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.