Водород-натрий-катионирование воды
Водород-натрий-катионирование (совместное, параллельное или последовательное с нормальной или «голодной» регенерацией водород-катионитных фильтров) – для уменьшения общей жесткости, общей щелочности и минерализации воды, а также увеличения критерия потенциальной щелочной агрессивности котловой воды, уменьшения содержания углекислоты в паре и уменьшения продувки котлов.
Сущность метода:При водород-катионировании обменные ионы – катионы водорода Н+. По лиотропному ряду (ряду сродства ионов к ионитам) водород стоит перед кальцием, магнием, железом, натрием, калием и др. Поэтому при фильтровании воды через слой катионита, «заряженный» ионами Н+, катионит сорбирует из воды все содержащиеся в ней катионы, и в воду переходит эквивалентное количество ионов водорода. Кроме того, происходит разрушение бикарбонатов, определяющих карбонатную жесткость (щелочность) воды с образованием диоксида углерода. При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из-за кислот, образующихся в фильтрате.
Если удалить образовавшийся диоксид углерода дегазацией, то в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию хлоридов, сульфатов, нитратов в исходной воде.Наряду с умягчением воды – уменьшением жесткости воды – уменьшается минерализация: часть ее в виде CO2 уходит, часть – превращается в воду. Согласно лиотропному ряду сначала по ходу движения воды ионы H+ из катионита вытесняют ионы Na+, затем ранее сорбированные ионы Na+ вытесняются более «сильными» ионами кальция и магния. