2. Зм’якшення води катіонуванням

Вибір методу катіонування води визначається вимогами, що ставляться до обробленої води, складом домішок, розчинених у вихідній воді, і техніко-економічними міркуваннями.

Натрій-катіонітовий метод зм’якшення води (Na-катіонітовий) застосовують для зм’якшення підземних і поверхневих вод із вмістом  завислих речовин не більше 5-8 мг/дм3 і кольоровістю не більше 30 град.

Жорсткість води може бути знижена при одноступінчастому Na-катіонуванні до 0,03-0,05, при двоступінчастомуу - до 0,01 мг-екв/дм3.

При фільтруванні води через шар Na-катіоніту відбуваються наступні реакції обміну:

2 [Кат] Na  +  Са(HCO3)2  =  [Кат]2 Са + 2NаНСО3;

2 [Кат] Na  +  Mg(HCO3)2  =  [Kaт]2 Mg + 2NаНСО3;

2 [Кат] Na  +  CaSO4  =  [Кат]2 Са + Na2SO4;

2 [Кат] Na  +  MgSO4  =  [Kaт]2 Mg + Na2SO4,

де [Кат] - нерозчинна матриця полімеру.

Після виснаження робочої обмінної ємкості катіоніту він втрачає здатність зм'якшувати воду.

Процес обробки води на катіонітових фільтрах складається з наступних послідовних операцій:

1) фільтрування води через шар катіоніту до моменту досягнення жорсткості, що гранично допускається, у фільтраті (швидкість фільтрування в межах 10-25 м/год.);

2) розпушування шару катіоніту висхідним потоком незм'якшеної води, відпрацьованого регенерата або відмивних вод (інтенсивність потоку 3-4 л/с. м2);

3) спуску водяної подушки, щоб уникнути розбавлення регенеруючого розчину;

4) регенерації катіоніту за допомогою фільтрування відповідного розчину (швидкість фільтрування 3-5 м/год.);

5) відмивання катіоніту незм'якшеною водою (швидкість фільтрування 8-10 м/год.).

На регенерацію звичайно витрачають близько 2 год., з них на розпушування – 10-15 хв., на фільтрування регенеруючого розчину – 15-30, на відмивання – 30-60 хв.

Регенерація виснаженого Na-катіоніту досягається фільтруванням через нього розчину куховарської солі. У процесі регенерації відбуваються наступні реакції:

[Кат]2 Са  +  2NaCl  =  2 [Кат] Na + CaCl2;

[Кат]2 Mg  + 2NaCl  =  2[Кат]Na + MgCl2.

Куховарська сіль застосовується для регенерації завдяки її доступності, а також внаслідок утворення добре розчинних солей СаСl2 і MgCl2, які легко видаляються з регенераційним розчином і відмивною водою.

Найбільш простою є схема одноступінчатої катіонітової установки (рис. 1.8). Вода, минувши Na-катіонітові фільтри, збирається в бак, з якого подається споживачу. У складі установки передбачено устаткування для проведення розпушування завантаження фільтрів, пропуску регенераційного розчину і відмивання завантаження. За схемою, показаною на рис. 1.9, можна досягти глибшого зм’якшення води за рахунок двоступінчастої обробки води. У цьому випадку у фільтрах 1 ступеня вода піддається зм'якшуванню до залишкової жорсткості 0,1-0,2 мг-екв/дм3. Потім на фільтрах 2 ступеня жорсткість заздалегідь зм'якшеної води знижується до 0,02-0,01 мг-екв/дм3.

Одноступінчаста схема Na-катіонування має недоліки, що обмежують її застосування: неможливість глибокого зм’якшення води; відносно питома витрата солі на регенерацію;неповне використання ємкості поглинання фільтру.Фільтри 2 ступеня створюють свого роду бар'єр, перешкоджаючий проскакуванню іонів, що видаляються, при випадкових відхиленнях в роботі фільтрів 1 ступеня; тому фільтри 2 ступеня називають бар'єрними. При їх наявності спрощується експлуатація установки, оскільки катіонітові фільтри першого ступеня відключаються на регенерацію не за проскакуванням іонів Са2+ і Mg2+, що вимагає ретельного контролю жорсткості води після цих фільтрів, а за кількістю води, пропущеної через них. Невелике підвищення кількості солей жорсткості після фільтрів першого ступеня не небезпечне, оскільки  вони будуть затримані бар'єрними фільтрами. Ємкість поглинання на фільтрах і термін їх корисної роботи при двоступінчастому катіонуванні збільшуються. У зв'язку з тим, що фільтри другого ступеня несуть невелике навантаження по зниженню жорсткості води, термін їх роботи до регенерації досягає 150-200 год.
Слід мати на увазі, що при пропуску регенераційного розчину (у даному випадку NaCl) зверху вниз у процесі регенерації повний обмін Na+ на Са2+ і Mg2+, що містяться в катіоніті, відбувається у верхніх шарах завантаження фільтру. При пропусканні розчину NaCl зверху вниз в ньому зростає концентрація катіонів Са2+, що витісняються з катіонітів, і Mg2+ і знижується концентрація катіонів Na+.

Збільшення концентрації протиіонів (у даному разі Са2+ і Mg2+) в регенераційному розчині пригнічує дисоціацію виснаженого катіоніту і ослабляє процес іонного обміну. Виникаючий при цьому протиіонний ефект гальмує реакцію регенерації, внаслідок чого в міру руху регенеруючого розчину в нижні шари катіоніту регенерація останнього відбувається менш повно і деяка кількість катіонів Са2+ і Mg2+ залишається невитісненими з нижніх шарів катіоніту. Для усунення цього явища необхідно одночасно пропускати через катіоніт свіжі порції розчину реагенту і відводити продукти регенерації.

