RU2144848C1

RU2144848C1 - Method of regeneration of ion-exchange resins

Info

Publication number: RU2144848C1
Application number: RU98107667A
Authority: RU
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Научно-производственное предприятие "БИОТЕХПРОГРЕСС"
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: treatment of natural and sewage waters with the help of ion-exchangers, particularly, methods of regeneration of ion-exchange resins; applicable in power engineering, metallurgy, chemical and other industries using desalted or softened water in production processes. SUBSTANCE: flushing of used resin layer is carried out in two stages. At the first stage, use is made of water flow with velocity ensuring fixing of resin granules in vertical plane, and the second stage, process is carried out by water-air mixture with relative air-water volumetric ratio of (2-10):1 and with linear velocity of water supply reduced to velocity of supply of regenerating solution. Process is carried out in pulse conditions with frequency of 0.01-10 Hz and supplying to system during flushing from 1 to 1000 pulses. EFFECT: reduced time taken for regeneration by 5-15%, increased volume of filtering cycle by 10%. 5 cl

Description

Изобретение относится к области физико-химических методов очистки воды, а именно к способам очистки природных и сточных вод с помощью ионообменных фильтров, точнее к способам регенерации ионообменных смол (ИС), и может быть использовано в энергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, применяющих обессоленную или умягченную воду в технологических процессах. The invention relates to the field of physico-chemical methods of water purification, and in particular to methods of purification of natural and waste water using ion-exchange filters, more specifically, to methods of regeneration of ion-exchange resins (IP), and can be used in energy, metallurgy, chemical and other industries, applying demineralized or softened water in technological processes.

Известен способ противоточной регенерации отработанных ИС, включающий в себя обработку смолы регенерационным раствором и взрыхление снизу вверх, отмывку водой сверху вниз (Пат. РФ N 2058817, 1995, кл. C 02 P 1/42). A known method of countercurrent regeneration of spent IS, including processing the resin with a regeneration solution and loosening from bottom to top, washing with water from top to bottom (Pat. RF N 2058817, 1995, class C 02 P 1/42).

Недостатком указанного способа является низкая эффективность отмывки от механических частиц при очистке сильнозагрязненной воды, что приводит к большому расходу технологической воды и образованию сточных вод. The disadvantage of this method is the low efficiency of washing from mechanical particles during the treatment of highly contaminated water, which leads to a large consumption of process water and the formation of wastewater.

Известны способы регенерации ИС, включающие в себя промывку смолы водой, регенерацию соответствующим раствором и последующую отмывку (В.З. Мельцер Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. - М.: Стройиздат, 1995, стр.71). Known methods for the regeneration of IP, including washing the resin with water, regeneration with an appropriate solution, and subsequent washing (V.Z. Meltzer Filter facilities in public water supply. - M .: Stroyizdat, 1995, p. 71).

Недостатком способа является малая эффективность при очистке воды с большим количеством взвесей, необходимость большого расхода воды при промывке (около 8 куб. м на 1 кв. м фильтрующего слоя), что требует использования мощных насосов, низкая эффективность отмывки смолы. The disadvantage of this method is its low efficiency in water purification with a large number of suspensions, the need for a large flow rate of water during washing (about 8 cubic meters per 1 square meter of the filter layer), which requires the use of powerful pumps, and low resin washing efficiency.

Известны способы регенерации ИС с повышенной интенсивностью промывки за счет введения в систему воздуха. При этом в заполненный водой сосуд подают воздух со скоростью 15-20 л/с на кв.м в течение 2-3 минут. Пузыри воздуха движутся в слое со скоростью 25-30 см/с, что обуславливает отрыв загрязнений от гранул. На втором этапе подают воду со скоростью 2,5-3,5 см/с для удаления оторванных примесей и транспортировки их к отводящим желобам ((В.З. Мельцер. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. -М. : Стройиздат, 1995, стр.72-73). Known methods for the regeneration of IP with increased washing intensity due to the introduction of air into the system. At the same time, air is supplied to the vessel filled with water at a speed of 15-20 l / s per square meter for 2-3 minutes. Air bubbles move in the layer at a speed of 25-30 cm / s, which causes separation of contaminants from the granules. At the second stage, water is supplied at a speed of 2.5-3.5 cm / s to remove torn impurities and transport them to the discharge trenches ((V.Z. Meltzer. Filter structures in municipal water supply. -M.: Stroyizdat, 1995, p. .72-73).

