Исходная вода
и рекомендуемые ограничения для ионообменных систем

Введение

Ионообменные смолы обменивают ионы. Это не удивительно, но состав исходной воды влияет на работу установки. Поэтому необходимо точно знать состав воды, поступающей на ионообменную систему.

Должны быть известны следующие компоненты и характеристики:

Солесодержание (см. также отдельную страницу с деталями анализа воды)
Взвешенные вещества и мутность
Температура
Значение pH
Органические вещества в воде
Другие примеси — железо, марганец, алюминий, масло, полиэлектролиты...

Мы рассмотрим влияние всех вышеуказанных параметров и попытаемся установить практические ограничения для каждого.

Солесодержание (анализ воды)

Это единственный наиболее важный показатель для оценки производительности ионообменной системы. Это также одно из первых, что следует проверять при ухудшении работы установки. Нельзя полагаться на анализ, сделанный месяцы или годы назад.

Некоторые последствия изменения солесодержания:

Тип изменения	Эффект
Более высокое солесодержание	Более короткие циклы, меньшая производительность, иногда более низкое качество очищенной воды
Более низкое солесодержание	Более длинные циклы, большая производительность
Изменение ионного баланса (например, меньше гидрокарбонатов, больше хлоридов)	Изменение качества очищенной воды. Объёмы смол становятся несбалансированными, дегазатор должен обрабатывать меньше или больше углекислого газа
Более высокое соотношение кремнезёма к общему количеству анионов	Это может увеличить проскок кремнезёма и потребовать изменения условий регенерации

На рисунке ниже показано схематическое представление анализа воды с катионами и анионами. Хороший анализ воды должен быть сбалансированным.

Схема анализа воды

См. также подробное описание анализа воды с единицами концентрации и таблицей наиболее распространённых ионов в воде.

Если анализ воды меняется в зависимости от сезона, производительность установки следует переоценить и, возможно, скорректировать условия эксплуатации с учётом сезонных колебаний.

При переоценке или оптимизации производительности установки рекомендуется использовать наиболее вероятный анализ для базового расчёта, затем повторить расчёт с сезонными анализами для оценки производительности в различных условиях. Все анализы воды должны быть реальными, а не максимальными, средними или минимальными.

Мы настоятельно рекомендуем обновлять ожидаемую производительность установки на основе фактических условий эксплуатации. Необходимо собрать следующие данные:

Анализ воды (после предочистки)
Типы и объёмы смол
Метод регенерации (прямоточная, противоточная, плотные слои)
Количества и концентрации регенерантов

Ограничения по солесодержанию

Ионный обмен — идеальная технология для низких концентраций. При высоком солесодержании циклы становятся очень короткими, расход регенерантов увеличивается, и в крайних случаях объём воды, необходимой для регенерации, может превысить объём очищенной воды. В качестве ориентира, солесодержание 20 мэкв/л (1000 мг/л в пересчёте на CaCO₃) представляется верхним пределом, с некоторыми исключениями. Воду с более высоким солесодержанием лучше обрабатывать обратным осмосом.

Морскую воду невозможно обессолить ионным обменом, так как смолы истощаются менее чем за 3 объёма загрузки.

Взвешенные вещества и мутность

В идеале исходная вода, поступающая на ионообменный фильтр, должна быть абсолютно прозрачной и не содержать взвешенных веществ. Необходимо обеспечить надлежащую работу механических фильтров, установленных перед ионообменной системой. Недостаточная фильтрация, приводящая к избытку взвешенных веществ, может вызвать:

Каналообразование в слое смолы, приводящее к высокому проскоку и коротким циклам.
Высокие значения перепада давления, иногда приводящие к снижению расхода и требующие частой взрыхляющей промывки.

Взвешенные вещества традиционно измеряются фильтрацией через фильтр 0,45 мкм и выражаются как сухая масса. Допустимое количество взвешенных веществ варьируется в зависимости от технологии ионного обмена и продолжительности цикла. Если смолы можно легко взрыхлить и очистить, допустимо большее количество взвешенных веществ.

Поскольку фильтры с прямоточной регенерацией можно взрыхлять перед каждой регенерацией, они не очень чувствительны к взвешенным веществам, и обычно допустимо несколько мг/л.
Во всех случаях, если система имеет длительные циклы, накопленные взвешенные вещества могут вызвать проблемы с перепадом давления, даже если их количество в исходной воде относительно низкое.
Фильтры с противоточной регенерацией не взрыхляются в конце каждого цикла, и перепад давления следует тщательно контролировать для определения необходимости взрыхляющей промывки.
Установки с плотным слоем более чувствительны к взвешенным веществам, так как их нельзя взрыхлить на месте. Как правило, допустимое содержание взвешенных веществ должно быть значительно ниже 1 мг/л.

Мутность (помутнение) измеряется в NTU (нефелометрических единицах мутности). Прямой зависимости между мутностью и взвешенными веществами не существует.

