Катионирование

Умягчение Na+ - катионированием

Основными уравнениями натрий-катионирования для кальциевых и магниевых солей жесткости являются:

Са(НСО3 )2 + 2NaR СаR2 + 2NaНСО3

CaSO4 + 2NaR СаR2 + NaSO4

CaCl2 + 2NaR СаR2 + 2NaCl

Mg (HCO3 )2 + 2NaR MgR2 + 2NaНСО3

MgSO4 + 2NaR MgR2 + NaSO4

MgCl2 + 2NaR MgR2 + 2NaCl

Где R – полианион катионита. В уравнении R представлен однозарядным лишь формально для упрощения записи. Фактически полианион катионита имеет потенциальное число зарядов равное числу его функциональных групп и эквивалентно выражаемое через ПДОЕ отнесенное к объему любого зерна катионита.

В процессе натрий-катионирования общее солесодержание воды не уменьшается оставаясь эквивалентным исходному а в весовых единицах даже несколько увеличивается но качественный состав солей совершенно изменяется потому что катионы жесткости (Са2+ и Mg2+ ) оказываются задержанными на катионите.

Н–Na – катионирование в процессе умягчения воды

При Н – катионировании ионитовые фильтры загружаются катионитом уже не в Na+ - форме а в Н+ - форме. Соответственно уравнения ионного обмена наиболее часто содержащихся в воде солей примут следующий вид:

Са(НСО3 )2 + 2НR СаR2 + 2СО2 + 2Н2 О

CaSO4 + 2НR СаR2 + Н2 SO4

CaCl2 + 2НR СаR2 + 2НCl

Mg (HCO3 )2 + 2НR MgR3 + 2СО2 + Н2 О

MgSO4 + 2НR MgR2 + Н2 SO4

MgCl2 + 2НR MgR2 + 2НCl

NaНСО3 + НCl NaR + СО2 + 2Н2 О

NaSO4 + 2НR NаR + Н2 SO4

NaCl + НR NаR + НCl

В первой части приведенных уравнений видно что не только катионы жесткости (Са+ и Mg2+ ) но и другие катионы (Na+ ) оказались поглощенными катионитом. Произошло полное превращение солей в кислоты. В присутствии сильных кислот (NaSO4 и НCl) бикарбонатные ионы не могут существовать: происходит их превращение в углекислый газ и воду что приводит к полному уничтожению щелочности воды но вода содержащая кислоты непригодна для использования. На практике процессом Н+ -катионирование пользуются в комбинированном процессе Н+ -Na+ - катионирования сущность которого заключается в следующем: часть потока воды обрабатывают по способу Н+ -катионирования а другую по способу Nа+ -катионирования. При этом вода от первого процесса приобретает сильные кислоты которые могут нейтрализовать излишнюю щелочность Na+ катионированной воды.

В процессе Н+ -катионирования разрушаются бикарбонаты выделяется углекислый газ (СО2 ) и воду необходимо декарбонизировать т.е. удалить углекислоту в аппаратах с насадкой называемых декарбонизаторами путем продувания воды в противотоке воздухом.

Практически комбинированное умягчение проводят по одной из трех возможных к применению схем: параллельной совместной и последовательной.

При параллельном умягчении вода делится на два потока один из которых пропускается через Н+ - катионитовые фильтры а второй – через Na+ - катионитовые фильтры. После этого оба потока объединяются; при этом подкисленная вода Н+ - катионового фильтра нейтрализует щелочность Na+ - катионированного фильтра по схеме

НХ + NaНСО3 NaХ + СО2 + Н2 О

Вода проходит декарбонизатор в котором отделяется и эвакуируется углекислый газ путем продувания воздухом. Применение декарбонизатора приводит к разрыву струи а потому за декарбонизатором устанавливается насос который прокачивает декарбонизированную и нейтрализованную воду через барьерный Na+ - катионитовый фильтр для улавливания проскока жесткости и для выравнивания колебаний величины рН смешанного потока очищаемой воды. В случае излишне пониженного рН воды происходит удержание на катионите Н+ ионов и обмен их на Na ионы т.е. повышение рН. При повышенном рН которое после Na+ - катионирования может быть только за счет NaOH происходит переход в воду задержанных ранее катионитом Н+ ионов и задержка на ионите Na+ катионов т.е. происходит ликвидация излишней щелочности.

Совместное Н+ - Na+ катионирование производят без деления воды на два потока; всю воду пропускают через один фильтр который своеобразно регенерирован а именно: сначала катионит обрабатывается кислотой т.е. переводится в Н+ - форму затем через фильтр пропускается раствор поваренной соли (NaCl) в количестве недостаточном для перевода всего катионита в Na+ форму. Такое превращение получает лишь часть (верхний слой) загрузки. Тогда процессы происходящие при параллельном умягчении после смешения двух потоков завершаются в одном фильтре как в данном случае. Однако по этому способу происходят колебания величины щелочности вследствие неравномерного (и не одинакового после каждой регенерации) распределения Na+ и Н+ - формы катионита по высоте загрузки.

В соответствии с требованиями необходимо поддерживать щелочность фильтрата на уровне 0 2 – 0 3 мг-экв/л в целях предупреждения коррозии. Средняя щелочность воды получаемой (за цикл) по этому способу несколько выше нормы и находится на уровне ~ 1мг-экв/л. Для завершения умягчения воды как и по предыдущему способу вода пропускается через декарбонизатор и Na+ - катионитовый барьерный фильтр.

Последовательное умягчение с помощью Н+ - Na+ -катионирования осуществляется путем пропускания части воды через Н+ - катионитовый фильтр затем Na+ - катионированную воду смешивают в смесителе с остальной частью воды при этом происходит нейтрализация приобретенной при Н+ катионировании кислотности за счет щелочности второй части воды. Как уже известно из предыдущего материала в этих условиях из воды должен выделится углекислый газ (СО2 ) и следовательно для его отделения воду направляют в декарбонизатор где воздухом производят отдувку углекислого газа. После этого осуществляется умягчение всей воды на Na+ -катионитовом фильтре а затем ее пропускают через барьерный Na+ -катионитовый фильтр второй ступени.

Ренегерация Na+ - катионитовых фильтров

Регенерацию Na+ - катионитовых фильтров производят 6 – 8% водным раствором поваренной соли (NaCl). При этом расход соли при умягчении вод с содержанием сухого остатка до 800 мг/л находится в пределах 2 6 -–3 5 г-экв/г-экв регенерируемой обменной емкости. При умягчении вод с содержанием сухого остатка выше 800 мг/л допускается увеличенный расзод соли на регенерацию от 4 0 – 4 5 г-экв/г-экв.

В целях уменьшения удельного расхода соли при регенерации иногда практикуют первцю половину расходного колличества соли пропускать в виде 2 – 3%-го раствора а вторую половину – в виде 6 – 7%-го раствора.

Скорости регенерирующих растворов обычно выдерживают на уровне 7 – 10 м/ч. после регенерации обычно следует отмывка катионита от избытка солевого раствора оставшегося после регенерации между зернами. Полноту отмывки контролируют по содержанию хлор-ионов в отмывочной воде.

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров (в системе Н+ - Na+ - катионирования) осуществляется 1 5 – 2% водным раствором серной кислоты (наиболее дешевая); более концентрированные растворы могут привести к загипсовыванию загрузки фильтров вследствие отложения кристаллов CaSО4 . Удельный расход кислоты может составлять от 1 3 – 3 5 г-экв/г-экв. Скорость пропускания регенерирующего раствора рекомендуется выдерживать в пределах 8 – 10 м/ч. Благоприятной температурой регенерации следует считать 25 – 350 С.

После того как закончится пропускание раствора кислоты следует начать отмывку катионита водой от избытка кислоты с той же скоростью пропускания отмывочной воды это приводит к некоторому увеличению времени регенераации на зато позволяет достичь снижения расхода отмывочной воды. Первые порции отмывочной воды содержащие соли жесткости можно спускать в нейтрализатор ии в канализацию (~ 10 мин) остальную воду полезно сбрасывать в бак в целях дальнешего использования для приготовления растворов кислоты в последующие регенерации.

Применение Н+ - катионирования требует сложной аппаратуры выполненной в кислотостойком исполнении. Кроме того возникает задача нейтрализации кислотных стоков от избытков кислоты при регенерации.