Các quá trình trao đổi ion cơ bản trong xử lý nước
Các quá trình trao đổi ion cơ bản trong xử lý nước bao gồm quá trình làm mềm nước (loại bỏ độ cứng của nước), khử kiềm (loại bỏ bicarbonate), khử cation (loại bỏ tất cả các cation), khử khoáng (loại bỏ tất cả các ion), loại bỏ nitrat và loại bỏ có chọn lọc các chất gây ô nhiễm khác nhau.
Làm mềm nước
Nước tự nhiên chứa các ion canxi và magie tạo các muối không hoàn tan. Các cation này cùng với các cation strontium và barium ít phổ biến hơn và thậm chí ít hòa tan hơn, được gọi là các ion độ cứng. Khi nước bay hơi các cation này kết tủa. Đây là những gì bạn thấy khi để nước bay hơi trong một ấm đun nước sôi trên bếp.
Nước cứng hình thành cặn trong ống nước và trong nồi hơi, nó có thể tạo ra cặn trong bia và nước ngọt.
Nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh SAC được sử dụng ở dạng natri loại bỏ các cation cứng này khỏi nước. Các hạt nhựa trao đổi ion cation khi được tái sinh bằng dung dịch muối.
Phản ứng
Dưới đây là ví dụ về canxi
2 R-Na + Ca ++ ⇔ R 2 -Ca + 2 Na +
R đại diện cho nhựa, ban đầu ở dạng natri. Phản ứng cho magiê là giống hệt nhau.
Phản ứng trên là trạng thái cân bằng. Nó có thể được đảo ngược bằng cách tăng nồng độ natri ở phía bên phải. Điều này được thực hiện với NaCl và phản ứng tái sinh là:
R 2 -Ca + 2 Na + ⇔ 2 R-Na + Ca ++
Điều xảy ra với nước
Độ mặn của nước là không thay đổi, chỉ có độ cứng đã được thay thế bằng natri. Một độ cứng còn lại nhỏ vẫn còn đó, giá trị của nó tùy thuộc vào điều kiện tái sinh.
Bài viết:
- Tái sinh nhựa trao đổi ion là gì – Các phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion
- Nhựa trao đổi ion là gì – Các loại nhựa trao đổi ion
Chất lượng nước đã xử lý (độ cứng còn lại)
| Tái sinh đồng dòng: | Phụ thuộc vào thành phần nước và mức tái sinh |
| Tái tạo dòng chảy ngược: | <0,02 meq / l (1 mg / l là CaCO 3 ) |
Ứng dụng của làm mềm nước bằng nhựa trao đổi ion
- Xử lý nước cho nồi hơi áp suất thấp
- Ở châu Âu, hầu hết các máy rửa chén đều có hộp làm mềm ở đáy máy
- Các nhà máy bia và nước giải khát xử lý nước cho các sản phẩm của họ bằng các loại nhựa thực phẩm
Làm mềm nước không làm giảm độ mặn của nó: nó chỉ loại bỏ các ion cứng và thay thế chúng bằng natri, các muối có độ hòa tan cao hơn nhiều, vì vậy chúng không tạo thành cặn hoặc cặn.
Tham khảo: Làm mềm nước là gì – Các phương pháp làm mềm nước
Khử kiềm nước
Quá trình đặc biệt này sử dụng nhựa cation có tính axit yếu. Loại nhựa này có khả năng loại bỏ độ cứng khỏi nước khi nó cũng chứa độ kiềm. Sau khi xử lý, nước có chứa carbon dioxide, có thể được loại bỏ bằng tháp khử khí. Nhựa cation được tái sinh rất hiệu quả với một axit, thường là axit clohydric.