Недостатком способа является применимость его только в фильтрах с нисходящим потоком воды, когда основная масса загрязнений сосредоточена в верхних слоях загрузки, а также гидравлическая сортировка загрузки, приводящая к сокращению длительности фильтрциклов. The disadvantage of this method is its applicability only in filters with a downward flow of water, when the bulk of the pollution is concentrated in the upper layers of the load, as well as hydraulic sorting of the load, which leads to a reduction in the duration of the filter cycles.

Прототипом заявляемого способа регенерации ИС является способ регенерации, включающий в себя промывку, регенерацию и отмывку ИС, в котором промывку осуществляют сначала в течение 2-3 минут воздухом со скоростью 15-20 л/с на кв.м для выравнивания гид, затем в течение 4-7 минут воздушный поток дополняется подачей воды со скоростью 2.5-4 л/с на кв.м и осуществляется совместная водовоздушная промывка, в ходе которой происходят разрушение на поверхности гранул структуры загрязнений и их транспортировка на поверхность. При этом поток воды подбирают таким образом, чтобы минимизировать перемешивание слоев и осуществить их некоторое поджатие. На третьем этапе подача воздуха прекращается и промывка в течение 5-6 минут осуществляется подачей воды со скоростью 6-7 л/с на кв.м. The prototype of the proposed method for the regeneration of IP is the method of regeneration, including washing, regenerating and washing the IC, in which the washing is carried out first for 2-3 minutes with air at a speed of 15-20 l / s per square meter for leveling the guide, then for For 4-7 minutes, the air flow is supplemented by a water supply at a speed of 2.5-4 l / s per square meter and a joint water-air washing is carried out, during which the structure of the contaminants is destroyed on the surface of the granules and transported to the surface. In this case, the water flow is selected in such a way as to minimize the mixing of the layers and to carry out some compression thereof. At the third stage, the air supply is stopped and flushing for 5-6 minutes is carried out by supplying water at a speed of 6-7 l / s per sq.m.

Недостатком способа является проблема удаления загрязнений из слоя ИС, для решения которой приходится модифицировать фильтры путем создания системы горизонтального низкого отвода воды (Технические условия на проектирование, строительство и эксплуатацию водоочистных фильтров с водовоздушной промывкой и системы низкого отвода промывочной воды. - М., ОНТИНКХ, 1972, 14 с.). Особенно большие затруднения появляются при очистке загрязненных сточных вод в результате использования для промывки больших объемов предварительно очищенной воды и частой регенерации смол. The disadvantage of this method is the problem of removing contaminants from the IS layer, to solve which it is necessary to modify the filters by creating a horizontal low water drainage system (Technical conditions for the design, construction and operation of water purification filters with air-water washing and low-wash water drainage systems. - M., ONTIKH, 1972, 14 pp.). Particularly great difficulties arise when treating contaminated wastewater as a result of using large volumes of pre-treated water for washing and frequent resin regeneration.

Задачей, решаемой авторами, являлась разработка способа, позволяющего выводить из системы примеси, в том числе и сорбированные на гранулах ИС, без ухудшения фильтрационных характеристик загрузки и при небольших объемах промывочной воды, пригодного для работы с сильно загрязненной водой. The problem solved by the authors was the development of a method that allows removing impurities from the system, including IS adsorbed on granules, without impairing the filtration characteristics of the load and with small volumes of washing water suitable for working with heavily contaminated water.

