In cadrul procesului de demineralizare p. scade pe masura ce apa traverseaza filtrul.
Determinarea clorurilor
Metoda titrimetrica se foloseste pentru continuturi in Cl- peste 5 ppm pana la 400 ppm. Precizia metodei este de 2 ppm . Pentru continuturi de Cl- > 400 ppm se foloseste metoda titrimetrica dupa o prealabila diluare a probei cu apa total lipsita de cloruri.
Clorurile se determina in proba adusa la PH = 8,3 prin titrare cu AgNO3 in prezenta KCrO4.
Punctul final al titrarii este indicat de aparitia coloratiei galben – rosietice a cromatului de argint.
(precipitat alb)
(brun – roscat)
Mod de lucru: Se iau 100 cm3 proba de apa si se introduce intr-un vas erlenmayer, dupa care se adauga 2 – 3 picaturi de fenoftaleina.
Se aduce PH-ul la punctul de viraj al fenolftaleinei (PH = 8,3 ) cu solutie de NaOH, apoi se adauga solutie de NaCl pana la reaparitia galbenului. Se repeta titrarea cu o noua proba de 100 cm3.comparand continuu nuanta culorii obtinute in timpul titrarii cu aceea a probei anterioare la care sa adaugat solutie de NaCl.
1 ml AgNO3 0,02N ……………………0,70906 mg Cl-
mg Cl-/dm3 =
n = nr. de ml. folositi la titrare
V = volumul de proba luat in lucru
Determinarea sulfatilor
Principiul metodei consta in precipitarea sulfatilor din apa cu BaCl2 in exces si titrarea excesului cu solutie compelxon III.
Mod de lucru: intr-un pahar erlenmayer se iau 100 ml proba de apa si se incalzesc pana la fierbere. Se adauga apoi 25 ml solutie de BaCl2 0,02N si se foerbe aproximativ i minut. Se lasa sa se raceasca dupa care se adauga 0,2 cm3solutie MgCl2 0,1N, 6 cm3. solutie tampon amoniacalasi un varf spatula negru eriocrom T. Solutia se titreaza cu solutie EDTA 0,02N pana la virarea culorii de la rosu la albastru.
Sulfati (mg/l) =
0,96064 = cantitatea de sulfati in Mg corespunzatoare la 1 cm3 solutie EDTA 0,02N
V1 = volumul solutiei de BaCl2 introdusa in apa (cm3)
f1 = factorul solutiei BaCl2
V2 = volumul solutiei EDTA 0,02N
f2 = factorul solutiei EDTA 0,02N
V = volumul probei de lucru luat in determinare
Determinarea calciului
Mod de lucru: intr-un pahar erlenmayer se iau 50 ml proba de apa. Se alcalinizeaza cu 2 ml solutie NaOH 8%. Se adauga 0,3 g murexid si se titreaza repede cu solutie complexon III 0,01 m de la rosu la violet.
mg/Ca =
n = numarul de cm3complexon III 0,01m folositi la titrare
0,4 = cantitatea de calciu care corespunde la 1 ml solutie complexon III
0,01 m.
11.Determinarea magneziului
Determinarea magneziului se face prin diferenta din numarul ml solutie complexon III folositi la titrare in prezenta de negru eriocrom T se scade numarul de ml solutie complexon III folositi la titrare in prezenta de murexid.
Mg( mg /l) = 2(N – n) 0,2432
0,2432 = cantitatea de Mg(mg) ce corespunde la 1ml solutie complexon III
N = numar de ml solutie complexon III folositi la titrare in prezenta de negru eriocrom T.
N = numar de ml solutie complexon III folositi la titrare in prezenta de murexid
Determinarea duritatii
Duritatea totala (Dt) reprezinta continutul total de ioni de Ca2+ si Mg2+ corespunzator continutului de saruri de Ca si Mg din apa.
Determinarea duritatii totale
Mod de lucru: intr-un pahar erlenmayer se iau 100 ml proba de apa. Se introduc 5 ml solutie tampon amoniacala si 0,3 g indicator negru eriocrom. Se titreaza cu solutie complexon III 0,01N de la virajul culorii rosu pana la albastru.
Dt = (d)
n = numar de cm3solutie complexon III 0,01N folositi la titrare
0,28 = mg CaO corespunzator unui cm3solutie complexon III 0,01N
Determinarea duritatii temporare
Mod de lucru: Se iau 100 ml proba de apa si se titraza cu solutie HCl 0,1N in prezenta de metiloranj de la virajul culorii galben la portocaliu.
Dt = (d)
n = numar de ml solutie HCl 0,1N folositi la titrare
2,8 = mg CaO corespunzator unui cm3 solutie HCl 0,1N
Determinarea duritatii permanente
Continutul de cloruri si de sulfati de calciu si de magneziu formeaza duritatea permananta (Dp) a apei.
Duritatea permanenta se determina si prin diferenta intre duritatea totala (DT) si duritatea temporara (Dt).
Dp = DT – Dt
13.Determinarea aciditatii (-m)
Aciditatea apei decationate, reprezinta suma concentratiilor de ioni hidrogen corespunzatori anionilor, sulfatilor, clorurilor si nitratilor din apa care a fost trecuta prin coloana cu H – cationit. Aciditatea apei este echivalenta cu cantitatea de NaOH folosite pentru neutralizarea ionilor de H2 in prezenta de indicator mixt sau metiloranj.
(-m) = SO2-4 + Cl- + NO3-
NO3- = 0 in cazul apelor naturale
Mod de lucru: Se iau 100 ml proba de apa decationizata si se introduce intr-un pahar erlenmayer.
Se titreaza cu solutie de NaOH in prezenta de indicator mixt. Virajul culorii indicatorului are loc prin violet, cenusiu la verde. Daca in loc de indicator mixt se foloseste metiloranj, virajul culorii este de la rosu la portocaliu.
1 cm3 NaOH 0,1 mvol aciditate
(-m) [mvol/dm3] =
n = numar de ml NaOH folositi la titrare
f = factorul solutiei NaOH 0,1N folosita
V = volumul de proba luat in lucru
14. Determinarea conductivitatii electrice
Conductivitatea electrica a unei ape este o functie directa de concentratia ionica a solutiei respective. Masurarea conductivitatii permite deci o determinare indirecta a concentratiilor substantelor dizolvate in solutie.
Aceasta determinare se preteaza foarte bine pentru un control rapid al gradului de puritate al apei demineralizate, aburului sau condensatului.
Conductivitatea electrica a unei solutii nu este suma exacta a conductivitatii electrice a fiecarei substante pe care o contin. Conductivitatea electrica reprezinta inversul rezistivitatii si rezulta din relatia:
R =
in care : R = rezistenta in ohmi (
rezistivitatea in ohmi centimetri (cm
l = lungimea conductorului, in cm;
s = sectiunea conductorului in cm2 ;
iar conductivitatea C rezulta din :
C =
Deci, unitatea de masura pentru conductivitate este de cm-1 sau S/cm (Siemens/ cm). Deoarece in practica se determia valori mult mai mici, se lucreaza cu un submultiplu -1*10-6 *cm-1, adica S* 10-6/cm sauS/cm (microsimens pe centimetru)
Determinarea conductivitatii electrice se executa cu aparate numite conductometre. Functionarea conductometrului se bazeaza pe puntea electrica cu curent alternativ. Apa demineralizata trebuie sa aiba o conductivitate electrica mai mica decat 50 S/cm.
CAPITOLUL VIII
Bilant de materiale
Balanta ionica
Apa mai contine silice 8 mg/l = 0,24 mvali/l si suspansii 8 – 24 mg/l
a) Bilant pentru filtrul mecanic
Q = 35 m3/h = 420 m3/ciclu
T = 12 h
Consideram ca avem 20 mg/l suspensii
1l H2O ……………… 20mg suspensii
420* 103 lH2O……………… X
X = 8,4 kg suspensii/ciclu
Necesar de apa spalare pentru carbunele activ. S-a constatat din experienta ca este nevoie de o cantitate de apa de 6 vol/vol.
Volum carbune activ = 5,6 m3 5,6 * 6 = 33,6 m3 H2O ptr. spalare
b) Bilant pentru filtrul CC – 1
Filtrul echipat cu rasina CC – 1 retine 4,5 mvali/l Ca2+, corespunzator la 5 mvali/l HCO3- din care avem o scapare de 0,5 mvali/l.
Pe intreg ciclul se va retine:
420000 * 4,5 = 1890 vali/ciclu
Capacitatea utila a rasinii CC – 1 este 50 g CaO/l
28mg CaO/l……………..1 mval
50 * 103 mg CaO/l…………X
X = 1785 mval/l = 1785 val/m3
1. Masa de rasina necesara (M) este:
G = cantitatea de ioni retinuti pe schimbatori (Kval/m3)
Q = capacitate de schimb normala (Kval/m3)
rasina (pt. sigurata)
2. Calculul cantitatii de regenerant
Se consuma 120g regenerant HCl 100% pt. 1l rasina sub forma de solutie 3 – 5% (consideram 4% HCl).
