Phương pháp tính toán thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước

Phương pháp tính toán thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước cung cấp thông tin giúp bạn tính toán lựa chọn  hạt nhựa trao đổi ion, tính toán thời gian lọc và tái sinh để đảm bảo rằng một hệ thống trao đổi ion được thiết kế tiết kiệm và đạt được hiệu suất tốt nhất.

Khi thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước cần quan tâm xem xét đến thông số cơ bản sau:

• Kết quả phân tích nước cấp
• Công suất của thiết bị
• Chiều dài chu kỳ lọc
• Yêu cầu chất lượng nước sau xử lý
• Công nghệ tái sinh
• Kích thước cột
• Lựa chọn các loại nhựa.

Nguyên tắc thiết kế cột trao đổi ion trong xử lý nước này chủ yếu tập trung vào thiết kế cột trao đổi ion trong hệ thống khử khoáng, nhưng hầu hết các nguyên tắc này có thể áp dụng cho các quá trình trao đổi ion khác như: làm mềm nước, khử nitrat, …

Kết quả phân tích nước cấp

Tất cả các hệ thống trao đổi ion được thiết kế xử lý một loại nước cấp nhất định. Chính vì vậy điều đầu tiên cần làm là có kết quả phân tích nguồn nước cấp cần xử lý. Kết quả phân tích nước sẽ cung cấp thông tin để xác định sự kết hợp nhựa trao đổi ion nào là cần thiết. Thông thường chúng ta cần tập trung quan tâm đến các thành phần vô cơ hòa tan trong nước, cụ thể như:

• Canxi và magie là độ cứng toàn phần TH
• Bicacbonate, cacbonate và hydroxit là tổng độ kiềm . Thông thường nước tự nhiên không chứa cacbonate hoặc hydroxide.
• Clorua, sunfat và niatrat là độ axit khoáng tương đương (EMA) còn được gọi là muối của axit mạnh (SSA) hoặc sau khi trao đổi cation, độ axit khoáng tự do (FMA)
• Khi độ cứng lớn hơn độ kiềm (tính bằng meq/l), độ cứng bicacbonate được gọi là độ cứng tạm thời (=TH-kiềm) và độ cứng còn lại còn được gọi là độ cứng vĩnh cửu. Giá trị của độ cứng tạm thời sau đó bằng với độ kiềm tính bằng meq/l
• Khi độ cứng nhỏ hơn độ kiềm (tính bằng meq/l) thì không có độ cứng vĩnh cửu và độ cứng tạm thời bằng tổng độ cứng.

Tất cả nước tự nhiên đều cân bằng ion tức là tổng số cation trong nước bằng tổng số anion.

Các ion khác thường xuất hiện dưới dạng dấu vết nhưng đôi khi không đáng kể có thể được kết hợp với các yếu tố trên:

1. Bari và strontium là các kim loại kiềm thổ và do đó thuộc về độ cứng
2. Để tính toán với phần mềm trao đổi ion bạn cũng có thể thêm Fe²⁺, niken Ni²⁺ và Cu²⁺ vào nhóm độ cứng
3. Amoni và kali được xử lý như natri
4. Lithium cũng phản ứng như natr
5. Phốt phát thuộc về EMA
6. Florua, bromide và iodde là halogenua hoạt động như clorua

Các loại nhựa tiêu chuẩn có thể có ái lực kém đối với một số các ion này chẳng hạn như Li và F. Ngoài ra các thành phần khác có thể có trong nước như nhôm, asen, và nhiều kim loại khác có thể phức tạp và hoạt động như anion và đôi khi việc loại bỏ chúng rất khó khăn.

Cụ thể đối với bari và strontium

• Độ hòa tan của barium sulphate chỉ là 2mg/l thấp hơn hàng nghìn lần so với canxi sunfat.
• Ba và Sr không được loại bỏ tốt trên nhựa WAC (nhựa trao đổi cation axit yếu). Các loại nhựa này có ái lực với Ba và Sr thấp hơn so với Ca và Mg.
• Ba và Ra được loại bỏ rất tốt trên nhựa SAC (hạt cation mạnh). Vì vậy tái sinh có thể khó khăn.

