Книги по строительству и ремонту

Водоснабжение

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

§ 124. Основы катионитного умягчения воды

Умягчение воды по методу ионного обмена основано на свойстве катионитов обменивать катионы, которыми предварительно «заряжены» его активные группы, на содержащиеся в умягчаемой воде катионы кальция и магния. В результате реакции катионит отдает в воду взамен поглощенных обменные катионы. В зависимости от того, каким обменным ионом «заряжен» катионит: натрием, водородом или аммонием — различают процессы Na-, H- и МН4-катионирования.

Процесс обмена ионов между катионитами и раствором, содержащим соли жесткости, зависит от многих факторов. Главными из них являются свойства катионитов, состав исходной воды и условия происходящего процесса. Все эти факторы тесно связаны между собой и прежде всего определяют скорость прохождения ионообменных реакций. Реакция обмена между катионитом и ионами исходной воды, являющейся раствором солей, обусловливается диффузией ионов из раствора внутрь катионита и из катионита в исходную воду. Процесс управляется законами диффузии и действия масс.

При умягчении воды, содержащей ионы кальция и магния, Na-катионированием кальций и магний будут диффундировать в катионит; в свою очередь натрий из катионита диффундирует в воду. В результате обменной реакции кальций и магний займут место вытесненного натрия в ка-тионите, а натрий займет место магния и кальция в умягченной воде. Обмен ионов между катионитом и растворами (водой) происходит эквивалентно: из катионита ионы Na+ вытесняются в количестве, эквивалентном количеству ионов Са2+ и Mg2+, поглощаемых из раствора. Обмен ионов является не только эквивалентным, но и обратимым процессом. Обратимость обмена ионов заключается в том, что скорость обмена иона, вытесненного из катионита, и иона, поглощенного из раствора, при условии равновесия практически равна. Эквивалентность и обратимость обмена ионов нарушаются в том случае, если наряду с обменом ионов в воде протекают другие реакции, например окислительно-восстановительные, физическая сорбция молекул и др.

При ведении процесса Na-катионирования (как и других процессов) для практических целей главной задачей является максимальное использование ионообменной способности  (емкости)  катионита, ибо от нее и  степени ионизации активных групп катионита зависит эффективность применения ионообменного процесса. Большое влияние на обменную способность катионита оказывает природа поглощаемых катионов. Любой катион может поглощаться катионитом полностью, однако величина рабочей емкости поглощения при этом будет зависеть от того, какой именно катион поглощается. Интенсивность поглощения подчиняется определенной закономерности:

Na+ < NH4+ < К+ < Mg2+ < Са2+.

Здесь каждый последующий катион поглощается катионитом более интенсивно, чем предыдущий.

В качестве катионитов в настоящее время применяются только искусственно получаемые материалы. Из числа практически используемых катионитов в первую очередь следует указать сульфоуголь—полифункциональный катионит, получающийся сульфированием (обработка концентрированной серной кислотой при высокой температуре) природных коксующихся плавких каменных углей. По внешнему виду сульфоуголь — черный зернистый материал, состоящий из гранул неправильной формы размером от 0,25 до 1,2 мм. Обменная способность сульфоугля составляет от 200 до 300 мг-экв/л в зависимости от условий применения. Сульфоуголь применяется для Na-, H- и МН4-катионирования. Благодаря доступности и дешевизне сульфоуголь получил широкое распространение в теплоэнергетике для водоподготовки.

Кроме сульфоугля в настоящее время широко применяют синтетические ионообменные смолы — иониты, представляющие собой высокомолекулярные соединения, которые состоят из молекул-гигантов с огромной молекулярной массой. Ионит— твердое, практически нерастворимое в воде вещество, механически прочное и химически устойчивое.

Ионообменная способность синтетических ионитов, так же как и естественных, обусловливается активными группами, закрепленными на каркасе высокомолекулярных соединений, расположенных в объеме частицы (зерна). Таким образом, всякий ионит — это нерастворимый отрицательный или положительный поливалентный ион, окруженный подвижными ионами противоположного знака. Из синтетических катионитов наиболее широкое распространение в водоочистке получили КБ-4-П2, КУ-1Г, КУ-2-8. Они обладают в несколько раз большей обменной способностью, чем сульфоуголь. Например, обменная способность КУ-2-8 при Na-катионировании составляет 800—900 мг-экв/л.

Ионообменные процессы, осуществляемые на катионитах, основаны на типовых реакциях катионного обмена

Подобные процессы обмена осуществляются на практике в динамических условиях фильтрованием умягчаемой воды через слой набухшего катионита, загруженного в специальных фильтрах.

Такой же характер будут иметь реакции Н-катионирования в отношении магниевых солей.

В процессе умягчения воды Na-катионированием содержание кальция и магния в воде может быть снижено до весьма малых величин: при одноступенчатом — до 0,03 —0,05 мг-экв/л и при двухступенчатом —до 0,01 мг-экв/л.

Особенность Na-катионироваиия заключается в том, что карбонатная жесткость умягчаемой воды, обусловленная бикарбонатами кальция и магния, переходит в бикарбонатную щелочность ЫаНСОз, т. е. концентрация бикарбонатных ионов не изменяется. Солесодержание фильтрата несколько возрастает в результате замещения в растворе одного иона кальция на два иона натрия с большой атомной массой.

По мере фильтрования жесткой воды через слой катиоиита он постепенно теряет способность умягчать воду. Вся обменная способность катионита будет исчерпана тогда, когда все его активные, группы израсходуют ионы натрия и будут замещены ионами кальция и магния.

Регенерация Na-катионита достигается пропусканием через него раствора с большим содержанием натрия, например 10%-ного раствора поваренной соли

Получающиеся в процессе фильтрования через катионит раствора NaC] хлористые соли кальция и магния сбрасываются в дренаж с последующей отмывкой катионита от продуктов регенерации.

В процессе Н-катионирования наряду с умягчением исходной воды устраняется ее природная щелочность вследствие вторичных процессов:

t н+ + нсо- ^ н2со3 - up + со2.

Однако, как видно из приведенных выше    реакций,    получаемая   в этом процессе вода имеет низкое значение рН, так как все некарбонатные соли различных присутствующих в воде катионов превращаются при Н-катионировании в соответствующие кислоты (в основном НС1 и H2SO4). Кислотность воды в этом процессе зависит от глубины ее Н-ка-тионирования, т. е. от полноты обмена катионов металлов на катион водорода.

Задержанные катионитом ионы кальция и магния при регенерации его кислотой замещаются водородными ионами кислоты.

При регенерации Н-катионита возникают вторичные процессы взаимодействия между продуктами реакции, в частности кальцием, вытесненным из катионита, и сульфатными анионами, которые могут дать в слое катионнта осадок гипса, что приведет к потере эффекта регенерации. Чтобы этого не произошло, применяют, например, прогрессивно-последовательную регенерацию катионита 1-, 1,5- и 5%-ным раствором серной кислоты.

Наибольшее практическое применение нашло сочетание процессов Na- и Н-катионирования. В этом случае может быть достигнута требуемая потребителем величина щелочности или кислотности благодаря взаимной нейтрализации кислой и щелочной воды. Процесс Н—Na-ка-тионирования может осуществляться по одной из описанных далее схем.

1.         Параллельное Н—Na-катионирование применяют для    исходной

воды с малой некарбонатной жесткостью. При этом часть воды пропус

кается через Н-катионитный фильтр, а другая часть — через Na-катиони-

тный фильтр. Затем оба фильтрата смешиваются. В результате можно

получить воду с весьма малой жесткостью и близкой к    нулевой    ще

лочностью. Выделяющаяся при    взаимодействии    Na-катионированной

воды с Н-катионированной водой углекислота удаляется    на специаль

ных дегазаторах.

2.         Последовательное Н—Na-катионирование обычно применяют для

умягчения воды с относительно высокой жесткостью. При этом часть об

рабатываемой воды пропускается через Н-катионитный   фильтр,    затем

смешивается с остальной частью воды,  пропускается через    удалитель

углекислоты (дегазатор) и, наконец, вся смесь пропускается через Na-

катионитный фильтр.

3.         Совместное    Н—Na-катионирование    осуществляется    в    одном

фильтре. При этом верхний слой катионита в фильтре отрегенерирован

для работы по методу Н-катионирования, а нижний — для    работы    по

методу Na-катионирования.

Для доумягчения фильтрата после Н—Na-катионирования применяют дополнительный  Na-катионитный  фильтр   (так называемый  Na-ка-тионитный фильтр второй ступени).

Осуществление метода Н-катионирования на практике связано с некоторыми сложностями и с соблюдением особых требований техники безопасности, которые неизбежны при обращении с кислотами и их растворами,— необходимы кислотостойкая изоляция аппаратов, трубопроводов и арматуры или изготовление их из специальных кислотостойких материалов (нержавеющая сталь, биметалл, пластмассы).

Катионитовые методы позволяют достигнуть весьма глубокого умягчения воды — до 0,01 мг-экв/л и снижения щелочности до 0,35 мг-экв/л.