1l rasina …………………. 120g HCl 100%
1200 l rasina ……………….. X
X = 144 kg HCl 100%
Avem la dispozitie HCl 32%
kg HCl 32%
kg HCl 4%
3. Calculul consumului propriu de apa
– consum de apa pentru afanare
V = viteza de afanare (5 – 10 m/h). Alegem viteza V = 7 m/h.
t = timpul de afanare (30 minute)
s = suprafata filtrului – se afla din formula
V poate varia intre 10 – 30 m/h. Am ales 10 m/h.
– consum de apa pentru regenerare
4 kg HCl 100%
100 kg solutie 4% HCl ……………. 96 kg H2O
100 kg solutie 4% HCl …………… 96 kg H2O
3600 kg solutie 4% HCl …………… X
X = 3,45 m3
– consum de apa la spalare
Se considera ca avem nevoie de 2 – 5 l/l (consideram 3,5 m3)
Qtotal = Qaf + Qsp + Qreg = 12,25 + 3,45 + 3,5 = 19,2 m3 H2O
4. Calculul materiilor iesite
Din filtrul carboxilic iese apa partial decationizata. Odata cu regenerarea rasinii cu HCl 4% aceasta reactioneaza cu cationii retinuti (Ca2+) si formeaza CaCl2.
n = cantitatea de cationi retinuti (mval/l) = 4,5 mval/l Ca2+
Q = debit de apa = 35 m3/h = 420 m3/ciclu
M = masa moleculara a sarii
kg CaCl2
Apa partial decationizata: 419991,6 + 209,6 = 419782 l
5. Calculul HCl nereactionat
144 kg HCl 100% echivaleaza cu: vali
Din acestia pentru schimbul ionic se volosesc 1890 vali
3945 – 1890 = 2055 vali
kg HCl 100% nereactionat
c). Bilant pentru degazor
HCO3- reprezinta 5 mval/l din care 0,5 mval/l reprezinta scapari:
5 – 0,5 = 4,5 mval/l
Apa decarbonata = 419782 – 42 = 419740
Bilant pentru degazor
d). Bilant pentru filtrul puternic acid CS – 3
Filtrul echipat cu rasina CS – 3 retine restul de cationi si anume:
Ca2+ = 0,33 mval/l; Mg2+ = 1,20 mval/l; Na = 3,40 mval/l; K = 0,11mval/l
0,33+1,20+3,40+0,11 = 5,04 mvali/l
Pe intreg se va retine:
val
1.Calculul masei de rasina
Capacitatea utila de schimb a rasinii CS – 3 este 40 g CaO/l
28 mg CaO/l……………………1mval
mg CaO/l………………..X
X = 1427 val/m3
rasina
2. Calculul cantitatii necesare de regenerant
Se consuma 150g HCl 100% pentru 1 l rasina sub forma de solutie 5 – 8% (consideram 6% HCl)
1l rasina……………………..150 g HCl 100%
1500 l rasina ………………..X
X = 225kg HCl 100%
kg HCl 32%; kg HCl 6%
3.Calculul consumului propriu de apa
– consum de apa la afanare
Qaf =
V = 10 – 15 m/h (consideram V = 15 m/h
t = 30 min
s = = 3,5m2
Qaf =
– consum de apa pentru regenerare
100 kg HCl 6%……………….94 kg H2O
6 kg HCl 100 %
100 kg HCl 6%………………. 94 kg H2O
3750 kg HCl 6%……………… X
X = 3,52 m3 H2O
– consum de apa pentru spalare
Se recomanda 3 – 7 l/l (consideram 5,48 m3)
Qtotal = 3,52+5,48+26,25 = 35,25 m3
4.Calculul materiilor rezultate
Din acest filtru iese apa decationizata si urmatoarele saruri: CaCl2, MgCl2, NaCl, KCl.