Указанная задача решалась проведением процесса промывки в импульсном режиме сначала водой со скоростью, обеспечивающей предварительное поджатие загрузки в верхнем слое установки (10-80 куб. м в час), а затем водовоздушной смесью при относительном объемном соотношении воздуха и воды 2-10:1 и одновременном снижении линейной скорости подачи воды до скорости подачи регенерирующего раствора. This problem was solved by conducting the washing process in a pulsed mode, first with water at a speed that provides preliminary preloading of the load in the upper layer of the installation (10-80 cubic meters per hour), and then with a water-air mixture with a relative volumetric ratio of air and water of 2-10: 1 and at the same time reducing the linear velocity of the water supply to the feed rate of the regenerating solution.

Как правило, промывающие компоненты подают в систему под давлением 0.1-10 МПа в течение 5- 10 минут. Typically, the flushing components are fed into the system at a pressure of 0.1-10 MPa for 5-10 minutes.

В ходе импульсного воздействия смолу обрабатывают водовоздушной смесью с частотой 0.01-10 Гц, причем в систему в течение промывки подают от 1 до 1000 импульсов. During pulsed exposure, the resin is treated with a water-air mixture with a frequency of 0.01-10 Hz, and from 1 to 1000 pulses are fed into the system during washing.

Проведение процесса в более мягком режиме подачи промывных смесей (отсутствие импульсов, меньшие скорости потоков и т.д.) приводит к снижению эффективности очистки, более жесткие режимы практически труднореализуемы. Carrying out the process in a milder mode of supply of washing mixtures (lack of pulses, lower flow rates, etc.) leads to a decrease in the cleaning efficiency, more severe modes are practically difficult to implement.

Лучшие результаты достигаются при использовании системы водоочистки АЛКОР, при которой в верхнюю часть фильтра предварительно загружают плавающий инертный слой (инерт), процесс фильтрации проводят сверху вниз, причем слой ИС фиксируется относительно нижнего распределительного устройства. При этом в качестве инерта используют зерна химически инертного в данной среде вещества с плотностью ниже плотности воды и размером частиц 0.3-100 мм. The best results are achieved using the ALKOR water treatment system, in which a floating inert layer (inert) is preloaded into the upper part of the filter, the filtering process is carried out from top to bottom, and the IP layer is fixed relative to the lower switchgear. At the same time, grains of a substance chemically inert in this medium with a density lower than the density of water and a particle size of 0.3-100 mm are used as inert.

Возможно проведение процесса и без использования инерта, если перед началом промывки дренировать жидкость до ее верхнего уровня, что уменьшает возможность вертикального перемешивания гранул. (Такое дренирование может сочетаться и с использованием инерта.)
Последний вариант целесообразен в установках малой мощности или в случае, если снижение расхода обработанной воды на собственные нужды является приоритетным.It is possible to carry out the process without the use of inert, if the liquid is drained to the upper level before washing, which reduces the possibility of vertical mixing of the granules. (Such drainage may also be combined with inert.)
The latter option is advisable in low-power installations or if reducing the consumption of treated water for own needs is a priority.

