UPCORE – противоточное фильтрование воды
Противоточное фильтрование заключается в подаче регенерационного раствора и обрабатываемой воды в разных направлениях. Преимущества противоточного фильтрования были известны давно, но промышленное применение оно нашло лишь с появлением специальных конструкций фильтров и развитого производства разнообразных высокоэффективных ионитов. При противоточной технологии ионирования наиболее хорошо отрегенерированный катионит расположен в том слое, который находится на выходе из фильтра. Обрабатываемая вода проходит слои ионита со всё более увеличивающейся глубиной регенерации, то есть концентрационный напор сохраняется по всему пути воды. Тем самым обеспечивается высокое качество умягчения и деминерализации, наиболее полно используется рабочая обменная емкость ионита, уменьшается расход реагентов, воды на собственные нужды и сточных вод. В настоящее время известны несколько конструкций противоточного фильтрования, принципиально различающихся по направлениям потоков: поток воды – снизу вверх, регенерация – сверху вниз; поток воды – сверху вниз, регенерация – снизу вверх.
Технология Швебебет
Одной из первых запатентованных противоточных технологий (60-е годы ХХ века) была технология Швебебет (с нем.: Schwebebett – взвешенный, плавающий слой) фирмы «Байер АГ». Разновидности: Лифтбет, Ринзебет, Мультистеп. Обрабатываемая вода в фильтре направляется снизу вверх, регенерационный раствор – сверху вниз. Масса ионита находится в фильтре между двумя дренажно-распределительными системами (трубы или плиты с перфорацией или колпачками со щелями). Между слоем ионита и верхней дренажно-распределительной системой расположен слой инертного гранулированного материала (обычно полиэтилен) высотой 100–300 мм, защищающий верхнюю систему от засорения мелкими частицами ионита (следствие истирания или раскалывания зерен) и от загрязнений исходной воды. В некоторой степени слой «инерта» улучшает распределение потоков по сечению фильтра. Кроме того, в фильтре есть небольшое пространство для расширения (набухания) ионита. Этой технологии присущи принципиальные недостатки:
– слой ионита очень чувствителен к изменению расхода обрабатываемой воды и перерывам в работе: наблюдается внутрислойное перемешивание, уменьшающее эффект противоточного ионирования (требуется усиленная регенерация);– необходимо регулярно производить взрыхляющие промывки, так как «мелочь» и загрязнения, скапливающиеся в верхней части слоя, могут быть унесены во время рабочего цикла в следующий фильтр или потребителю, если предварительно не взрыхлить и не отмыть слой ионита;
– взрыхление вынужденно проводится в специальной емкости, то есть неизбежно увеличение капитальных затрат;
– при желании осуществить в одном фильтре и катионирование, и анионирование – двухслойное фильтрование – требуется секционировать фильтр распределительными тарелками. Следовательно, еще увеличиваются капитальные затраты.
Технология Лифтбет
Конструкция фильтра по технологии Лифтбет (с нем.: Liftbett – поднятый слой) представляет собою две камеры, расположенные одна над другой и разделенные дренажно-распределительной системой – верхней для нижней камеры. Эта система и верхняя система верхней камеры защищены слоями «инерта». Нижняя камера заполнена ионитом только на одну треть высоты так, что оставшееся свободное пространство служит для расширения ионита во время взрыхления. Так как исходная вода проходит снизу последовательно две камеры, то слой в нижней камере воспринимает все загрязнения исходной воды, защищая слой ионита верхней камеры. Слой нижней камеры подвергается взрыхлению. Верхняя камера заполнена ионитом и «инертом» полностью. Выгрузка ионита в другую емкость для взрыхления не нужна.
Технология Ринзебет
Для технологии Ринзебет (с нем.: Rinsebett – промываемый слой) разработана следующая конфигурация фильтра. Несколько выше середины высоты фильтра установлена перфорированная плита, через отверстия которой свободно могут проходить гранулы ионита во время фильтрования воды снизу вверх. Под ней – дренажно-распределительная система для отвода из фильтра обработанной воды. Часть ионита – так называемый покровный слой – находится над перфорированной плитой. Во время рабочего цикла этот слой препятствует чрезмерному расширению основного ионообменного слоя и поглощает основное количество загрязнений и ионитной «мелочи». Он же обеспечивает возможность проведения взрыхляющей промывки непосредственно в фильтре, без перегрузки ионита в специальную емкостью. Существенное отличие этой технологии от других противоточных технологий – возможность разбавления регенеранта неумягченной (недеминерализованной) водой и отмывка ионитов от остатков регенерационного раствора такой же водой. Это возможно потому, что верхний покровный слой ионита поглощает ионы исходной воды, и регенерационный раствор и отмывочная вода поступают к основному ионитному слою умягченными (деминерализованными).
Технология Мультистеп
Фильтр, работающий по технологии Мультистеп (с нем.: Multistep – многоступенчатые, многокаскадные слои), состоит из двух или более камер, разделенных перфорированными плитами или колпачковыми устройствами. Каждая камера, кроме верхней, имеет дренажно-распределительную систему, где исходны раствор и сточные воды отводятся от регенерации предыдущей камеры. При регенерации ионита сверху вниз ионит нижерасположенной камеры защищен от загрязнения продуктами регенерации блокирующим потоком воды навстречу указанным продуктам. По технологии Мультистеп можно в одном фильтре провести все операции по умягчению и деминерализации воды.