Total sare = 15,4+48,4+83,5+3,45 = 150 kg sare
Apa decationata = 419740 – 150 = 419590 l
5. Calculul HCl nereactionat
225 kg HCl 100% echivalenta cu:
Din acestia reactioneaza 2117 val
6164 – 2117 = 4047 val
kg HCl 100 % nereactionat
Bilant de materiale
e). Bilant pentru filtrul puternic bazic AT – 1
Acest filtru echipat cu rasina AT – 1 retine Cl- , SO42-, HCO3-, silice;
3,45+1,9+0,5+0,24 = 5,78 mval/l
Pe intreg ciclul se retine:
1. Calculul mase de rasina
Capacitatea utila de schimb a rasinii AT – 1 este 15 mg CO/l
28 mg CaO/l…………………………1 mval
15 * 10 mg CaO/l……………………. X
X = 535 val/m3 rasina (pt. siguranta)
2.Calculul cantitatii de regenerant
Pentru 1 l rasina sunt necesare 80 g Na OH 100% sub forma de solutie 4%
cu care facem regenerarea.
1 l rasina…………………………..80 g NaOH 100%
4200 l rasina……………………… X
X = 336 kg NaOH 100%
kg NaOH 40%, pe care il avem la dispozitie
kg NaOH 4%
3. Calculul consumului propriu de apa
– Consum de apa la afanare
V = 6 – 8 m/h (alegem V = 7 m/h)
t = 30 min
s =
– Consum de apa pentru regenerare
100 kg solutie NaOH 4% …………….. 96 kg H2O
4 kg NaOH 100%
100 kg solutie NaOH 4%…………….. 96 kg H2O
8400 kg solutie NaOH 4% …………… X
X = 8 m3
– Consum de apa la spalare
La spalare se folosesc 8 – 10 l/l (consideram Qsp = 9 m3)
Qtotal = 12,25 + 8 + 9 = 29,25 m3
4. Calculul materiilor iesite
Din acest filtru rezulta apa demineralizata si sarurile: NaCl, Na2SO4, Na2SiO3, Na2CO3.
kg NaCl
kg Na2SO4
kg Na2SiO3
kg Na2CO3
Total sare = 84,76 + 65 + 12,3 +22,24 = 184 kg sare
Apa demineralizata: 419590 – 184 = 419406 l
5. Calculul NaOH nereacitonat
336 kg NaOH echivaleaza cu: val.
Din acestia reactioneaza 2218 val. 8400 – 2218 = 6182 val
kg NaOH nereactionat
Bilant de materiale
Bilant de materiale pe intraga instalatie
Apa demineralizata pe ciclu = 419406 l
Apa demineralizata pe zi = 828812 l
Apa demineralizata pa an = 306235 m3
CAPITOLUL IX
Dimensionare
Dimensionarea filtrului cationic carboxilic
1. Determinarea diametrului coloanei
Diametrul coloanei se determina in functie de volumul de rasina si de inaltimea stratului.
Volumul de rasina este:
Inaltimea stratului poate varia intre 0,75 m min. – 1,8 m max.
Alegem 1 metru inaltimea stratului de rasina
mm
2. Determinarea inaltimii coloanei
Htotal = Hstr + Haf + Hs + Hf in care,
Hstr = inaltimea stratului de rasina (1m)
Haf = inaltimea necesara pentru afanare (se recomanda ca inaltimea necesara pentru afanare sa fie 2/3 din volumul coloanei ) (0,8m)
Hs = inaltimea de siguranta pentru dispozitia de distribuire a apei (0,4 m)
Hf = inaltimea fundurilor bombate (0,6m)
Htotal = 1 + 0,4 + 0,6 + 0,8 = 2,8 m
3.Determinarea volumului coloanei
V = volumul coloanei
s = sectiunea coloanei
m2
4. Determinarea vitezei liniare de filtrare in coloana
m/h
Q = debit de apa (m3/h)
s = sectiunea coloanei (m2)
5. Determinarea sarcinei specifice (m3/h/m3)
m3/h/m3
Q = debit de apa m3/h
V = volumul de masa (m3)
6.Determinarea pierderii de presiune
Se foloseste formula coeficientului de rezistenta pentru straturi granulare:
pierderea de presiune in strat
l = lungimea medie a tubului de pori
p = duritatea apei
suprafata totala a granulelor de rasina
W = volumul granulelor de rasina
P = porozitatea intergranulara
in care,
:
F = coeficient de forma (pentru sfera F = 0,167)
V = viteza de filtrare (m/s)
L = inaltimea stratului de rasina
Pentru a stii valoarea lui se calculeaza regimul de curgere (Rc)
d = diametru mediu al particolelor (0,9 mm = 9*10-4 m)
= viteza cinematica = 1*10-6 m/s
V = viteza de curgere prin stratul de rasina = 29 m/h = 8*10-3 m/s
Pentru Rc = 7,2 se calculeaza cu formula:
m CO/H2O
Calculul mecanic al filtrului
1. Dimensionarea mantalei cilindrice
Grosimea mantalei cilindrice sudate, supusa la presiune interioara, este data de relatia:
Pc = presiunea de calcul 6 kgf/cm2
Di = diametrul interior (cm) = 1200mm = 120 cm
= coeficient de slabire datorat coordonatelor de sudura longitudinale si circulare = 0,9 (adimensional)
C = C1 + C2
C1 = adaos pentru coroziune = 0
C2 = adaos pentru compensarea tolerantei negative de fabricatie a
tablelor STAS 437 – 67 (C2 = 0,6 mm)
a = rezistenta admisabila la incovoiere = 1320 kgf/cm2
Sc’ = Sc – C
Se calculeaza Sc’ care este comun pentru toate filtrele de acelasi diametru, urmand ca in final sa se suplimenteze cu valoarea C = 0,6 mm pentru filtrele cauciucate.