Công suất của thiết bị

Điều quan trọng là phải biết liệu hệ thống sẽ hoat động ở tốc độ dòng không đổi hay thay đổi. Một số thiết kế cột trao đổi ion yêu cầu tốc độ dòng chảy tối thiểu.  Nhìn chung không nên ngừng hoạt động và khởi động lại hệ thống, vì như vậy chất lượng nước được xử lý có thể bị ảnh hưởng sau khi dừng không theo quá trình tái sinh

Chiều dài chu kỳ lọc

Một chiều dài chu kỳ ngắn là mong muốn trong hầu hết các trường hợp. Giới hạn thực tế là quá trình sản xuất nên ít nhất là quá trình tái sinh. Vì hầu hết các hệ thống trao đổi ion được tái tạo tự động, thời gian của quá trình sản xuất không phải là “ít nhất một ngày” như quy luật tại thời điểm đó (nhiều thập kỷ trước) khi ca sáng sẽ tái sinh thủ công mỗi ngày vào lúc 7 giờ ‘đồng hồ. Các hệ thống hiệu quả đã được thiết kế với thời gian chạy ngắn nhất là 3 giờ.

Bài viết: Tái sinh nhựa trao đổi ion là gì – Các phương pháp tái sinh nhựa trao đổi ion

Các giới hạn của thời gian chạy cũng liên quan đến động học nhựa. Khi đọc bảng dữ liệu sản phẩm nhựa trao đổi ion, thông thường bạn sẽ thấy tốc độ dòng chảy cụ thể trong xử lý nước phải nằm trong khoảng từ 5 đến 50 thể tích giường mỗi giờ (m ³ / h trên m ³ nhựa). Ở tốc độ dòng chảy thấp hơn, phân phối thủy lực trong lớp nhựa có thể kém, và ở tốc độ dòng chảy cao hơn, hiệu ứng động học có thể ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi, dẫn đến cả hai trường hợp làm suy giảm chất lượng nước được xử lý.

Vì vậy, trong thực tế thời gian chạy phải được chọn là một hàm của các tham số sau:

• Tốc độ dòng chảy cụ thể giữa 5 và 50 thể tích giường mỗi giờ (BV / h).
• Các đơn vị giường hỗn hợp nên được thiết kế để hoạt động tối thiểu 12 đến 15 BV / h.
• Làm cho hệ thống càng nhỏ càng tốt vì lý do kinh tế (đầu tư thấp hơn vào phần cứng và nhựa).
• Đối với hệ thống giường đóng gói, đảm bảo rằng độ nén của giường tốt cả trong giai đoạn sản xuất (ví dụ Amberpack ^TM ) và trong quá trình tái sinh (ví dụ Upcore ^TM ).

Với nước có độ mặn thấp, ví dụ khi nước cấp RO thấm tốt, thời gian chạy có thể là vài ngày. Chất đánh bóng giường hỗn hợp sau khi khử khoáng chính sẽ chạy trong vài tuần trước khi cần tái sinh.

Chất lượng nước sau xử lý

Trong trao đổi ion, chất lượng của nước được xử lý không phụ thuộc nhiều vào phân tích nước cấp. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước được xử lý về cơ bản liên quan đến quá trình tái sinh .

Ở một mức độ nhỏ, nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sự rò rỉ silica dư trong nước được xử lý: ở nhiệt độ cao hơn khoảng 50 ° C, silica hầu như không bị loại bỏ bởi các loại nhựa trao đổi anion cơ bản mạnh (SBA).

Để đánh bóng các đơn vị MB, độ dẫn điện thường ở mức 0,1 0,1S / cm và silica nhỏ hơn 10 Bayg / L. Các chất đánh bóng giường hỗn hợp được thiết kế và vận hành tốt có thể đạt được độ dẫn gần với nước tinh khiết (0,055 VERS / cm) và silica trong phạm vi đơngg / L, hoặc thấp hơn.

Công nghệ tái sinh

Ngoại trừ các đơn vị trao đổi ion rất nhỏ (và để khử kiềm chỉ bằng nhựa WAC), các nhà máy phải luôn được thiết kế bằng cách sử dụng tái tạo dòng chảy ngược. Cột đặc biệt hữu ích, vì chúng cung cấp một thiết kế nhỏ gọn và kinh tế, và chất lượng nước được xử lý rất tốt. Chúng thường có kích thước cho chu kỳ tương đối ngắn.

Tuy nhiên, bạn nên chú ý đến các điểm sau:

Amberpack ^TM và các cột giường nổi khác

Những cột có tải ngược dòng và tái tạo dòng chảy xuống. Tốc độ dòng dịch vụ phải đủ cao để giữ cho lớp nhựa được nén chặt. Đối với nhựa SAC, có trọng lượng riêng cao nhất, tốc độ dòng tuyến tính phải bao gồm từ 25 đến khoảng 70 m / h (ở khoảng 20 ° C). Các loại nhựa khác có trọng lượng riêng thấp hơn và được nén ở tốc độ dòng chảy thấp hơn, tối thiểu là khoảng 16 m / h.