Технология Амберпак
Технология Амберпак (с англ.: Amberpack – янтарный слой) фирмы Rohm & Haas («Ром и Хаас») предусматривает загрузку всего объема фильтра ионитом, без инертного материала. Как и в описанных выше технологиях, обрабатываемая вода движется снизу вверх, регенерирующий раствор – сверху вниз. Взрыхляющая промывка в таком фильтре невозможна – иониту некуда расширяться. Поэтому предусмотрена периодическая выгрузка нижнего (фронтального по отношению к исходной воде) слоя ионита в специальную емкость для отмывки от взвешенных примесей. Технология очень чувствительна к содержанию в воде взвешенных веществ.
Технология UFD
Технология UFD компании Degremont («Дегремон») предусматривает так же, как в технологии Амберпак, заполнение ионитом всего объема фильтра, но направление потоков другое – обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерирующего раствора – снизу вверх.
Технология фильтрации воды по системе с противодавлением
Существует несколько работающих конструкций противоточной ионообменной технологии по системе с противодавлением. Одна из таких систем разработана ВНИИАМом и ВТИ. В фильтре монтируются три (по другому варианту – четыре) дренажно-распределительных устройства: нижнее, верхнее, среднее и блокирующее (второй вариант – без четвертого специального устройства). Средний дренаж погружен в объем ионита, и из него выводится отработанный регенерационный раствор. Обрабатываемая вода подается сверху вниз. Регенерационный раствор – снизу вверх. Во время регенерации слой ионита находится в сжатом состоянии с помощью воды или сжатого воздуха, подаваемого через средний дренаж. В некоторых зарубежных конструкциях компактное состояние слоя ионита поддерживается созданием вакуума в среднем дренаже. Взрыхляется только верхний загрязненный слой ионита водой, подаваемой через средний дренаж. Взрыхлять верхний слой, не нарушая основной слой ионита, удается в течение 15–20 фильтроциклов.
Однако такой технологии присущи следующие недостатки:
– нерационально используется полезный объем фильтра: необходимо свободное пространства над средним дренажно-распределительным устройством для заполнения ионитом во время взрыхления слоя над этим устройством;
– может повредиться среднее устройство, испытывающее давление с двух сторон – регенерирующего и блокирующего ионов;
– после нескольких циклов работы (обычно 10–15) нижний слой ионита становится настолько плотным, что дополнительно требуется взрыхляющая промывка слоя ионита (кроме слоя над средним дренажом). Нижний («полирующий») слой при взрыхлении разрушается, и после этого необходима усиленная регенерация ионита.
Технология UPCORE (АПКОРЕ)
Технология АПКОРЕ (с англ.: UP.CO.RE. – UРflow COurtercurrent RЕgeneration – противоточная регенерация восходящим потоком) фирмы Dow Chemical Co. («Дау Кемикал Компани») по голландскому патенту. В фильтре, работающем по этой технологии, обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерационный раствор – снизу вверх. Технология обладает всеми преимуществами противоточных технологий и в то же время лишена недостатков, описанных выше. Так как во время рабочего цикла вода движется сверху вниз (30–40 м/ч), слой ионита остается зажатым при любых колебаниях нагрузки, даже при полном прекращении подачи воды. Таким образом, хорошо отрегенерированный слой ионита в нижней части фильтра не разрушается.
Перед подачей в фильтр регенерационного раствора слой ионита в течение 3–5 мин большим потоком воды со скоростью около 30 м/ч поднимается вверх – до соприкосновения с инертным материалом. Наличие такого материала – одна из принципиальных особенностей технологии. Верхнее дренажно-распределительное устройство прикрыто и как бы погружено в слой плавающего слоя инертного материала. Через этот слой свободно проходят вода, взвешенные примеси, ионитная «мелочь», а целые гранулы ионита, которые в отсутствие «инерта» поток мог бы унести из фильтра, задерживаются. Регенерационный раствор двух разных концентраций пропускается снизу вверх в течение 30–40 мин с такой скоростью (примерно 10 м/ч), что поднятый в предыдущей операции слой ионита остается прижатым к слою инертного материала. Две эти операции, помимо своих прямых функций, отменяют необходимость взрыхляющей промывки. Следующие этапы регенерации: отмывка ионита снизу вверх от остатков регенерационного раствора со скоростью примерно 10 м/ч в течение 30 мин; оседание слоя ионита в течение 5–10 мин; отмывка ионита сверху вниз со скоростью 20–30 м/ч в течение 30–40 мин. Весьма важная особенность технологии АПКОРЕ – возможность осуществления послойной загрузки анионитов в одном фильтре без какихлибо разделяющих устройств. За счет специального подбора слабоосновного и сильноосновного анионитов с соответствующими значениями плотностей слой слабоосновного анионита всегда сохраняет свое положение над слоем сильноосновного анионита, защищая последний от отравления органическими веществами. Наконец, простота технологии, универсальность конструкции позволяют использовать стандартные параллельноточные фильтры для противоточного фильтрования, заменяя только внутренние дренажно-распределительные устройства. Специально для технологии АПКОРЕ фирма Dow Chemical Co. («Дау Кемикал Компани») разработала и поставляет на рынок серию ионообменных смол с прекрасными гранулометрическими (монодисперсные), физико-механическими и кинетическими свойствами. В частности, не менее 90% гранул ионита имеют размеры не более ±10% средних значений размеров, что особенно значимо при двухслойной загрузке фильтров. Тенденция замены гетеродисперсных ионитов монодисперсными сегодня преобладает. Ведущие мировые фирмы («Байер», «Пьюролайт», «Ром и Хаас», «Дау Кемикал Компани»), производящие иониты, расширяют выпуск монодисперсных ионитов.