cm
Sc’ + C = 0,36 + 0,06 = 0,42 cm =4,2 mm
2. Solicitarea efectiva in timpul probei hidraulice a mantelei cilindrice
efh = efortul unitar efectiv in timpul probei hidraulice, timp de 10 minute (kgf/cm2)
ah = efortul unitar admis in timpul probei hidraulice, timp de 10 minute (kgf/cm2)
Pph = presiunea de proba hidraulica = 9 kgf/cm2
kgf/cm2
<1680
3. Dimensionarea fundurilor bombate
Grosimea fundului supus la presiune interioara se determina cu relatia:
Sf = grosimea de calcul a fundurilor
Rc = raza de bombare a fundurilor
ri = raza de bordurare a fundurilor
Y = coeficient de forma
mm
4. Calculul placilor cu duze ale filtrelor cauciucate
Placile cu duze s-au asimilat cu placi plane, perforate, incastrate pe contur, cu o sarcina uniform distribuita – P3 = 0,7 kgf/cm2.
Grosimea placii este data de relatia:
cm
Sp = grosiea de calcul a placii cu duze (cm)
d = diametrul de asezare al suportilor (cm) = 120 cm
Ps = 0,7 kgf/cm2 – presiunea admisa pe placa cu duze
= coeficient de slabire al placii (0,65)
a = efort unitar admis pentru placa cu duze 1300 kgf/cm2
cm
5. Calculul fundului bombat al gurii de vizita inferioare
Fundul de vizita al gurii de vizita inferioare s-a asimilat in calcul cu un fun sferic neracordat, intarit prin flansa, supus presiunii interioare.
Grosimea este data de relatia:
; C1 = 0
cm
Pentru filtrele cauciucate se ia So = 6 mm.
6. Calculul fortei totale care actioneaza pe placa cu duze
Aceasta forta este data de relatia:
kgf
Forta care actioneaza pe un suport al placii cu duze (teava dese determina in urmatoarele ipoteze:
forta se repartizeaza uniform pe fiecare suport
se neglijeaza forta preluata de imbinarea placa – corp:
F1 = F = 7700 kgf
7. Verificarea suportilor filtrului
Verificarea se face la compresiune statica in urmatoarele ipoteze:
filtrul este plin cu apa
din 4 suporti existenti filtrul se sprijina numai pe 3
G = Gf + V
in care,
G = greutatea totala (kgf)
Gf = greutatea maxima a filtrului gol (kgf)
V = volumul maxim al filtrului (m3)
= greutatea specifica a apei (kgf/cm2)
G1 = greutatea repartizata pe un suport (kgf)
A = aria sectiunii transversale a suportului (cm2)
cef = efort unitar de compresiune efectiv (kgf/cm2)
= 1000kgf/cm2
= efortul unitar admis pentru compresiune
G = Gf + Vkgf
kgf
kgf 956 < 1000
8. Calculul intaririi orificiilor
Diametrul maxim pana la care orificiile nu trebuie intarite:
dmax =
K = in care,
Di = diametrul interior al filtrului (cm )
S = grosimea corpului (cm)
Pc = presiunea de calcul = 6kgf/cm2
kgf/cm2
K =
dmax = cm
Verificarea urechilor de ridicare
Fiecare filtru este prevazut cu cate doua urechi de ridicare (pentru manevre in executie si montaj) conform N 2064 – 68 (fig. de mai jos )
Verificarea se face la forfecare in sectiunea periculoasa (de rupere) in ipoteza ca toata sarcina filtrului este preluata de o singura ureche.