Существенные отличия заявляемого способа от прототипа заключаются в предварительном зажатии гранул ИС "водным ударом" снизу вверх, что позволяет предотвратить внутрислойное перемешивание ИС и осуществлять разрушение структур загрязнений в более выгодном режиме с использованием для этих целей пульсирующего двухфазного потока, в результате чего происходит выравнивание гидравлического сопротивления по площади фильтра и резко интенсифицируется процесс ее очистки от взвесей. Понижение скорости подачи воды и уменьшение ее доли в системе при переходе к водовоздушной смеси позволяет повысить местные скорости потоков у поверхности гранул и интенсировать передвижение флотирующих частиц загрязнений на поверхность фильтрующей загрузки инертного слоя, при этом пузырьками воздуха одновременно разрыхляется образующийся в процессе рабочего цикла плотный слой загрязняющих частиц (взвешенные частицы, ржавчина, известковые отложения и т.д.). Significant differences of the proposed method from the prototype are the preliminary clamping of the IP granules with a “water impact” from the bottom up, which prevents interlayer mixing of the IP and the destruction of the pollution structures in a more favorable mode using a pulsating two-phase flow for these purposes, as a result of which the hydraulic resistance is equalized by the filter area and the process of its cleaning from suspensions is sharply intensified. A decrease in the water supply rate and a decrease in its share in the system when switching to a water-air mixture allows increasing local flow rates near the surface of the granules and intensifying the movement of floating particles of contaminants on the surface of the filtering load of the inert layer, while air bubbles loosening the dense layer of pollutants formed during the working cycle particles (suspended particles, rust, lime deposits, etc.).

Загрязняющие частицы к концу обработки водовоздушной смесью концентрируются в слое инерта, не обладающего развитой поверхностью и имеющего малую адгезивность, и легко удаляются из системы восходящим потоком на следующей стадии регенерации. By the end of the treatment with the water-air mixture, the polluting particles are concentrated in the inert layer, which does not have a developed surface and has low adhesion, and is easily removed from the system by the upward flow in the next stage of regeneration.

Конкретный режим промывки определяется опытным путем исходя из особенностей установки и используемой смолы, а также характера загрязнения. The specific washing regime is determined empirically based on the characteristics of the installation and the resin used, as well as the nature of the contamination.

Для реализации данного способа предпочтительно использовать ИС марки DOWEX UPCORE, например, сильнокислый катионит Mono С 600, сильноосновный анионит Mono А-625, слабоосновный анионит Mono WB-500 и другие. Это связано с тем, что смолы этих марок имеют более однородный размер и высокие прочностные характеристики, что улучшает гидродинамические параметры в процессе регенерации смол. В качестве инертного материала лучшие результаты достигаются при использовании DOWEX IF-62. To implement this method, it is preferable to use DOWEX UPCORE ICs, for example, strongly acidic Mono C 600 cation exchange resin, strongly basic Mono A-625 anion exchange resin, weakly basic Mono WB-500 anion exchange resin and others. This is due to the fact that the resins of these grades have a more uniform size and high strength characteristics, which improves the hydrodynamic parameters in the process of resin regeneration. As an inert material, better results are achieved using the DOWEX IF-62.

Преимущества и практическая применимость способа была продемонстрирована на примере фильтровальной установки по очистке воды емкостью 25 м³.The advantages and practical applicability of the method was demonstrated by the example of a filter plant for water purification with a capacity of 25 m ³ .

