Натрий-катионирование

Этот процесс применяется для умягчения воды и имеет самостоятельное значение при подготовке добавочной воды для котлов низкого давления и подпиточной воды для тепловых сетей, если исходная вода имеет малую щелочность.

Обработка воды путем натрий-катионирования заключается в фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы натрия. При этом катионит поглощает из воды ионы Са²⁺ и Mg²⁺, обусловливающие ее жесткость, а в воду переходит из катионита эквивалентное количество ионов Na⁺. Протекающие реакции могут быть записаны следующим образом:

2NaR + Ca(HCO₃)₂  CaR₂ + 2NaHCO₃;

2NaR + Mg(HCО₃)₂  MgR₂ + 2 NaHCO₃;

2NaR + CaCl₂  CaR₂ + 2NaCl;

2NaR + MgSO₄  MgR₂ + Na₂SO₄,

где СаR₂, MgR₂, NaR - солевые формы катионита;

R - комплекс матрицы и функциональной группы без обменного

иона; его принято считать одновалентным.

При Na – катионировании:

- жесткость воды снижается,

- анионный состав не изменяется,

- щелочность остается постоянной.

- Суммарная концентрация катионов, участвующих в этом процессе, также остается постоянной. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько увеличивается, поскольку эквивалентная масса двух ионов натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния, поэтому солесодержание воды несколько возрастает.

Недостаток процесса: карбонатная жесткость в процессе ионного обмена переходит в бикарбонат натрия и обусловливает высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в котле NaHCO₃ превращается в соду и едкий натр. К достоинствам относятся простота метода и дешевизна реагентов.

Регенерация истощенного Na - катионита достигается фильтрованием через него раствора поваренной соли NaCl концентрацией 6-10%. Протекающие реакции можно записать в следующей форме:

СаR₂ + 2NaCl  2NaR + CaCl₂;

MgR₂ + 2NaCl  2NaR + MgCl₂.

Поваренная соль применяется для регенерации вследствие ее доступности. Получающиеся при этом хлориды кальция и магния хорошо растворимы и легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой.

Процесс умягчения воды удобно представить графически:

Линия ГД (Ж_о)соответствует величине исходной жесткости воды. Процесс умягчения, начавшись в момент контакта воды со слоем катионита, заканчивается на некоторой глубине в плоскости а_об_о. Слой, в котором начинается и заканчивается умягчение воды, наз. работающим слоем или зоной умягчения.

В процессе работы верхние слои зоны умягчения истощаются. На смену им вступают в работу свежие слои катионита, расположение ниже. Таким образом, зона умягчения постепенно опускается вниз. В слое катионита постепенно образуется три зоны: истощенного катионита, умягчения, свежего катионита. При включении фильтра в работу жесткость воды будет минимальной (точка А). Величина ее остается постоянной до момента совмещения нижних границ зоны умягчения а₂б₂ и слоя катионита а₃б₃. В момент совмещения границ (точка Б графика) появляется проскок катионов жесткости, поэтому в фильтрате жесткость начинает увеличиваться, пока в точке Д не станет равной жесткости исходной воды. Это означает полное истощение катионита. Для целей умягчения фильтр выводится из работы и останавливается на регенерацию в момент начала проскока жесткости в точке Б.

Площадь АБВГ наз. рабочей обменной емкостью фильтра.

Площадь БВД – остаточная обменная емкость или неиспользованная обменная емкость. Она минимальна в том случае, когда плоскости а₁б₁ и а₂б₂ горизонтальны. В действительности зона умягчения ограничивается искривленными поверхностями, при которых проскок катионов жесткости начинается раньше вследствие гидравлического перекоса. На графике этому моменту соответствует точка Б'. В результате величина использованной емкости поглощения будет меньше (площадь А Б' В' Г), а неиспользованная емкость больше.

При проведении процессов умягчения и регенерации следует учитывать действие так называемых противоионов. Противоион – это тот, который вытесняется из ионита, то есть в умягчаемой воде ион Na⁺, а в регенерационном растворе - ионы Са²⁺, Mg²⁺. Повышение концентрации в фильтрате иона, содержащегося в катионите (продукта реакции), согласно закону действующих масс, тормозит реакции умягчения воды или регенерации катионита. Поэтому чем выше минерализация исходной воды, тем больше концентрация ионов натрия в умягченной воде и, следовательно, выше противоионный эффект, что приводит к увеличению остаточной жесткости фильтрата. Концентрация противоиона определяется не только начальным содержанием иона Na⁺ в исходной воде, но и тем количеством Na⁺, которое будет вытеснено из катионита в процессе обмена на ионы жесткости. Этот эффект необходимо учитывать при высокой жесткости исходной воды 20...30 мг-экв/кг.

Аналогичное действие оказывают противоионы в регенерационном растворе. При пропускании через фильтр раствора NaCl в нем возрастает концентрация вытесняемых из катионита катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и он обедняется ионами Na⁺. Увеличение концентрации противоионов (Ca²⁺ и Mg²⁺) в регенерационном растворе подавляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена, то есть тормозит регенерацию ионита. В результате, по мере продвижения регенерационного раствора в нижние слои, некоторое количество катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ остается невытесненным, поэтому регенерация катионита протекает менее полно.

Меры борьбы с противоионным эффектом при регенерации:

1. Увеличить расход соли, что сильно ухудшает экономичность процесса.

2. Противоточное катионирование (фильтрование производится снизу вверх, а регенерация – сверху вниз), при котором устраняется неблагоприятное расположение в слое ионов, так как умягченная вода перед выходом из фильтра будет соприкасаться с наиболее хорошо отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Метод противоточного катионирования позволяет значительно снизить расход реагентов на регенерацию катионита, приближаясь к стехиометрическим соотношениям.

3. Применение двухступенчатого катионирования. В этом случае в фильтрах первой ступени вода умягчается до остаточной жесткости 0,05...0,2 мг-экв/кг, а во второй ступени  до 0,03...0,01 мг-экв/кг. Наличие фильтров второй ступени создает своего рода барьер, препятствующий “проскоку” удаляемых катионов при случайных отклонениях в работе фильтров первой ступени (несвоевременное отключение на регенерацию, нарушение гидравлического режима, приводящее к гидравлическому перекосу и увеличенному проскоку удаляемых катионов в фильтрат). При наличии барьерных фильтров второй ступени упрощается эксплуатация установки, так как фильтры первой ступени могут отключаться на регенерацию не по проскоку ионов Са²⁺ и Мg²⁺, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а по количеству воды, пропущенной через них. Небольшое повышение жесткости воды после первой ступени будет снято фильтрами второй ступени.

Эффект от применения двухступенчатого и противоточного Na-ка-тионирования в отношении уменьшения удельного расхода соли на регенерацию и снижения остаточной жесткости фильтрата практически одинаков. В зависимости от качества исходной воды и схемы ее обработки можно применять то или другое или оба эти мероприятия.