kgf/cm2
kgf ; S = 16 mm; R = 45 mm; d = 40 mm
kgf/cm2 < 1000 kgf/cm2
10.Calculul flanselor 1200
Dimensiunile flanselor au fost alese constructiv. Flansele au fost consolidate pe corp cu gusee din 2 in 2 suruburi.
l1 = R + 0,5 g1; l2 = ; l3 = ; R =
C = 134cm; B = 120cm; g1 = 0,6cm; G = 125,3cm; A = 140cm; S = 3,75cm
R =cm; l1 = cm
l3 = cm; l2 = cm
Forta data de presiunea pe suprafata limitata de marginea inferioara a flansei. kgf
Forta egala cu diferenta dintre eforturile create de forta intreaga datorita presiunii si a fortei P1: kgf
Forta in suruburi in conditiile de lucru:
kgf
(s-a adoptat m = 0,5 pt. cauciuc t)
Forta minima pentru strangerea plastica a garniturii cu ajutorul suruburilor: q0 = 0 pentru cauciuc moale
Forta care actioneaza asupra garniturii:
kgf
Momentele incovoietoare sunt:
M1 = kgf/cm
M2 = kgf/cm
M3 = kgf/cm
Mtotal = M1 + M2 + M3 = 468000+34700+38700 = 541400 kgf/cm
11.Verificarea suruburilor flanselor
Suruburile se ridica la intindere. in care,
ef = efortul unitar de intindere (kgf/cm2)
Psl = forta totala din suruburi kgf
di = diametrul interior al filetului suruburului (cm )
z = nr. de suruburi
di = 2,62 cm , z = 32; kgf/cm2
ef < a = 1370 kgf/cm2 480 <1370 kgf/cm2
CAPITOLUL X
Automatizarea instalatiei
La statia de tratare a apei, procesul de demineralizare decurge in operatii succesive, care trebuie sa aiba loc in anumite intervale de timp. In timpul functionarii este necesar a se lua probe pentru analize (PH, alcalinitate, aciditate, etc.) pentru a urmarii buna functionare a filtrelor ionice. Alimentarea coloanelor cu apa care se trateaza si cu solutii pentru regenerarea maselor ionice, in acelasi sens, precum si in sensuri contrare de curgere necesita un numar mare de vane, a caror exploatare este dificila. Pentru conducerea corecta a statiei de tratare a apei este nevoie de o automatizare sau cel putin semiautomatizare a statiei. La statia de tratare a apei din cadrul intreprinderii „Stela”, practic nu este vorba de o automatizare ci de o semiautomatizare. Pentru semiautomatizare s-au prevazut urmatoarele:
controlul apei tratate se face automat cu PH-metrul si conductometrul;
manometru tehnic indicator pentru intrare apa industriala;
manometru tehnic pentru intrare abur 3 atm.;
caderea de presiune pe filtrele 1/1,2 si 2/1,2 este indicata de 4 manometre cu tub U;
pentru refulare pompe 6/1,2, 22/1,2, 14/1,2 exista 6 manometre cu membrana de separatie;
pentru intrare apa industriala s-au prevazut o diafragma de masura, un detector de presiune diferentiala cu contorizator local si o baterie de 3 robinete;
pentru intrare filtru 1/1,2 s-a prevazut o diafragma de masura, un detector de presiune diferentiala cu indicator local si o baterie de 3 robineti;
pentru apa demineralizata care merge la dedegazorul tehnic pentru cazane s-au prevazut urmatoarele: o diafragma de masura, un detector de presiune diferenriala cu contorizator local si o baterie de 3 robineti;
pentru vasul de HCl este prevazut un rotametru indicator;
de asemenea pentru vasul de NaOH este prevazut un rotametru indicator;
pentru apa la vasul poz. 20 s-au prevazut: o diafragma de masura, un detector de presiuna diferentiala cu indicator local si o baterie de 3 robineti;
pentru indicarea nivelului de apa din vasul poz. 5 s-a prevazut un indicator de nivel semnalizator;
pentru indicarea nivelui solutiei de HCl in rezervorul de zi poz. 15 s-au prevazut de asemenea un indicator semnalizator de nivel si un ventil electro-magnetic de blocare;
pentru vasul de NaOH de asemenea s-au prevazut un indicator semnalizator de nivel si un ventil electro-magnetic de blocare.
Aparatura prevazuta este in majoritate fabricata in tara. Din import s-au procurat semnalizatoarele de nivel pentru medii corotive, ventilele electro-magnetice si rotametrele pentru masurarea debitelor pe conducte cu diametrul sub 50 mm.
