Катиониты. Основы катионитного умягчения воды

Вся библиотека >>>

Содержание книги >>>

Книги по строительству и ремонту

Водоснабжение

Быт. Хозяйство. Строительство.Техника

§ 124. Основы катионитного умягчения воды

Умягчение воды по методу ионного обмена основано насвойстве катионитов обменивать катионы, которыми предварительно «заряжены»его активные группы, на содержащиеся в умягчаемой воде катионы кальция имагния. В результате реакции катионит отдает в воду взамен поглощенныхобменные катионы. В зависимости от того, каким обменным ионом «заряжен»катионит: натрием, водородом или аммонием — различают процессы Na-, H- иМН4-катионирования.

Процесс обмена ионов между катионитами и раствором,содержащим соли жесткости, зависит от многих факторов. Главными из нихявляются свойства катионитов, состав исходной воды и условия происходящегопроцесса. Все эти факторы тесно связаны между собой и прежде всего определяютскорость прохождения ионообменных реакций. Реакция обмена между катионитом иионами исходной воды, являющейся раствором солей, обусловливается диффузиейионов из раствора внутрь катионита и из катионита в исходную воду. Процессуправляется законами диффузии и действия масс.

При умягчении воды, содержащей ионы кальция и магния,Na-катионированием кальций и магний будут диффундировать в катионит; в своюочередь натрий из катионита диффундирует в воду. В результате обменнойреакции кальций и магний займут место вытесненного натрия в ка-тионите, анатрий займет место магния и кальция в умягченной воде. Обмен ионов междукатионитом и растворами (водой) происходит эквивалентно: из катионита ионыNa+ вытесняются в количестве, эквивалентном количеству ионов Са2+ и Mg2+,поглощаемых из раствора. Обмен ионов является не только эквивалентным, но иобратимым процессом. Обратимость обмена ионов заключается в том, что скоростьобмена иона, вытесненного из катионита, и иона, поглощенного из раствора, приусловии равновесия практически равна. Эквивалентность и обратимость обменаионов нарушаются в том случае, если наряду с обменом ионов в воде протекаютдругие реакции, например окислительно-восстановительные, физическая сорбциямолекул и др.

При ведении процесса Na-катионирования (как и другихпроцессов) для практических целей главной задачей является максимальноеиспользование ионообменной способности  (емкости)  катионита, ибо от нее и  степениионизации активных групп катионита зависит эффективность применения ионообменногопроцесса. Большое влияние на обменную способность катионита оказывает природапоглощаемых катионов. Любой катион может поглощаться катионитом полностью,однако величина рабочей емкости поглощения при этом будет зависеть от того,какой именно катион поглощается. Интенсивность поглощения подчиняетсяопределенной закономерности:

Na+ < NH4+ < К+ < Mg2+ < Са2+.

Здесь каждый последующий катион поглощается катионитомболее интенсивно, чем предыдущий.

В качестве катионитов в настоящее время применяются толькоискусственно получаемые материалы. Из числа практически используемыхкатионитов в первую очередь следует указать сульфоуголь—полифункциональныйкатионит, получающийся сульфированием (обработка концентрированной сернойкислотой при высокой температуре) природных коксующихся плавких каменныхуглей. По внешнему виду сульфоуголь — черный зернистый материал, состоящий изгранул неправильной формы размером от 0,25 до 1,2 мм. Обменная способностьсульфоугля составляет от 200 до 300 мг-экв/л в зависимости от условийприменения. Сульфоуголь применяется для Na-, H- и МН4-катионирования.Благодаря доступности и дешевизне сульфоуголь получил широкое распространениев теплоэнергетике для водоподготовки.

Кроме сульфоугля в настоящее время широко применяютсинтетические ионообменные смолы — иониты, представляющие собойвысокомолекулярные соединения, которые состоят из молекул-гигантов с огромноймолекулярной массой. Ионит— твердое, практически нерастворимое в водевещество, механически прочное и химически устойчивое.

