Катионирование
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
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.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.promeco.h1.ru/l