CAPITOLUL XI
Norme de protectia muncii
In tara noastra protectia muncii este o problema de stat si face parte integranta din procesul de munca.
Protectia muncii are drept scop asigurarea celor mai bune conditii de lucru, prevenirea accidentelor, cat si a imbolnavirilor profesionale.
In cadrul sectiei de tratare a apei, functie de specificul utilajelor, principalele surse de accidentare sunt urmatoarele:
Operatii cu fluide agresive (HCl, NaOH);
Elemente mobile periculoaseale utilajelor (cuplajele electromotoarelor cu pompe);
Actiunea curentului electric (in cazul unor parti metalice ale instalatiilor electrice nelegate la pamant).
Masurile principale prevazute pentru evitarea accidentelor ce por fi cauzate din motivele aratate mai sus sunt urmatoarele:
mansoane metalice la racordurile de pe traseul de acid si soda;
aparatori adecvate de protectie la elemtele mobile periculoase ale utilajelor;
racordarea canalizarii chimic impure la o instalatie de neutralizare;
legarea la pamant a tuturor partilor metalice ale instalatiei care accidental ar putea ajunge sub tensiune;
amplasarea utilajelor ce contin lichide gresive in cuve captusite antiacid in vederea evitarii raspandirii lichidelor agresive scurse accidental;
o atentie deosebita la manipularea HCl si NaOH;
dotarea personalului cu echipament de protectie si interventie;
la efectuarea tuturor operatiilor de interventie este obligatorie pertarea de catre personal a echipamentului de protectie individual;
toate operatiile in caz de avarii vor fii efectuate de personal competent;
se va face instruirea muncitorilor la angajare si periodic si se vor afisa masurile de prim ajutorin caz de accidente;
conductele prin care circula fluidele agresive se vor marca prin vopsire in culorile STAS pentru mediul respectiv;
pentru preintampinarea deversarilor de acid sau soda, vasele respective sunt prevazute cu indicatoarede nivel cu inchidere automata a ventilului montat pe conducta de aductiune;
toate utilajele care lucreaza cu solutii acide sau alcaline au fost asezate in cuve placate antiacid, cu evacuari corespunzatoare la bazinul de neutralizare;
la montajul utilajelor s-a avut in vedere o amplasare judicioasa, care asigura o buna exploatare, respectandu-se fluxul de materiale si distantele regulamentare intre utilaje;
in toate incaperile de lucru este prevazute o incalzire si ventilatie corespunzatoare;
pentru a asigura personalui sectiei conditii optime, au fost prevazute grupuri sociale si sanitare;
toate masurile luate in vederea asgurarii protectiei si securitatii muncii sunt concretizate in proiectele de specialitate prin devizele respective;
concentratia maxima prevazuta pentru HCl este de 0,01mg/l. Vaporii de HCl produc usturimi ale ochilor si cailor respiratorii, iar in concentratii mai mari tuse violenta, imbolnaviri grave a plamanilor. Solutia produce arsuri ale pielii;
in cazul arsurilor cu HCl, pentru piele se foloseste o solutie de NaHCO3 7%, iar pentru ochi o solutie de 2% NaHCO3;
in cazul arsurilor cu Naoh, pentru piele se foloseste o solutie de CH3COOH 5%, iar pentru pchi se folosestede CH3COOH 2%.
Echipamentul de protectie si de lucru pentru ingineri, tehnicieni si muncitorii este urmatorul:
costum antiacid;
cisme cauciuc antiacide;
manusi de protectie;
sort tehnoplast;
ochelari protectie;
masca contra gazelor cu anexe.
Pentru laboranti echipamentul este urmatorul:
halat panza;
sort tehnoplast;
boneta panza;
manusi cauciuc subtiri;
ochelari protectie;
pantofi fete panza.
Echipamentul de interventie si prim ajutor cuprinde urmatoarele:
dulap sanitar;
aparat portativ pentru respiratie artificiala tip „ELECTROMETALICA” Ploiesti;
detector portativ de gaze.
In caz de incendii sectia este dotata cu:
stingator portativ cu spuma chimica;
stingator portativ cu CO2 + praf marimea 7.
CAPITOLUL XII
Amplasarea utilajelor
Prin amplasarea utilajelor trebuie sa se asigure cele mai bune conditii de exploatare a instalatiei. De asemenea la amplasarea utilajelor trebuie sa se tina cont de respectarea normelor de protectia muncii. Intre utilaje trebuie sa existe anumitespatii obligatoriu respectate.
