Файл: Очистка промышленных сточных вод..pdf

исчезает полностью. Толщина пленки во много раз пре­ вышает диаметр молекул жидкости. Поскольку жидкость в пограничной пленке неподвижна, растворенные веще­ ства могут перемещаться через нее только под влиянием молекулярной диффузии, скорость которой зависит от разности концентраций по обе стороны пленки.

Согласно представлениям о пограничной жидкостной пленке весь процесс ионного обмена может быть пред­ ставлен в виде ряда последовательно протекающих стадий:

а) переноса ионов, Вгв из раствора к внешней поверх­ ности пограничной жидкой пленки, окружающей зерно ионита (этот процесс можно интенсифицировать переме­ шиванием жидкости);

б) диффузия ионов через пограничную жидкостную пленку под влиянием разности концентрации ионов по обе стороны (процесс, на который перемешивание жидко­ сти влиять не может);

в) переход иона через границу раздела фаз в зерно смолы;

г) диффузия ионов В2В внутри зерна смолы к ионо­ обменным функциональным группам;

д) собственно химическая реакция двойного обмена ионов Агд и Вгв;

е) диффузия вытесняемых ионов AZfi внутри зерна

последняя стадия может быть интенсифицирована пе­ ремешиванием, т. е. на нее, как и на первую ста­ дию, может влиять гидродинамический режим потока жидкости).

139

Следовательно, только на подвод ионов к внешней границе жидкостной пленки и на отведение от этой гра­ ницы вытесненных из смолы ионов можно влиять путем изменения режима течения жидкости. На диффузию че­ рез пленку перемешивание раствора влияет лишь кос­ венно — путем уменьшения ее толщины при высокой тур­ булентности потока, т. е. при больших числах критерия Рейнольдса.

Скорость ионного обмена определяется самой мед­ ленной из последовательных стадий диффузии — диффу­ зией в пленке либо диффузией в толще зерна. Сущест­ венное влияние на скорость процесса оказывает кон­ центрация растворов. Так, обычно внешнедиффузиониая пленочная кинетика определяет скорость обмена лишь при концентрациях ниже 0,01 г-экв/л. При более высоких концентрациях скорость обмена определяется смешанной диффузией в зерне и пленке, либо диффузией в зерне.

На все стадии процесса обмена, протекающие в зерне, могут влиять только факторы, от которых зависит про­ ницаемость зерна для диффузии ионов, т. е. частота и жесткость сетки молекулярного скелета смолы (матри­ цы), подвижность и размер гидратированных ионов, тем­ пература и т. п. С увеличением степени насыщения иони­ та коэффициент массопередачи, определяемый скоростью диффузии ионов внутри смолы, падает на 15—30% от первоначального значения. Коэффициент массопередачи при смешанном характере диффузионной кинетики ионного обмена возрастает с увеличением скорости потока.

При переходе от неподвижного слоя ионита к псевдо­ ожиженному (взвешенному), в котором частицы беспо­ рядочно двигаются под влиянием энергии потока, ско­ рость жидкости относительно зерен слоя падает при одинаковых скоростях относительно стенок аппарата. Это обстоятельство, а также перемешивание зерен вдоль слоя, в котором раствор имеет резкий градиент концент­

140

рации ионов, приводит к тому, что коэффициент массо­ передачи в псевдоожиженном слое всегда ниже, чем в стационарном, и преимущества применения псевдоожи­ женного слоя в сорбционной технике не связаны с усло­ виями Тиассопередачи в нем.

При относительно небольших скоростях движения жидкости через колонну (до 10 м/ч), загруженную слоем ионита, и небольшой концентрации ионов расчет работы такой колонны производится только на основе материаль­ ного баланса, так как кинетика обмена на процесс в этом случае практически не влияет, и динамическая ем­ кость ионита используется полностью. Следует иметь в

виду, что в коротких колоннах, т. е. при ^ < 4, условия,

при которых можно пренебречь кинетическими фактора­ ми, создаются при меньшей скорости потока, чем в колон-

зуется полностью, содержится лишь незначительная часть всего ионита, загруженного в аппарат.

При очистке сточных вод приходится в ряде случаев вместо слоя неподвижных частиц пользоваться псевдо­ ожиженным слоем катионита, в котором частицы ионооб­ менной смолы более или менее интенсивно и беспорядоч­ но двигаются, сталкиваясь друг с другом, и постоянно перемешиваются, а весь слой в целом приобретает свой­ ство текучести и гидродинамически несколько напоми­ нает жидкость, имеющую плотность больше воды и прак­ тически с водой не смешивающуюся.

