Применение анионообменных смол для удаления нитратов

Описание:

Известны две основные технологии по удалению нитратов из воды - ионообмен и обратный осмос.

Применение анионообменных смолдля удаления нитратов

Известны две основные технологии по удалению нитратов из воды - ионообмен и обратный осмос.

При необходимости удаления нитратов из всей используемой в доме воды наилучшим выбором является ионообмен, а если необходима очистка только питьевой воды, лучшим решением является обратный осмос.

Для удаления нитрат-ионов ис-пользуются стандартные или селективные анионообменные смолы сильного основания (strong base anion - SBA), как правило, в Cl-форме. В качестве регенеранта используется раствор соли NaCl.

Стандартные сильноосновные аниониты

Стандартные сильноосновные аниониты - это смолы, характеризующиеся избирательностью или относительным сродством по отношению к удаляемым ионам согласно следующему ряду: сульфат, нитрат, хлорид, бикарбонат ионы. Это означает, что реакция обмена между водным раствором и смолой будет протекать, если анион, находящийся в растворе, стоит в этом ряду перед анионом, находящимся на смоле. Применение стандартных сильноосновных анионитов требует осторожности и тщательного контроля при использовании их для очистки воды, содержащей нитраты, т. к. возможен эффект постепенного накопления и затем внезапного выброса нитратов за счет вытеснения их сульфат-ионами, которые обладают большим относительным сродством. - ассматриваемые загрязняющие вещества влияют на здоровье человека, поэтому данные смолы могут применяться только в системах с очень жестким контролем расходуемой воды с тем, чтобы регенерация проводилась до того, как начнется проскок нитрат-ионов. В иных случаях, по возможности, не следует объединять смолу для удаления нитратов со смолой для умягчения воды. Сопряженный с этим риск не стоит связанной с этим экономии времени и затрат.

I. Совместное использование анионита и водоумягчительной смолы

Поверх слоя катионита водоумягчительной установки необходимо уложить слой сильноосновной анионообменной смолы толщиной не менее 152,4 мм, но не более 304,8 мм. Такой же объем водоумягчительной смолы должен быть удален из установки.

Если необходим слой толщиной более чем 304,8 мм, то рекомендуется рассмотреть II. Следует помнить, что водо-умягчительная способность была в определенной степени снижена, поэтому это снижение должно быть компенсировано эквивалентным повышением регенерационной способности.

Каждый из следующих шагов должен быть сделан для компенсации меньшего веса смолы SBA:

- Вначале необходимо уменьшить величину обратного потока на 30-50 %. Это можно сделать, сменив ограничитель обратного потока на ограничитель с меньшим номером. Например, если в установке обычно используется ограничитель № 3 или ограничитель ЗСИ, он должен быть заменен на ограничитель № 2 или ЗВИ.

- Удвоить время обратного потока.

- Использовать верхний и нижний щелевой фильтр с меньшим размером щели.

- асчет количества добавляемой смолы SBA взамен удаляемой водоумягчительной смолы производится путем замены одного объема на другой с учетом насыпной плотности. Так, насыпная плотность смолы SBA составляет 672,777-704,814 кг/м³. Плотность водоумягчительной смолы не менее 800,925 кг/м³. С учетом сказанного объем слоя смолы высотой 152,4 мм, укладываемого сверху в емкость диаметром 203,2-228,6 мм взамен умягчительной смолы, составляет 7,08 дм³, в емкости диаметром 301,8 мм для слоя такой же высоты объем будет составлять 9,44 дм³.

Не следует объединять смолу для удаления нитратов со смолой для умягчения воды. Сопряженный с этим риск не стоит свя-занной с этим экономии времени и затрат.

Проскок

При использовании стандартных сильноосновных анионитов следует обращать внимание на возможный проскок удаляемых ионов. Фактор проскока очень важен, т. к. он напрямую связан с относительным сродством. В начальный период цикла ионообмена из раствора одинаково хорошо удаляются сульфаты, нитраты и бикарбонаты, т. к. на смоле имеется множество несвязанных радикалов. По мере удаления бикар-бонатов показатель рН в начальный период снижается и может стать слишком низким, что может вызвать необходимость дополнительной обработки воды. Если цикл обмена продолжить, то согласно ряду относительного сродства все большее количество ионов сульфата и нитрата оседают на смоле, в результате бикарбонат-ион начинает вытесняться и показатель рН возвращается на нормальный уровень.

В дальнейшем, когда все большее количество ионов сульфата собирается на смоле, уже нитрат-ион вытесняется в обработанную воду.

Проскок характеризуется величиной отношения содержания нитрата к сумме нитрата и сульфата. Чем выше это отношение, тем меньше проскок. Например, отношение, равное 0,2 означает, что утечка составляет 25 % от исходной концентрации с дозой соли 240,2775 кг/м³ смолы, или 38 % с дозой соли 128,148 кг/м³ смолы. Отношение 0,4 означает, что утечка составляет 16 % от исходной концентрации с дозой соли 240,2775 кг/м³ смолы, или 25 % с дозой соли 128,148 кг/м³ смолы.