Ионообменная способность синтетических ионитов, так же каки естественных, обусловливается активными группами, закрепленными на каркасевысокомолекулярных соединений, расположенных в объеме частицы (зерна). Такимобразом, всякий ионит — это нерастворимый отрицательный или положительныйполивалентный ион, окруженный подвижными ионами противоположного знака. Изсинтетических катионитов наиболее широкое распространение в водоочисткеполучили КБ-4-П2, КУ-1Г, КУ-2-8. Они обладают в несколько раз большейобменной способностью, чем сульфоуголь. Например, обменная способность КУ-2-8при 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 вдинамических условиях фильтрованием умягчаемой воды через слой набухшегокатионита, загруженного в специальных фильтрах.

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

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

Особенность Na-катионироваиия заключается в том, чтокарбонатная жесткость умягчаемой воды, обусловленная бикарбонатами кальция имагния, переходит в бикарбонатную щелочность ЫаНСОз, т. е. концентрациябикарбонатных ионов не изменяется. Солесодержание фильтрата нескольковозрастает в результате замещения в растворе одного иона кальция на два ионанатрия с большой атомной массой.

По мере фильтрования жесткой воды через слой катиоиита онпостепенно теряет способность умягчать воду. Вся обменная способностькатионита будет исчерпана тогда, когда все его активные, группы израсходуютионы натрия и будут замещены ионами кальция и магния.

Регенерация Na-катионита достигается пропусканием черезнего раствора с большим содержанием натрия, например 10%-ного раствораповаренной соли

Получающиеся в процессе фильтрования через катионитраствора NaC] хлористые соли кальция и магния сбрасываются в дренаж споследующей отмывкой катионита от продуктов регенерации.

В процессе Н-катионирования наряду с умягчением исходнойводы 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 всенекарбонатные соли различных присутствующих в воде катионов превращаются при Н-катионированиив соответствующие кислоты (в основном НС1 и H2SO4). Кислотность воды в этомпроцессе зависит от глубины ее Н-ка-тионирования, т. е. от полноты обменакатионов металлов на катион водорода.

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

При регенерации Н-катионита возникают вторичные процессывзаимодействия между продуктами реакции, в частности кальцием, вытесненным изкатионита, и сульфатными анионами, которые могут дать в слое катионнта осадокгипса, 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 сочетаниепроцессов Na- и Н-катионирования. В этом случае может быть достигнутатребуемая потребителем величина щелочности или кислотности благодаря взаимнойнейтрализации кислой и щелочной воды. Процесс Н—Na-ка-тионирования можетосуществляться по одной из описанных далее схем.

1.         Параллельное Н—Na-катионирование применяютдля    исходной

воды с малой некарбонатной жесткостью. При этом часть водыпропус

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

тный фильтр. Затем оба фильтрата смешиваются. В результатеможно

получить воду с весьма малой жесткостью и близкой кнулевой    ще

лочностью. Выделяющаяся при    взаимодействииNa-катионированной

воды с Н-катионированной водой углекислота удаляется    наспециаль

ных дегазаторах.

2.         Последовательное Н—Na-катионирование обычноприменяют для

умягчения воды с относительно высокой жесткостью. При этомчасть об

рабатываемой воды пропускается через Н-катионитныйфильтр,    затем

смешивается с остальной частью воды,  пропускаетсячерез    удалитель

углекислоты (дегазатор) и, наконец, вся смесь пропускаетсячерез Na-

катионитный фильтр.

3.         Совместное    Н—Na-катионированиеосуществляется    в    одном

фильтре. При этом верхний слой катионита в фильтреотрегенерирован

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

методу Na-катионирования.

Для доумягчения фильтрата после Н—Na-катионированияприменяют дополнительный  Na-катионитный  фильтр   (так называемыйNa-ка-тионитный фильтр второй ступени).

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

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