Принцип создания псевдоожиженного слоя был описан выше. Напомним, что слой зерен расширяется под напором потока, проходящего снизу вверх через слой со скоростью большей, чем та, которая может обес­ печить прохождение потока жидкости через поры (сво­ бодный объем) неподвижного слоя. Потеря напора

141

потока в момент псевдоожижения практически опреде­ ляется весом зернистой нагрузки на единицу площади распределительной решетки слоя и зависит лишь от раз­ ности плотностей твердой и жидкой фаз, а не от размера зерен. Применение псевдоожиженного слоя ионита дела­ ет излишним тщательное освобождение сточных вод от взвешенных веществ перед ионообменным извлечением цветных металлов, что значительно упрощает состав очист­ ных сооружений локальных ионообменных установок.

Время работы неподвижного слоя катионита сокраща­ ется даже при небольшой скорости подачи сточных вод из-за кольматации слоя катионита и вызванного этим роста потерн напора при фильтровании. Это сокращение времени полезной работы слоя катионита выражают че­ рез коэффициент использования емкости катионита т за период между двумя промывками фильтра, вызванными повышением потери напора фильтрации от 200 до 800 мм вод. ст. Зависимость коэффициента использова­ ния емкости неподвижного слоя сульфоугля при извле­ чении ионов цинка от содержания в воде взвеси А1(ОН)з при скорости фильтрования 5,1 ж3/лг2 • ч можно предста­ вить следующими данными:

Величина у вычислена как отношение объема фильт­ рата, полученного между двумя промывками ионообмен­ ного фильтра, к объему фильтрата, который был бы по­ лучен при использовании ионообменной емкости катиони­ та до проскока ионов цветного металла (например цинка).

Необходимо отметить, что по мере замещения в слое катионита легких ионов водорода или щелочных метал­

142

лов ионами цветных и тяжелых металлов плотность зе­ рен ионита возрастает существенно, в результате чего слой сепарируется по высоте, и в его нижней части накап­ ливаются отработанные зерна, которые наиболее целесо­ образно выводить на регенерацию. Это преимущество псевдоожиженного слоя катионитов в значительной мере компенсирует его недостатки, которые, в основном, сво­ дятся к следующему. Продольное перемешивание частиц ионообменной смолы в слое приводит к тому, что часть зерен, насыщенных извлекаемыми ионами, оказывается в верхней зоне слоя, где концентрация этих ионов мала по сравнению с начальной, и потому не участвует в ион­ ном обмене. В результате глубина очистки раствора сни­ жается, поэтому приходится увеличивать высоту колон­ ны с ионитом, что затруднительно для аппаратуры боль­ шой производительности. Применение секционированных аппаратов ослабляет этот эффект, но не устраняет его полностью.

При равных скоростях потока, как мы видели, коэф­ фициент массопередачи в псевдоожиженном слое не­ сколько ниже, чем в неподвижном, однако это компенси­ руется более высокими скоростями потока в случае очи­ стки сточных вод, загрязненных трудноотделяемыми взвешенными веществами.

Для уменьшения продольного перемешивания твердой фазы в псевдоожиженном слое и уменьшения толщины жидкостной прослойки между зернами процесс ионного обмена в псевдоожиженном слое следует осуществлять при минимальном относительном расширении слоя, обес­ печивающем его переход в псевдоожиженное состояние. Насколько существенно зависит от этого использование ионообменной емкости катионита видно из табл. 22.

Меньшая степень использования емкости смол в псевдоожиженном слое может быть компенсирована осу­ ществлением непрерывного процесса без остановок ос­ новного аппарата сорбционной колонны для регенерации

143

ионита. Известно много конструкций таких установок.

колонны снизу, т. е. там, где он наиболее насыщен погло­ щаемыми ионами, и переносится при помощи гидравли­ ческих или механических приспособлений в верхнюю часть колонны регенерации, в которую регенерационный раствор поступает снизу. Время контакта катионита с регенерационным раствором регулируется скоростью по­ ступления последнего и высотой колонны. Из нижней части колонны отрегенерированный ионит переводится в верхнюю часть промывочной колонны, в которую снизу подается умягченная вода (или сточная вода, прошедшая ионообменную очистку). Отмытый катионит, отобран­ ный из нижней зоны промывной колонны, возвращается в верхнюю часть сорбционной колонны.

Сорбционная колонна в установках непрерывного прртивоточного ионного обмена может быть без реше­ ток либо разделенной решетками для уменьшения про­ дольной диффузии твердой фазы слоев на ряд тарелок (обычно 5—7, так как дальнейшее увеличение их коли­ чества не дает сколько-нибудь существенного эффекта). Эти решетки могут быть провальными и размещаться не­ посредственно в толще псевдоожиженного слоя (суммар­

144