Расчет обменной емкости

Из вышесказанного можно видеть, что слой смолы нужно регенерировать до того, как ионы нитрата начнут проскок. Поэтому очень важно всегда производить расчет обменной емкости. Данные для расчета должны предоставляться производителями оборудования или смолы.

Такие расчеты должны учитывать относительное количество в воде сульфатов и нитратов. Если необработанная вода содержит мало сульфатов или вообще их не содержит, этой проблемы не существует или она присутствует только в очень небольшой степени.

Для определения обменной емкости смолы по удалению тех или иных загрязнителей важно правильно оценить их количество. При этом необходимо привести все расчеты к общему знаменателю, в качестве которого выступает карбонат кальция СаСО₃. Анализы воды могут оперировать концетрациями ионов, выраженных по-разному, например, в виде непреобразованных ионов - нитрат как NO₃, сульфат как SO₄. В некоторых анализах под нитратом подразумевается ион азота N, а в некоторых используется преобразование азота и других заменяемых анионов, включая сульфат, в их соответствующие эквиваленты карбоната кальция. Важно знать, о чем идет речь в определенных анализах. Например, нормативом для питьевой воды по нитратам является концентрация в 10 ррм в пересчете на ион азота N, либо 45 ррм в виде NO₃. Следует сказать, что речь идет об одних и тех же концентрациях, выраженных различным образом.

Если уровень нитратов выражается через ион NO₃, он приводится к СаСО₃ умножением на 0,8. Если речь идет о содержании нитратов в пересчете на N, показатель следует умножать на 3,6. Для SO₄коэффициент приведения к СаСО₃ равен 1,04. Для других заменяемых ионов коэффициент умножения для приведения к СаСО₃ хлорида равен 1,41, бикарбоната - 0,82.

Дозировка соли

Соль, используемая в установке с верхней загрузкой, регенерирует как смолу для умягчения воды, так и смолу SBA. При этом смола для умягчения использует натриевую или калийную составляющую соли, а смола SBA - хлоридную составляющую.

Дозировка соли может варьироваться в пределах 128,148 - 240,2775 кг/м³ смолы, в зависимости от необходимого запаса обменной емкости удаляемых загрязняющих веществ. Для расчета обменной емкости следует изучить паспортные технические данные на смолу при регенерации рассолом с разной дозой соли.

II. Последовательное расположения
модуля SBA за водоумягчительной установкой

Этот вариант может использоваться в ситуациях с высоким уровнем содержания нитратов, особенно на фоне высокого показателя жесткости воды (превышение более 10 gpg), или содержания железа выше 1 ррм. При этом может использоваться стандартное оборудование для умягчения воды с учетом описанных в I мер по уменьшению расхода и увеличению длительности обратной промывки. Обычно такая установка по удалению нитратов имеет толщину слоя смолы не менее 609,6 мм.

Смолы SBA, селективные к нитратам

Из-за проблем выброса нитратов в стандартных смолах SBA производители смол создали смолу SBA, селективную к нитратам. Эта смола не только удаляет нитраты, но при этом имеет большее сродство к нитратам, чем к сульфатам.

Для такой смолы предыдущий список, от самого сильного сродства до самого слабого, выглядит так: нитраты, сульфаты, бикарбонаты.

Селективная к нитратам смола является блестящей разработкой в области технологии удаления нитратов, но это совсем не предполагает, что она защищена от неквалифицированного применения или что она является самым эффективным средством в любых условиях. Так же как стандартная смола SBA может вызвать сброс нитратов, если позволить выйти за ее расчетный запас обменной емкости, селективная к нитратам смола SBA может вызвать сброс сульфатов, а позже и нитратов, если вовремя не произвести ее регенерацию.

Таблица
Обменная емкость в галлонах воды на кубический фут смолы для селективной к нитратам и стандартной смолы SBA при четырех разных отношениях содержания нитратов и сульфатов

Нитраты, gpg	4	4	4	4
Сульфаты, gpg	0	4	20	40
Обменная емкость избирательной к нитратам смолы SBA	1 800	1 800	1 800	1 800
Обменная емкость стандартной смолы SBA	3 200	2 000	1 400	1 200

Примечание: Указанные значения округлены до ближайших 100 галлонов. Значения концентрации нитратов и сульфатов выражены в gpg (грейн/галлон, что соответствует 17,1 мг/л) в пересчете на СаСО₃. 4 gpg нитратов в пересчете на СаСО₃ эквивалентны 20 мг/л в пересчете на N.

В таблице приведено сравнение обменной емкости, выраженной в галлонах воды, для обоих типов смолы и для четырех гипотетических источников водоснабжения, имеющих различные отношения содержаний нитра-ов и сульфатов.

Отметим, что если содержание сульфатов мало или они в воде отсутствуют, обменная емкость стандартной смолы SBA выше, но с понижением отношения нитратов к сульфатам обменная емкость селективной смолы становится выше. Производители смол рекомендуют использовать смолу, селективную к нитратам, если отношение нитратов к сульфатам в воде больше 0,60.

Перепечатано с сокращениями из журнала Watertechnology № 5, 2003.

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Техническое редактирование П. П. Дебелого