Với tải dòng chảy xuống và tái tạo dòng chảy lên, tốc độ dòng tái sinh phải đủ cao để giữ cho lớp nhựa được nén chặt. Điều này đạt được bằng cách sử dụng các thủ thuật sau:

• Bước nén ngắn ban đầu được thực hiện với tốc độ khoảng 30 m / h trước khi tiêm tái sinh
• Nồng độ tái sinh có thể phải giảm để dung dịch axit có thể được tiêm với tốc độ 7 m trở lên trong đơn vị SAC và dung dịch xút ở tốc độ hơn 5 m / h trong đơn vị trao đổi anion.
• Thời gian tiếp xúc của dung dịch tái sinh có thể phải giảm.

Thời gian tiếp xúc ngắn và nồng độ tái sinh thấp hơn có thể ảnh hưởng đến hiệu quả tái sinh.

Kích thước cột trao đổi ion

Đối với một thể tích nhựa nhất định, thường rẻ hơn khi tạo một cột cao và hẹp thay vì một đơn vị rộng và ngắn. Không có giới hạn về chiều cao, ngoại trừ việc giảm áp suất ở tốc độ dòng chảy tối đa không được vượt quá 100 đến 150 kPa (1 đến 1,5 bar) ở tốc độ dòng chảy tối đa với nhựa sạch.

Khi chọn đường kính cột, các giới hạn của phần trước (công nghệ tái sinh) cũng cần được xem xét.

Lựa chọn nhựa trao đổi ion

Bạn sẽ phải tham khảo thông số từ nhà sản xuất nhựa. Tuy nhiên, một vài khuyến nghị chung có thể được đưa ra:

• Nhựa Macropious thường không cần thiết để khử khoáng hoặc làm mềm nước
• Một ngoại lệ: tất cả các loại nhựa WBA styrenic đều là macropious
• Kích thước hạt đặc biệt được yêu cầu tùy thuộc vào công nghệ thiết kế:
  • nhựa đồng phục hoặc bán đồng phục là cần thiết cho giường đóng gói
  • các lớp đặc biệt được yêu cầu cho các tầng phân tầng (ví dụ: Stratabed ^TM hoặc Stratapack ^TM )
  • lớp đặc biệt cũng được yêu cầu cho đánh bóng giường hỗn hợp
• Khi nước cấp có chất hữu cơ cao, nhựa acrylic anion là một lựa chọn tốt

Cách tính toán thiết kế cột trao đổi ion của hệ thống khử khoáng đơn giản

1. Kiểm tra phân tích nước (chi tiết ở trên)
2. Tính nồng độ cation C _c [meq / L]
3. Quyết định về việc sử dụng một bộ khử.
   Nếu hàm lượng bicarbonate lớn hơn 0,6 đến 1 meq / L thì chất khử là có thể được biện minh
4. Tính nồng độ anion C _a [meq / L]: nó chứa
   Cl ^– , SO ₄ ⁼ , NO ₃ ^– , SiO ₂ , HCO ₃ ^– hoặc CO ₂ dư sau khi khử khí nếu có
5. Quyết định về thời gian chạy hợp lý t tính theo giờ giữa các lần tái sinh
6. Sử dụng tốc độ dòng f trong m ³ / h tính toán thông lượng Q [m ³ ]:
   Q = f · t [m ³ ]
7. Tính tải ion trên mỗi chu kỳ tính bằng eq (nồng độ tính theo thông lượng meq / L lần trong m ³ ):
   • Tải cation [eq] = C _c · Q
   • Tải anion [eq] = C _a · Q
8. Hãy xem xét khả năng hoạt động gần đúng của các loại nhựa như sau:
   • SAC: cap _c = 1.0 eq / L với tái sinh HCl hoặc
     SAC: nắp _c = 0,8 eq / L với tái sinh H ₂ SO ₄
   • SBA: giới hạn _a = 0,5 eq / L
9. Thể tích nhựa V cần thiết (tính bằng lít) bằng tải ion [eq] chia cho công suất vận hành [eq / L]:
   • SAC: V _c = C _c · Q / nắp _c [L]
   • SBA: V _a = C _a · Q / cap _a [L]
10. Khi kết thúc tính toán này, chúng tôi phải đảm bảo rằng tốc độ dòng chảy cụ thể của cả hai cột nhựa tương thích với các khuyến nghị chung của nhà sản xuất nhựa. Tốc độ dòng chảy cụ thể tính bằng ^h1 (thường được biểu thị bằng thể tích giường mỗi giờ BV / h) bằng với tốc độ dòng chảy trong m ³ / h chia cho thể tích nhựa tính bằng m ³ . Phạm vi thông thường là 5 đến 50 h. Đối với một nhà máy nhỏ gọn với chi phí đầu tư tối thiểu, hãy sử dụng tốc độ dòng chảy cụ thể trong khoảng 30 đến 35 h.
    Nếu tốc độ dòng chảy cụ thể được tính từ khối lượng nhựa V _c và V _a quá cao, hãy tăng thời gian chạy t . Nếu chúng quá thấp, hãy giảm thời gian chạy t .

