Принципова схема обробки води

Вихідна вода	→Попередня обробка (видалення ГДД та суспензій) - ультрафільтрація	→Видалення іонізованих домішок	→Очищена вода
Методи обробки: термічний, реагентний, комбінований, сорбційний (іонний обмін), мембранний (зворотний осмос)

Один з сорбційних процесів – іонний обмін та один з мембранних методів – зворотний осмос, можна вивчати з різних позицій – теорії та практики застосування (курси “ТСМП”, «Мембранні методи» та „Водопідготовка”).

 

Іонний обмін
теорія іонообмінних явищ та процесів	методи отримання, типи та властивості іонообмінних матеріалів	технологія іонування	апаратурне оформлення

 

 

Зворотний осмос
теорія мембранних явищ та процесів	методи отримання, типи та властивості мембран зворотного осмосу	технологія очищення води на мембранах	апаратурне оформлення

 

Сорбційні та мембранні процеси складають основу технологічних операцій на електростанціях при підготовці води та палива.

 

Застосування сорбційних та мембранних процесів
Хім. аналіз неорганічних і органічних речовин	Технологічні процеси
1.Швидкісний аналіз складу складних речовин. 2.Концентрування слідів компонентів, що визначаються. 3.Видалення іонів, що мішають аналізу. 4.Тонке розділення близьких за властивостями компонентів. 5.Одержання кислот і лугів.	1) Глибоке очищення розчинів від домішок. 2) Демінералізація та зм’якшення природної води (видалення розчинених солей). 3) Видалення з стічних вод шкідливих домішок і організація оборотного водопостачання. 4) Атомна енергетика (виділення й очищення урану, СВО, очищення РРВ, очищення басейнів витримки ТВЕЛів, очищення контурних вод, водопідготовка). 5) Очистка води від розчинених газів О2, NH3 (хім. дегазація). Термічна деаерація та декарбонізація (видалення вільної вуглекислоти СО2) 6) Флотація (очищення води шляхом розділення іонів на підставі їх різної змочуваності водою – утворення та збирання піни) 7) Обробка води димовими газами (рекарбонізація: вуглекислота з газів до води для підтримання необхідної кількості вуглекислоти для перебування в розчиненому стані бікарбонатів Са) 8) Регенерація електролітів гальванічних виробництв 9) Вилучення металів при переробці руд і океанської води (кількості вимірюються кілограмами). 10) Харчова (знебарвлення і демінералізація води, видалення кислотності і гіркоти із соків) і фармацевтична (приготування бідистилята та апірогенної[1] води) промисловості.
	Виробничі апарати, в яких організують процеси 1-4 – іонообмінні фільтри, (1-3 – мембранні апарати), 5 – декарбонізатори та деаератори, 6 –флотатори, 7 - скрубери

Сорбційні процеси відомі здавна і використовуються до цих пір. Поглинання речовин пористими середовищами та динамічний засіб здійснення сорбційного досліду були відомі здавна. Аристотель відзначав, що морська вода втрачає частину солей, що є в ній, при пропусканні через шар деяких гірських порід або піску. Значно пізніше була відкрита здатність вугілля до поглинання газів та розчинених речовин. В літературі з'являлися окремі вказівки. на подібні явища, і тільки в 1850 році Томпсону, Спенсу та Уею вдалося виявити в ґрунті т.зв. «обмін основ» (катіонний обмін).

Дослід Уея: крізь скляний циліндр, заповнений ґрунтом з сульфатом амонію (NH₄)₂SO₄, була пропущена вода. У фільтраті на виході з циліндру замість солі амонію виявили сіль кальцію. Таким чином ґрунт виявився сорбентом, тому що він поглинув іони амонію і виділив в розчин іони кальцію (CaSО₄ - гіпс). Досліджувались як поведінка та властивості розчинів, так і види та характеристики сорбентів.

 

Дослід Уея

1 м^3 іоніту ОЄ 2 мг-екв/см^3   Ж=5 мг-екв/дм^3 V -?

 

Вперше адсорбцію газів древесним вугіллям виявив італієць Ф.Фонтана у 1777 р. Г.Є.Ловіц спостерігав адсорбцію на вугіллі, який використовували для очищення розчинів.

До 40-х років 20 сторіччя сорбцією цікавилися в основному агрохіміки і ґрунтознавці. В ці роки Лембергу і Вігнеру вдалося ідентифікувати речовини, які мали аналогічні як у ґрунтів властивості - це глини, піски, цеоліти. Цікавий катіоніт був отриманий окислюванням і сульфуванням вугілля – сульфовугілля ( СУ) є простим в одержанні, доступним і дешевим матеріалом дотепер. Ці речовини і застосовували для очищення води й інших цілей аж до початку робіт з синтезу сорбентів. Активоване вугілля – отримують з копального або древесного вугілля видаленням смолистих речовин та створенням поширеної системи пор.

