The potential to organize steady-state self-sustaining processes of the softening–desalination of brackish water was studied in a numerical experiment on the example of multicomponent model solutions containing sodium and calcium chlorides and sulfates. In the steady-state, self-sustaining processes of softening, water is subjected to desalination by means of a cation-exchange resin, and the formed brine is used to regenerate this cation-exchange resin in repeated sorption–desorption cycles without the addition of any surplus reagents. The interest in self-sustaining processes is associated with new technological opportunities in the creation of a new generation of water-treatment systems, e.g., mobile, stand-alone setups or systems with a high degree of freshwater recovery. The calculations of ion-exchange dynamics have been carried out for dozens of consecutive softening–desalination cycles via changes in the varied parameters, in particular, the ratio of components in the initial solution and the composition of desalted water. The conditions under which no steady-state regimes are formed or attained are shown. Based on the results of numerical experiments, a criterial relationship for the preliminary estimation of the feasibility of self-sustaining processes is proposed.

Based on an analysis of the results of original research performed in the Laboratory of Sorption Methods of the Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences within the project “Mathematical Chromatograph,” the review covers the aim and strategy of the imitation modeling of high-performance chromatography; associated problems of the theory of intermolecular interactions; classifications of polar stationary phases by their selectivity; descriptions of the kinetics and dynamics of sorption processes, choice of the composition of multicomponent mobile phases in HPLC and ion chromatography using the method of the dynamic map of a chromatographic system; and the development of alternating gradient modes using a mathematical experiment.

Using the method of numerical experiment, the possibility of arranging steady-state self-sustaining processes for softening and desalinating salty water has been studied with use of two-component model solutions containing calcium and sodium ions as an example. In such processes, water softened by ion exchange is subjected to desalination, and the brine formed in this process—without any additional chemicals—is used to regenerate the cation-exchange resin in repeated sorption–desorption cycles. Interest in self-sustaining processes is associated with new technological capabilities for creating a new generation of water-treatment systems, for example, mobile independent units or systems with high degrees of freshwater extraction and brine concentration. The basic foundations of self-sustaining processes are discussed. The ion-exchange dynamics is calculated for many dozens of successive softening–desalination cycles under conditions of varying parameters, such as the ratio of components in the initial solution, the degree of mineralization of such solutions, the degree of concentration of brines, and the composition of desalinated water. The conditions under which the steady-state regimes are formed or not achieved are found.

Рассмотрен циклический процесс сорбции, взрыхления, регенерации и отмывки в промышленном катионитовом фильтре центральной обессоливающей установки Новочеркасской ГРЭС при его длительной эксплуатации. Проведен расчет всех стадий процесса по программе “Createscheme” для каждого цикла. Для одного из 18 экспериментально исследованных циклов представлены расчетные и экспериментальные выходные кривые для иона натрия в середине слоя и на выходе из фильтра.Показано удовлетворительное совпадение расчетного и определенного экспериментально количества колоночных объемов очищенной воды. Совпадение на всех стадиях процесса экспериментальных и расчетных данных свидетельствуют об адекватности предложенных математических моделей промышленному процессу водоподготовки.

Идеи проф. М.М.Сенявина на заре развития отечественной ионной хроматографии касались проблем унификации хроматографического анализа: управление ходом анализа должно производиться не обычным интуитивным путем, снижающим объективность анализа, а на основе результатов математического моделирования процессов ионообменного разделения. При этом сам метод должен быть достаточно информативен, чтобы был возможен выбор стратегии проведения анализа. Руководствуясь идеями Сенявина, авторы статьи провели комплекс исследований в области теории и практики ионной хроматографии, включающие в себя: высокоселективные и чувствительные способы определения микрокомпонентов, способы одновременного определения анионов и катионов, а также компьютерную программу, основанную на математическом моделировании ионной хроматографии высокого уровня. Продемонстрирована возможность применения новых способов для осуществления вещественного анализа сложных природных объектов. В частности, подробно рассмотрен пример определения различных форм серы и других ионов в конденсатах фумарольных газов

Получены экспериментальные данные по распределению катионов очищаемой воды по слою катионита КУ-2 до и после его взрыхления путем отбора проб на разной высоте работающего ионообменного фильтра. По программе «Createscheme» рассчитаны распределения, которые хорошо совпадают с экспериментальными данными. Показано, что, при взрыхлении происходит полное перемешивание слоя катионита независимо от скорости подачи взрыхляющей воды в исследованном диапазоне скоростей потока

Изучены технологические особенности работы промышленной ионообменной колонны на примере катионитового фильтра первой ступени центральной обессоливающей установки Новочер-касской ГРЭС. Описана подготовка фильтра к экспериментам и методика их проведения. Экспериментально изучена гидродинамика процессов регенерации и отмывки. Разработаны модель и программа для описания процессов на этих технологических стадиях. Сопоставлением расчетов и экспериментальных данных показано, что гидродинамика этих процессов описывается диффузионной моделью с коэффициентами, определенными нами ранее при стендовых испытаниях.

В данном сообщении рассмотрено влияние изменения состава исходной очищаемой воды и производительности (скорости потока) на процесс очистки воды на полностью регенерированном ионите, для чего в промышленный фильтр был загружен новый катионит КУ-2 в водородной форме. Получены выходные кривые иона натрия на выходе из фильтра и из середины слоя катионита. Расчетная часть работы выполнена по программе «Createscheme», позволяющей учитывать переменный характер входных параметров. Сопоставление экспериментальных выходных кривых с расчетными показало, что наилучшее их совпадение наблюдается при учете всех изменений состава воды на входе в фильтр и скорости потока по сравнению с моделью с использованием постоянных граничных условий.

Описан алгоритм моделирования процесса двухкомпонентной динамики сорбции смешенной диффузионной кинетики, с граничным условием, удовлетворяющим соотношениям Никольского. Алгоритм может быть использован при создании программы для решения обратной задачи по определению коэффициентов внешней и внутренней диффузии, а также константы обмена

This paper briefly describes original developments in the theoretical and practical ion chromatography. It is demonstrated that new methods may be applied for the highly-selective analysis of complex natural objects. The determination of different species of sulfur and other ions in the condensates of fumarolic gases is considered in detail as an example.

Using the IONCHROM software, we performed modeling of a new chromatographic system on an example of an ion chromatograph from METROHM. To determine all necessary parameters, we had to construct a dynamic map of this system, by which the conditions of the required separation were found in different pH and concentration ranges, after which three or four experiments with the chosen eluents were sufficient. The model corrected with the the found parameters was used to predict the behavior of the system and, in particular, to optimize the analysis.

A mathematical model is constructed for calculating peak widths and positions in gradient ion chromatography. It is shown that in high performance chromatography, the width of the chromatographic peak is completely determined by the eluant properties at the moment of peak elution from the column. Model test calculations are presented.

A distribution for the rigid and nonrigid adsorbed molecule forms was found. Adsorbed molecule rigidity failure was shown to be accompanied by a weak nonlinear effect, which manifested itself as a temperature dependence of the Henry constant. A method for the determination of the barrier to intramolecular rotation from the temperature dependence of the molecule adsorption constant was suggested. Barriers to rotation about the C-C and C-O bonds were determined for several molecules.