La amplasarea utilajelor trebuie sa se asigure protectia contra coroziunii.
Trebuie sa se tina seama de influenta conditiilor atmosferice si de apropierea de alte obiective industriale care pot polua atmosfera cu substante toxice.
La statia de tratare a apei unele utilaje sunt amplasate interior, intr-o incapere, (L = 20 m, l = 10 m) iar altele sunt amplasate exterior.
Utilajele plasate in exterior sunt: bazinul de neutralizare, degazorul pentru ca CO2 pleaca in atmosfera si bazinul cu apa care se scurge prin partea inferioara a degazorului.
Celelalte utilaje sunt amplasate in interior in asa fel incat sa permita o cat mai buna desfasurare a fluxului tehnologic. Lagatura dintre utilajele din exterior si cele din interior se realizeaza prin conducte, care trebuie izolate contra inghetului.
Utilajele interioare sunt plasate de o parte si de alta a incaperii, central, existand un culoar de trecere, in extremitatile incaperii existand 2 usi de acces.
Iluminatul incaperii se realizeaza atat natural cat si artificial.
In culoarul de la subsol sunt plasate conductele de aductiune a energiei termice, cabluri electrice, etc.
Capitolul xiii
calculul tehnico-economic
A. Costul utilajelor
B. Materii prime
C. Utilitati
D. Salarii directe
E. Cheltuielile sectiei de fabricatie
Amortizarea utilajelor tehnologice
Pentru amortizarea utilajelor se iau 12,6% din costul utilajelor si revine:
lei
– costul constructiilor
Pentru constructiile acoperite se platesc 1.100 lei/m2 de constructie. Sectia de demineralizare a apei este construita pe un teren cu dimensiunile: L = 20, l = 10.
S = 20 x 10 = 200 m2
Costul constructiilor = 200 x 1.100 = 220.000 lei
– costul instalatiilor aferente
Retea, apa, canal, etc., se ia 15% din valoarea constructiilor:
lei
Amortizarea constructiilor aferente si a instalatiilor aferente, se considera 1,6% din valoarea lor:
lei
Reparatii si intretinere
Se ia 2 – 3% din valoarea utilajelor si constructiilor insumate:
lei
Cheltuieli cu salarii si forta de munca
– constructii sociale
Se iau 13% din valoarea tuturor salariilor insumate:
lei
– protectia muncii
Se considera 8% din salariile directe:
lei
– incalzire iluminat
Se ia 10% din totalul fondului:
N = 196.467 + 220.000 + 33.000 + 4.048 + 45.312 + 87.600 + 33.852 + 13.842
+ 1.500 = 635.633 lei
lei
TOTAL = 635.633 + 63.563 = 699.196 lei
F . Cheltuieli generale ale intreprinderii
Se considera 50% din suma fondurilor C si D:
lei
Pret de cost pe m3 apa demineralizata
Productia anuala de apa demineralizata este de:
419.406 x 2 x 365 = 306.235 m3/an
Pretul de cost pe m3 apa = 10 lei/m3 : lei/m3
bibliografie
1. Schimbatori de ioni. Tipuri, schimb ionic si aplicatii – Tudor Ionescu
2. Aplicatii ale schimbatorilor de ioni in industrie – Tudor Ionescu
3. Tehnologie chimica generala (vol. I) – Tudor Ionescu
4. Schimbatori de ioni, clasificare, caracteristici si tabele uzuale – Combinatul chimic Victoria
5. Cartea laborantului de la tratarea apelor – L. Negulescu si C. Susman
6. Proiectarea instalatiilor pentru desalinizarea apelor – A.A Kastalschi
7. Filtrele instalatiilor de epurare a apelor – A.A. Kastalschi si V.A. Kliaciko
8. Operatii si utilaje – E. Bratu
9. Utilaje in industria chimica – D.A. Domasnev
10. Calculul si cunstructia utilajului chimic – M. Renert si Tanase G.
11. Rezistenta materialelor – Gh. Buzdugan
12. Manualul inginerului mecanic – Hütte
13. Recipiente sub presiune – Norma interna Deparlamentala Nr. 1828-64
14. Utilaje pentru tratarea apei (filtre) – Breviar de calcul T-39087-1969
15. Sinteza, analiza si utlizarea schimbatorilor de ioni (vol. I – II) – Combinatul chimic Victoria
16. Noutati in domeniul schimbatorilor de ioni – Culegere de traduceri
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Demineralizarea Apei cu Schimbatori Ioni (ID: 155512)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.