Tính toán này rõ ràng chỉ là gần đúng, vì chúng tôi đã lấy ở điểm 8 công suất hoạt động ước tính cho cả hai loại nhựa, không tính đến một số thông số, trong thực tế, ảnh hưởng đến công suất này: mức tái sinh, thành phần nước chính xác, nhiệt độ, điểm cuối được chọn, v.v. .

Hơn nữa, tải lượng ion bổ sung gây ra bởi số lượng nước phụ trợ cần thiết để pha loãng chất tái sinh và nhựa rửa chưa được tính đến. Tùy thuộc vào độ mặn của nước cấp, lượng nước thêm này có thể làm tăng tải ion lên 2 đến 10%.

Ngoài ra, việc tính toán các cặp nhựa WAC / SAC hoặc WBA / SBA không thể được thực hiện bằng tay, vì nó yêu cầu lặp lại để tối ưu hóa ” vượt mức “.

Ví dụ: Tính toán thiết kế cột trao đổi ion của hệ thống khử khoáng nước

Sử dụng các bước  được mô tả ở trên.

1. Phân tích nước [meq / L]

1. C _c = 4,8 meq / L
2. HCO ₃ = 2,9 meq / L – nên khử chất khử
   CO ₂ dư sau khi khử khí = 0,25 meq / L
3. C _a = 1,1 + 0,6 + 0,2 + 0,25 = 2,15 meq / L
4. Chọn thời gian chạy t = 12 h
5. Tốc độ dòng chảy 60 m ³ / h
   Thông lượng 60 · 12 = 720 m ³
6. Tải ion
   • Tải cation [eq] = 4,8 · 720 = 3456 eq
   • Tải anion [eq] = 2,15 · 720 = 1548 eq
7. Năng lực điều hành
   • Tái sinh cation bằng HCl: cap _c = 1.0 eq / L
   • Tái sinh anion bằng NaOH: cap _a = 0,5 eq / L
8. Khối lượng nhựa
   • SAC: V _c = 3456 / 1.0 = 3456 L
   • SBA: V _a = 1548 / 0,5 = 3096 L
9. Tốc độ dòng chảy cụ thể
   • SAC: 60 / 3.456 = 16.9 h Đê1
   • SBA: 60 / 3.096 = 19,4 h Đê1

Các giá trị tốc độ dòng chảy cụ thể là OK, nhưng người ta có thể giảm thời gian chạy xuống còn 8 giờ để làm cho nhà máy nhỏ hơn. Dữ liệu mới sau đó sẽ là:

1. • Thông lượng 60 · 8 = 480 m ³
   • Tải cation [eq] = 4,8 · 480 = 2304
   • Tải anion [eq] = 2,15 · 480 = 1032 eq
   • Thể tích SAC: V _c = 2304 / 1.0 = 2304 L
   • Thể tích SBA: V _a = 1032 / 0,5 = 2064 L
   • Tốc độ dòng SAC: 60 / 2.304 = 26.0 h
   • Tốc độ dòng SBA: 60 / 2.064 = 29.1 h.

Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống khử khoáng sẽ bao gồm ít nhất 2 cột hoạt động luân phiên, với khả năng tự động phục hồi, vì vậy thời gian chạy ngắn hơn là một lợi thế.

Chúng tôi đã giả sử trong ví dụ của chúng tôi (xem hình trên) rằng các colums được tái sinh ở chế độ Amberpack , điều này sẽ đảm bảo chất lượng nước được xử lý rất tốt, với độ dẫn điện nhỏ hơn 1 1S / cm và ít hơn 10 silicag / L dư.

Các bài viết hay về trao đổi ion

• Ứng dụng trao đổi ion trong các ngành công nghiệp
• Thông số hạt nhựa trao đổi ion cho biết điều gì