Водень-натрій-катіонітовий метод зм’якшення води.

Обробка води водень-катіонуванням (Н-катіонуванням) заснована на фільтруванні її через шар катіоніту, що містить як обмінні іони катіони водню:

2 [Кат] Н  +  Са(НСО3)2  =   [Кат]2 Са + 2СО2 + 2Н2О;

2 [Кат] Н  +  CaCl2  =  [Кат]2 Са + 2НСl;

2 [Кат] Н  +  CaSО4  =  [Кат]2 Са + H2SO4;

2 [Кат] Н  +  MgSО4  =  [Kaт]2 Mg + H2SO4.

При Н-катіонуванні води значно знижується її рН через кислоти, що утворюються у фільтраті.

Оксид вуглецю (IV), що виділяється при Н-катіонуванні, можна видалити дегазацією і в розчині залишаться мінеральні кислоти в кількостях, еквівалентних вмісту сульфатів і хлоридів у вихідній воді.

З наведених раніше реакцій для Na-катіонітового методу зм’якшення води видно, що лужність води у процесі іонного обміну не змінюється. Таким чином, змішуючи кислий фільтрат після Н-катіонітових фільтрів з лужним фільтратом після Na-катіонітових фільтрів можна одержати зм'якшену воду з різною лужністю. У цьому полягає перевага H-Na-катіонітового методу зм’якшення води.

H-Na-катіонітовий метод застосовують для обробки підземних і поверхневих вод із вмістом завислих речовин не більше 5-8 мг/дм3. Застосовуються паралельне, послідовне і змішане H-Na-катіонування.

При паралельному H-Na-катіонуванні одна частина води пропускається через Na-катіонітовий фільтр, інша - через Н-катіонітовий фільтр, а потім обидва потоки змішуються.

При послідовному H-Na-катіонуванні частину води пропускають через Н-катіонітові фільтри, потім змішують з рештою води, одержану суміш пропускають через спеціальний дегазатор для видалення оксиду вуглецю (IV), а потім всю воду подають на Na-катіонітові фільтри. При підвищених вимогах до зм’якшення води схема доповнюється Na-катіонітовими фільтрами другого ступеня. До недоліку схеми слід віднести велику витрату електроенергії, що витрачається на проштовхування води через послідовно включені фільтри

Сумісне H-Na-катіонування проводиться в одному фільтрі, верхнім шаром завантаження якого є Н-катіоніт, а нижнім - Na-катіоніт. Перевагою даної схеми є відсутність кислих стоків, недоліком - складність регенерації для отримання верхнього шару Н-катіоніту і нижнього шару Na-катіоніту.

При регенерації Н-катіонітових фільтрів сірчаною кислотою протікають наступні реакції:

[Kaт]2 Mg  + H2SO4  = 2 [Кат] Н  +  MgSО4;

[Кат]2 Са + H2SO4  = 2 [Кат] Н  +  CaSО4↓.

Щоб уникнути забруднення завантаження фільтру гіпсом, регенерацію спочатку проводять 1-1,5%-ним розчином сірчаної кислоти, а потім (при необхідності), коли основна маса Са2+ витіснена, - 5%-ним розчином. Швидкість пропуску регенераційного розчину сірчаної кислоти через шар катіоніту приймають не менше 10 м/год. з подальшим відмиванням катіоніту незм'якшеною водою, що пропускається через шар катіоніту зверху вниз із швидкістю 10 м/год.

Натрий-хлор-іонітний метод зм’якшення води

Натрій-хлор-іонітний (Nа-С1-іонітний) метод заснований на зм'якшуванні води з одночасним зниженням лужності, здійснюється послідовним фільтруванням оброблюваної води через Na-катіонітовий фільтр першого ступеня, С1-аніонітовий фільтр і потім Na-катіонітовий фільтр другого ступеня. Другий ступінь Na-катіонування раціонально суміщати в одному фільтрі з Cl-аніонуванням, при цьому знизу завантажується катіоніт, а зверху - сильноосновний аніоніт.

Іоніти регенерують 5%-ним розчином куховарської солі, внаслідок чого катіоніт переводиться в Na-форму, а аніоніт – в С1-форму. У натрій-катіонітовому фільтрі відбувається заміщення катіонів Са2+ і Mg2+ на Na+.

У суміщеному натрій-хлор-іонітному фільтрі в шарі аніоніту аніони SO42-, NO3-, NO-, НСО3-, що містяться в оброблюваній воді, обмінюються на іони хлору, а в шарі катіоніту - катіони жорсткості, що «проскочили», обмінюються на катіони Na+.

Жорсткість зм'якшеної води складає 0,01 мг-екв/дм3, лужність - 0,2 мг-екв/дм3. На установках продуктивністю від 5 до 50 м3/год. натрий-хлор-іонітний метод зм’якшення води має ряд переваг у порівнянні з водень-натрій-катіонітовим методом: витрачається тільки один реагент - куховарська сіль, відпадає необхідність в кислотному господарстві, не потрібний антикорозійний захист устаткування, трубопроводів і спеціальної арматури. Зменшується кількість устаткування, спрощується контроль за роботою і експлуатацією водозм’якшувальної установки.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я