Phản ứng
Dưới đây là ví dụ về canxi:
2 rh + Ca ++ (HCO 3 – ) 2 ⇒ R 2 -Ca + 2 H + + 2 HCO 3 –
và các cation hydro kết hợp với các anion birarbonate để tạo ra carbon dioxide và nước:
H + + HCO 3 – ⇒ CO 2 + H 2 O
Điều gì xảy ra với nước
Tái hợp hydro và bicarbonate và loại bỏ cacbon dioxide bằng chất khử
Độ mặn đã giảm, độ cứng tạm thời không còn nữa
Chất lượng nước đã xử lý (sau khi khử khí)
| Độ cứng tạm thời | Thực tế 0 |
| Tổng độ cứng | = FMA |
| giá trị pH | 6 đến 7 |
Khử kiềm được sử dụng:
- Trong nhà máy bia
- Trong các bộ lọc nước uống hộ gia đình
- Đối với nồi hơi áp suất thấp
- Là bước đầu tiên trước khi trao đổi SAC trong việc khử khoáng
Khử kiềm làm giảm độ mặn của nước, bằng cách loại bỏ các cation cứng và anion bicarbonate.
Khử cation trong nước
Việc loại bỏ tất cả các cation hiếm khi được thực hiện ngoại trừ như là giai đoạn đầu tiên của quá trình khử khoáng nước hoặc đôi khi được sử dụng trước cột nhựa trao đổi ion hỗn hợp.
Nhựa được sử dụng là nhựa trao đổi cation có tính axit mạnh SAC ở dạng H+
Phản ứng
Dưới đây là ví dụ về natri, nhưng tất cả các cation phản ứng theo cùng một cách:
Rh + Na + ⇒ R-Na + H +
Phản ứng cân bằng được đảo ngược để tái sinh bằng cách tăng nồng độ hydro ở phía bên phải. Điều này được thực hiện với một axit mạnh, HCl hoặc H 2 SO 4 :
R-Na + H + ⇒ Rh + Na +
Điều gì xảy ra với nước
Trong bước thứ hai, một bộ khử khí được sử dụng một lần nữa để loại bỏ carbon dioxide được hình thành bằng cách kết hợp các anion bicarbonate và cation hydro được giải phóng. Độ mặn của nước giảm và nước có tính axit. Một rò rỉ natri nhỏ được hiển thị.
Chất lượng nước đã xử lý (sau khi khử khí)
| Tổng độ cứng | 0 |
| Na (đồng dòng regen.) | 0,5 đến 1 mg / L |
| Na (regen dòng chảy ngược.) | <0,1 mg / L |
| giá trị pH | 2 đến 5 |
| FMA | Không thay đổi |
| CO 2 | 0,2 đến 0,3 meq / L |
Nếu độ cứng không bằng 0, hệ thống khử cation gặp vấn đề.
Khử khoáng nước
Đối với nhiều ứng dụng, tất cả các ion trong nước phải được loại bỏ. Đặc biệt, khi nước được làm nóng để tạo hơi nước, bất kỳ tạp chất nào cũng có thể kết tủa và gây ra thiệt hại. Vì có cation và anion trong nước, chúng ta phải sử dụng hai loại nhựa khác nhau: bộ trao đổi cation và bộ trao đổi anion. Sự sắp xếp kết hợp này tạo ra nước tinh khiết. Khử khoáng nước còn được gọi là khử ion nước . Nhựa cation được sử dụng ở dạng hydro (H + ) và nhựa anion ở dạng hydroxyl (OH – ), do đó nhựa cation phải được tái sinh bằng axit và nhựa anion bằng kiềm.
Thiết bị khử khí được sử dụng để loại bỏ carbon dioxide được tạo ra sau khi trao đổi cation khi nước có chứa nồng độ bicarbonate đáng kể.
Nhựa cation thường được đặt trước nhựa anion: nếu không, nếu nước chứa bất kỳ độ cứng nào, nó sẽ kết tủa trong môi trường kiềm do nhựa anion OH tạo thành như Ca (OH) 2 hoặc CaCO 3 , có độ hòa tan thấp.