Велике значення при вирішенні задач розділення сумішей мали роботи біохіміка М.С.Цвета, якому належить відкриття хроматографічного аналізу. Хроматографічний метод знайшов широке застосування в промисловості для очищення цукрових розчинів і зм'якшення розчинів (дослідження Ганса); в сорбційних колонах з глиною для фракціонування нафтопродуктів (Квитка).

Перша кількісна оцінка динаміки сорбції, тобто поглинання та обміну іонів, знайшла відбиток у роботах інженера Шилова М.О., який у 1908 р. в умовах військової польової лабораторії запропонував відому формулу «захисної дії» сорбційного фільтру (для протигаза).

2007-2008 рр.: наАЕС України – 500 одиниць фільтрів в експлуатації, половина завантажена вітчизняними смолами

Сорбцію (тобто поглинання речовин) почали описувати окремими рівняннями з точки зору рівноваги та швидкості, умов протікання. Далі теорія динаміки сорбція розвивалась з використанням диференційних рівнянь статики (рівноваги), кінетики (розвитку в часі), балансу речовини, гідродинамічних умов; вирішення системи цих рівнянь для практичних цілей складає окремий напрямок досліджень (школа Нікольського).

Сучасний стан розвитку динаміки сорбції полягає в застосуванні ЕОМ на кожному етапі: від аналізу явищ до проектування та наладці обладнання. Отримують розрахунковим шляхом залежності для різних умов та матеріалів і використовують їх на практиці.

Окрему, велику галузь складає використання часткового випадку сорбційних процесів – процесу іонного обміну з застосуванням спеціальних іонообмінних матеріалів - іонітів. Маленькі синтетичні сфери (Ø до 1…2 мм), потрапляючи у водні розчини, невидимо звільняють воду від засмічення, збільшують довговічність устаткування, підвищуючи його ККД, заощаджують електроенергію і допомагають налагоджувати технологічні процеси. Використовують іонний обмін та іоніти як на установках великої потужності, так і в квартирних побутових приладах зм'якшення.

В атомній енергетиці – особливі вимоги до надійності та безпеки, що залежить і від того, наскільки іонообмінні смоли забезпечують чистоту контурів та стоків.

Розробка нового покоління рідкокристалічних дисплеїв стала можливою завдяки використанню надчистої води, яку отримали на надчистих смолах.

В цукровій промисловості – освітлення та демінералізація цукрових сиропів, в побутових установках – для видалення важких металів, видалення горючі та кислотності з соків. Стирольні та акрилові смоли використовують в фармацевтиці для отримання апірогенної води.

При очистці стічних вод – видаляють токсичні важкі метали, органічні та радіоактивні забруднення, нафту.

Спрямованість досліджень багато в чому визначалася рівнем в галузі синтезу іонітів: спочатку відкриття і вивчення природних іонітів, потім синтез органічних іонітів універсальної дії, і, нарешті синтез селективних (вибіркових до окремих іонів) іонітів.

Перший синтетичний іоніт отримали Гармс і Рюмплер; Ганс - один з перших, хто вважав можливим витягати золото з морської води за допомогою обміну іонів - перешкодило йому здійснити ідею тільки відсутність придатних матеріалів.

Після того, як було виявлено, що іонообмінні властивості мають грамофонні платівки (тобто синтетичні органічні матеріали), Адамсу і Холмсу в 1935 році вдалося одержати іоніт з великою ємністю (тобто спроможністю до обміну) і показати, що шляхом направленого синтезу можна отримати термостійкі штучні смоли, спроможні до обміну катіонів і аніонів. В ході досліджень намітилося різноманітне застосування іонообмінних процесів, починається успішне застосування іонного обміну у технології і для аналітичних цілей.

Найважливішим в галузі синтезу було відкриття в 1944 р. д'Аллеліо методу синтезу іонітів сополімеризацією, що забезпечило можливість отримання та використання штучних високоякісних монофункціональних катіонітів і аніонітів. Наприкінці II світової війни потужний поштовх досліджень в галузі синтезу і застосування іонітів дав розвиток атомної промисловості - складний комплекс проблем вилучення і переробки ядерного пального, виділення й очищення радіоактивних ізотопів, видалення і знешкодження радіоактивних відходів зажадав створення нових хімічних методів, технологічних розробок, синтезу багатьох органічних і неорганічних іонітів.

Виробництво іонітів здійснюється в Україні, Росії, Китаї, Індії, Германії, Франції, США, Англії, Кореї.

Варто очікувати подальшого розвитку іонообмінних технологій, синтезу нових іонітів насамперед у зв'язку з необхідністю подальшого прогресу і переходу до безвідхідних, екологічно чистих методів виробництва.

 

Мембранні процеси