Сотрудники лаборатории сорбционных методов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН изучили самоподдерживающийся процесс умягчения — обессоливания водных растворов.

В работе приведено теоретическое обоснование возможности организации такого процесса, продемонстрированы результаты численных экспериментов, проводимых с помощью программы CreateScheme, полностью имитирующей весь технологический цикл. Проверка в условиях лабораторного эксперимента на небольшой ионообменной колонке показала, что математическая модель адекватно описывает процессы ионного обмена. Данная работа актуальна для комплексного изучения самоподдерживающихся процессов, которые являются основой экологически безопасных и ресурсосберегающих химических технологий.

Результаты были опубликованы в журнале «Сорбционные и хроматографические процессы».

Главной особенностью самоподдерживающихся процессов является использование побочных продуктов одной технологической стадии в качестве основного восполняемого реагента на другой стадии. В представленной работе разрабатывали и изучали самоподдерживающийся процесс умягчения — обессоливания водных растворов, который включает в себя следующие стадии:

1. Ионообменное умягчение солёной воды на колонне с катионитом в натриевой форме, что исключает образование осадков солей жёсткости в дальнейшем.

2. Полное обессоливание умягчённой воды дистилляцией.

3. Регенерация, то есть обратный перевод катионита в натриевую форму с использованием рассола, образующегося на предыдущей стадии, основным компонентом которого является хлористый натрий.

На стадии умягчения исходная вода пропускается через колонну с катионитом сверху вниз, регенерация проводится противотоком снизу вверх. Ионообменные процессы останавливаются при достижении заданных значений концентрации иона кальция на выходе из колонны. Дистилляция заканчивается при достижении заданной концентрации иона натрия в рассоле. Значение этих концентраций определяется требованиями, предъявляемыми к качеству обессоленной воды. Две катионитовые колонны, работающие в противофазе, позволяют организовать непрерывные стационарные циклы умягчения—регенерации. Для самоподдерживающегося процесса обессоливания характерно некоторое снижение эффективности ионообменных стадий за счёт неполноты регенерации и блокирования части ионообменной ёмкости катионита ионами кальция.

Математическое моделирование и численный эксперимент являются необходимыми инструментами при изучении и организации самоподдерживающихся процессов (на рисунке). Исследователь получает возможность рассчитывать большое число циклов процесса до наступления стационарного режима, отслеживая распределение катионов в фазе катионита после каждой стадии цикла. Появляется возможность масштабирования. Кроме того, можно оценить степень значимости каждого технологического параметра процесса и найти сочетание параметров, при котором самоподдерживающийся процесс реализуется с максимальной эффективностью.

Большое значение при этом приобретает правильность математической модели. Разработанная программа для расчёта CreateScheme включает в себя физико-химическую математическую модель ионообменных стадий процесса. Было важно проверить адекватность математической модели в условиях лабораторного эксперимента на небольшой ионообменной колонке (25 мл) и оценить возможность наступления стационарного режима при умягчении-обессоливании простого по составу раствора, содержащего смесь хлоридных солей кальция и натрия (Na⁺ — 0,024, Ca²⁺ — 0,021 моль-экв/л). Проверку математической модели проводили сопоставлением экспериментальных и расчётных значений концентрации иона кальция на выходе из колонки при пропускании соответствующих растворов на стадии умягчения и регенерации. Проверка прошла успешно. Математическая модель адекватно описывает процессы ионного обмена, стабилизация режима достигается начиная с десятого цикла.

Источник: ГЕОХИ РАН.