Hệ thống SAC – (DEG) – SBA (cation mạnh – khử khí – anion mạnh)
Trước tiên chúng ta hãy xem xét một hệ thống khử khoáng đơn giản bao gồm nhựa trao đổi cation axit mạnh ở dạng H + , chất khử khí (tùy chọn) và nhựa trao đổi anion bazơ mạnh ở dạng OH. Bước đầu tiên là quyết định như hình trên:
R SAC -H + Na + ⇒ R SAC -Na + H +
Với canxi canxi của natri (cũng có giá trị đối với magiê và các cation hóa trị hai khác):
2 R SAC -H + Ca ++ ⇒ (R SAC ) 2 -Ca + 2 H +
Trong bước thứ hai, tất cả các anion được loại bỏ bằng nhựa gốc mạnh:
R SBA -OH + Cl – ⇒ R SBA -Cl + OH –
Các axit yếu được tạo ra sau khi trao đổi cation, đó là axit carbonic và axit silicic (H 2 CO 3 và H 2 SiO 3 ) được loại bỏ theo cùng một cách:
R SBA -OH + HCO 3 – ⇒ R SBA -HCO 3 – + OH –
Và cuối cùng, các ion H + được tạo ra trong bước đầu tiên phản ứng với các ion OH – của bước thứ hai để tạo ra các phân tử nước mới. Phản ứng này là không thể đảo ngược:
H + + OH – ⇒ H 2 O
Điều gì xảy ra với nước
1.Trao đổi cation loại bỏ tất cả các cation (như trong decationisation) theo sau là khử khí:
- Trao đổi anion loại bỏ tất cả các anion (axit mạnh và yếu)
Chất lượng nước đã xử lý
| Độ dẫn điện (tái sinh đồng dòng.) | 5 – 25 µS/cm |
| Độ dẫn điện (tái sinh dòng chảy ngược.) | <1 µS / cm |
| Silica dư (đồng lưu lượng) | 50 đến 200 µg / L |
| Silica dư (dòng chảy ngược) | 5 đến 40 µg / L |
| Natri dư | Xem phần xác định ở trên |
| giá trị pH | Về nguyên tắc> 7 Không sử dụng pH làm tham số kiểm soát |
Nước khử khoáng hoàn toàn không chứa các ion, ngoại trừ một ít dấu vết còn lại của natri và silica, vì nhựa SAC và SBA có độ chọn lọc thấp nhất đối với chúng. Với dòng khử khoáng đơn giản được tái sinh trong dòng chảy ngược, nước được xử lý có độ dẫn điện chỉ khoảng 1 µS/ cm và lượng silica còn lại trong khoảng từ 5 đến 50 µg /l tùy thuộc vào nồng độ silica trong nước cấp và trong điều kiện tái sinh.
Lưu ý rằng giá trị pH không nên được sử dụng như một biện pháp kiểm soát quá trình, vì không thể đo độ pH của nước với độ dẫn nhỏ hơn 5 µS / cm.
Tái sinh
Nhựa SAC được tái sinh bằng axit mạnh, HCl hoặc H 2 SO 4 :
R-Na + H + ⇒ Rh + Na +
Và nhựa SBA được tái sinh với chất kiềm mạnh, NaOH trong 99% trường hợp:
R SBA -Cl + OH – ⇒ R SBA -OH + Cl –
Bố trí WAC / SAC – DEG – WBA / SBA (cation yếu/cation mạnh – khử khí – anion yếu/anion mạnh
Bởi vì các loại nhựa có tính axit và yếu có khả năng hoạt động cao và rất dễ tái sinh, chúng được sử dụng kết hợp với các loại nhựa có tính mạnh trong các nhà máy lớn. Bước đầu tiên với nhựa WAC là tùy thuộc (loại bỏ độ cứng bicarbonate) và bước thứ hai với SAC loại bỏ tất cả các cation còn lại. Một loại nhựa WAC được sử dụng khi cả độ cứng và độ kiềm đều có ở nồng độ tương đối lớn trong nước cấp.