Ограничения по взвешенным веществам

Здесь нет простого числа: наиболее разумный способ — рассчитать нагрузку твёрдых веществ за один цикл и выразить результат на квадратный метр фильтра (поперечное сечение). Вот некоторые рекомендации:

Взвешенные вещества
Система	Макс. нагрузка за цикл
Прямоточная	6 кг/м²
Раздельнопоточная	6 кг/м²
Противоточная с прижимом	2 кг/м²
Очистка конденсата	2 кг/м²
Upcore^TM и аналоги	0,5 кг/м²
Amberpack^TM и аналоги	0,2 кг/м²
ADI^TM, ADN^TM	0,1 кг/м²

Ограничения по мутности

Мутность не часто используется применительно к ионообменным системам. См. взвешенные вещества выше. Для систем с плавающим слоем без башни взрыхления установлено, что 1 NTU — это больше, чем колонны могут выдержать.

Температура

Температура исходной воды (и регенерантов) может влиять на работу установки.
Некоторые последствия изменения температуры:

При низкой температуре рабочая ёмкость всех смол снижается.
Есть исключение из вышеуказанного правила: при высокой температуре ёмкость по кремнезёму сильноосновного анионита снижается, становясь практически нулевой при температуре выше примерно 60°C.
Стирольные сильноосновные аниониты типа 2 (например, Amberjet 4600) и акриловые сильноосновные аниониты (например, Amberlite IRA458) не должны работать или регенерироваться при температуре выше 35°C. Высокие температуры могут привести к проблемам с отмывкой и потере ёмкости сильного основания, что вызовет повышенный проскок кремнезёма и более короткие циклы.
Катиониты могут работать при высокой температуре, иногда выше 100°C. Однако присутствие кислорода и следов металлов может вызвать медленное окисление смолы.

Ограничения по температуре

См. таблицу с ограничениями температуры для всех анионитов.
Катиониты выдерживают 100°C и даже выше. Технические паспорта продуктов содержат подробную информацию для всех смол.

Значение pH

Ионообменные смолы выдерживают любое значение pH (от 0 до 14) без повреждения, при условии избегания сильных осмотических шоков из-за быстрого изменения pH или концентрации.

Однако в работе смолы функционируют только в определённых пределах pH: катиониты не могут работать при очень низком pH, а аниониты — при очень высоком pH, поскольку они были бы постоянно регенерированы и неспособны обменивать другие ионы.

Ограничения по pH

Рабочий диапазон pH
Тип смолы	Диапазон pH
СлКК (WAC)	6–14
СКК (SAC)	4–14
СлОА (WBA)	0–7
СОА (SBA)	0–9

Органические вещества

Органические вещества в воде могут мешать ионному обмену. Основной эффект органики — необратимое загрязнение (фаулинг) анионитов.
Некоторые проблемы, вызываемые органикой:

Низкий pH (< 6) очищенной воды при проскоке органических кислот.
Высокая электропроводность очищенной воды.
Увеличенный проскок кремнезёма.
Увеличенное время отмывки и большой объём сточных вод.
Более короткие циклы.

Традиционное измерение органики (ХПК) в природной воде использует метод окисления перманганатом калия, и результат выражается в мг/л как KMnO₄.

К сожалению, прямой корреляции между этим методом и более современным анализом ООУ (общий органический углерод) не существует. Однако опыт показывает, что приблизительно 1 мг/л ООУ (по C) можно грубо перевести в 5,5 мг/л как KMnO₄.

Ограничения по органической нагрузке

См. таблицу для всех анионитов (та же, что и таблица температуры).

Другие примеси

Другие примеси также могут влиять на ионный обмен. Некоторые из них перечислены ниже с их влиянием и возможными способами устранения.

Эффекты	Предотвращение/Обработка	Ограничения
Железо и марганец
Перепад давления Короткие циклы (потеря ёмкости) Плохое качество (высокий проскок)	Окисление и фильтрация Очистка смолы соляной кислотой	Ограничения по Fe Умягчение и удаление нитратов: 1 мг/л Обессоливание с HCl: 15 мг/л Обессоливание с H₂SO₄: 0,5 мг/л Очистка конденсата: 0,1 мг/л (до 2 мг/л при пуске)
Алюминий
Осаждение Al(OH)₃ (при нейтральном pH)	Al растворяется в кислоте или щёлочи	Ограничения по алюминию Алюминий обычно не загрязняет смолы, если не составляет большую долю катионной нагрузки.
Барий
Осаждение BaSO₄	Регенерировать катиониты только HCl!	Ограничения по барию Когда Ba составляет более 0,1% от общего количества катионов, следует избегать H₂SO₄.
Масло
Короткие циклы (потеря ёмкости) Плохое качество (высокий проскок)	Проверить насосы на утечку масла Очистка смолы неионогенным ПАВ	Ограничения по маслу Практически ноль Максимум 0,05 мг/л
Окислители: хлор или озон
Короткие циклы (потеря ёмкости) Проскок натрия из анионитов Перепад давления при «размягчении» смолы	Отрегулировать (снизить) дозировку Использовать активированный уголь для предочистки Связать избыток окислителя бисульфитом	Ограничения по окислителям См. таблицу с допустимыми пределами.
Полиэлектролиты (флокулянты)
Короткие циклы (потеря ёмкости) Плохое качество (высокий проскок)	Отрегулировать дозировку Очистить смолу 4% NaOH	Ограничения по полиэлектролитам Известных ограничений нет. Рекомендуется осторожность. В случае сомнений следует запросить у поставщика полиэлектролита подтверждение безвредности.

Amberpack, Upcore, ADI и ADN — торговые марки DuPont

Исходная водаи рекомендуемые ограничения для ионообменных систем