В установку было загружено 17 м³ сильноосновного катионита на основе стирол-дивинилбензольной матрицы в натриевой форме при общей обменной емкости смолы 1,8 г-экв./л и 2 м³ инертного материала IF-59. По истощении обменной емкости слоя смолы (завершении рабочего цикла) прекращают подачу обрабатываемой воды в ионообменный фильтр в направлении сверху - вниз и приступают к проведению процесса регенерации. Для этого часть очищенной воды подают под слой ИС импульсом в направлении снизу - вверх со скоростью 70-80 куб. м в час, что обеспечивает поршнеобразный подъем и зажатие слоя смолы снизу - вверх, затем понижают скорость подачи воды до 8-10 куб.м в час и пропускают смесь воздуха и воды при относительном объемном соотношении Q_возд/Q_воды = 3.5-4, подавая ее в нижнюю часть ионообменного фильтра (под слой смолы) в импульсном режиме с длительностью импульса 0.1-2 сек в течение 6 минут. Затем прекращают подачу водовоздушной смеси и подают регенерирующий раствор на основе хлористого натрия или серной кислоты, в соответствии с инструкцией, прилагаемой к смоле при ее поставке. По завершении химической регенерации слоя остатки регенерирующего раствора вытесняют потоком деминерализованной воды, подаваемой в направлении снизу - вверх. Далее прекращают подачу воды, в результате чего происходит гравитационное осаждение слоя смолы. Осевший слой смолы промывают потоком обработанной воды в направлении сверху - вниз, осуществляя одновременно его зажатие, после чего проводят очередной рабочий цикл очистки воды.17 m ^{3 of a} strongly basic cation exchanger based on a styrene-divinylbenzene matrix in sodium form were loaded into the installation with a total exchange capacity of the resin of 1.8 g equiv / l and 2 m ^{3 of} inert material IF-59. Upon depletion of the exchange capacity of the resin layer (completion of the working cycle), the flow of treated water to the ion-exchange filter is stopped in the top-down direction and the regeneration process is started. To do this, part of the purified water is supplied under the IP layer with an impulse in the direction from bottom to top with a speed of 70-80 cubic meters. m per hour, which provides a piston-like rise and clamping of the resin layer from bottom to top, then lower the water supply rate to 8-10 cubic meters per hour and pass the mixture of air and water at a relative volume ratio of Q _air / Q of _water = 3.5-4, feeding it to the lower part of the ion-exchange filter (under the resin layer) in a pulsed mode with a pulse duration of 0.1-2 sec for 6 minutes. Then the water-air mixture is stopped and a regenerating solution based on sodium chloride or sulfuric acid is supplied, in accordance with the instructions attached to the resin when it is supplied. Upon completion of the chemical regeneration of the layer, the remnants of the regenerating solution are displaced by the flow of demineralized water supplied from the bottom to the top. Then, the water supply is stopped, as a result of which gravitational deposition of the resin layer occurs. The settled resin layer is washed with a stream of treated water in a top-down direction, simultaneously clamping it, after which another water treatment cycle is carried out.

В результате использования заявляемого способа на типовой установке химводоочистки со средней производительностью 150 м³/ч и объеме фильтроцикла 12000 м³ удалось достичь средней производительности 155 м³/ч при объеме фильтроцикла 13000 м³ воды.As a result of using the proposed method in a typical chemical water treatment plant with an average productivity of 150 m ³ / h and a filter cycle volume of 12,000 m ^3, an average productivity of 155 m ³ / h was achieved with a filter cycle volume of 13,000 m ³ water.

Использование заявленного способа обеспечило возможность более полного удаления загрязнений из слоя ИС и, соответственно, более высокую эффективность процесса его регенерации. Затраты времени на регенерацию при этом сокращаются в среднем на 5-15% в зависимости от природы ИС, срока ее службы и характера загрязнений. Using the claimed method provided the possibility of more complete removal of contaminants from the IP layer and, accordingly, higher efficiency of the process of its regeneration. The time spent on regeneration is reduced by an average of 5-15%, depending on the nature of the IP, its service life and the nature of the pollution.

Claims

1. A method of countercurrent regeneration of ion-exchange resins, which includes multi-stage washing of the spent resin layer, including washing with water and an air-water mixture, passing a regenerating solution through the resin and displacing its residues, characterized in that the washing is carried out in two stages, the first of which uses water flow at a speed that fixes the resin granules vertically, and in the second stage, the process is carried out with a water-air mixture with a relative air: water volume ratio of 2 - 10: 1 and lowering l linear water feed rate to the feed rate of the regenerant solution in a pulsed mode with a frequency of 0.01 - 10 Hz, and a system for washing is supplied from 1 to 1000 pulses.

2. The method according to claim 1, characterized in that the washing flows are supplied under pressure from 0.1 to 1 MPa.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the water-air mixture is supplied for 5 to 10 minutes.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that a chemically inert carrier with a density lower than the density of water and a particle size of 0.3 - 10 mm is pre-introduced into the system.

5. The method according to claims 1 to 3, characterized in that before the washing stage, the liquid is drained to the upper level of the resin layer.