Nhựa WBA chỉ loại bỏ các axit mạnh sau khi trao đổi cation. Chúng không có khả năng loại bỏ các axit yếu như SiO 2 và CO 2 . Ở dạng bazơ tự do được tái sinh, chúng không bị phân ly, do đó không có ion OH – tự do có sẵn để trao đổi anion trung tính. Mặt khác, tính cơ bản của chúng đủ để hấp thụ các axit mạnh được tạo ra sau khi trao đổi cation:
R WBA + H + Cl – ⇒ R WBA .HCl
Trong bước cuối cùng, nhựa SBA được yêu cầu để loại bỏ các axit yếu, như được trình bày trong phần trước:
R SBA -OH + HCO 3 – ⇒ R SBA -HCO 3 – + OH –
Điều gì xảy ra với nước
Trao đổi cation bắt đầu bằng việc loại bỏ độ cứng tạm thời (WAC, như trong khử kiềm), sau đó loại bỏ tất cả các cation còn lại (SAC):
Trao đổi anion bắt đầu sau khi khử khí bằng cách loại bỏ axit mạnh (WBA), sau đó loại bỏ axit yếu (SBA):
Một dòng khử khoáng đầy đủ được hiển thị bên dưới, với cột trao đổi cation (WAC / SAC), bộ khử khí, cột trao đổi anion (WBA / SBA) và bộ phận đánh bóng hỗn hợp. Việc sử dụng nhựa có tính axit yếu và cột khử chất được điều hòa bởi sự có mặt của độ cứng và độ kiềm trong nước cấp, như đã giải thích trong các phần trước.
Tái sinh
Tái sinh được thực hiện một cách kỹ lưỡng điều đó có nghĩa là chất tái sinh trước tiên đi qua nhựa mạnh, đòi hỏi dư thừa chất tái sinh và chất tái sinh không được tiêu thụ bởi nhựa mạnh thường đủ để tái tạo nhựa yếu mà không cần thêm liều.
Các loại nhựa cation được tái sinh bằng một axit mạnh, tốt nhất là HCl, vì H 2 SO 4 có thể kết tủa canxi.
Các loại nhựa anion được tái sinh bằng xút.
Chất lượng thu được giống như trong cách bố trí SAC-SBA đơn giản, nhưng do nhựa yếu được tái sinh thực sự “miễn phí”, nên mức tiêu thụ tái sinh thấp hơn đáng kể. Ngoài ra, các loại nhựa yếu có công suất hoạt động cao hơn các loại nhựa mạnh, do đó tổng khối lượng nhựa trao đổi ion bị giảm.
Khử khoáng nước thường được sử dụng trong:
- Nước cho nồi hơi áp suất cao trong các nhà máy năng lượng hạt nhân và năng lượng than và các ngành công nghiệp khác.
- Xử lý nước cho nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, dệt may và giấy.
- Nước cho sản xuất pin.
- Nước cho các phòng thí nghiệm.
- Rửa nước dùng trong sản xuất chip máy tính và các thiết bị điện tử khác.
Xử lý loại bỏ nitrat
Nitrate có thể được loại bỏ một cách chọn lọc khỏi nước uống bằng cách sử dụng nhựa anion bazơ mạnh trong chu trình clorua, tức là được tái sinh bằng nước muối NaCl. Phản ứng là:
R SBA -Cl + SO 3 – ⇒ R SBA -NO 3 + Cl –
Điều gì xảy ra với nước
Nhựa SBA thông thường có thể được sử dụng, nhưng chúng cũng loại bỏ sunfat khỏi nước.. Tùy thuộc vào loại nhựa, một số (nhựa chọn lọc) hoặc tất cả (không chọn lọc) sunfat được loại bỏ. Bicarbonate chỉ được loại bỏ một phần khi bắt đầu chạy dịch vụ.
Chất lượng nước đã xử lý
Phụ thuộc vào thành phần nước, mức độ tái sinh và chế độ tái sinh.
Chỉ sử dụng tái tạo dòng chảy ngược. Dự kiến rò rỉ NO 3 với RFR: 2 đến 10 mg / L.
Sử dụng IXCalc để ước tính chính xác. Một nền sunfat cao sẽ làm tăng rò rỉ.
Bài viết: Phương pháp tính toán thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước
