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 + 2Н₂О

CaSO₄ + 2НR

СаR₂ + Н₂SO₄

CaCl₂ + 2НR

СаR₂ + 2НCl

Mg (HCO₃)₂ + 2НR

MgR₃ + 2СО₂ + Н₂О

MgSO₄ + 2НR

MgR₂ + Н₂SO₄

MgCl₂ + 2НR

MgR₂ + 2НCl,

NaНСО₃ + НCl

NaR + СО₂ + 2Н₂О

NaSO₄ + 2НR

NаR + Н₂SO₄

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 + Н₂О

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 – 35⁰С.

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.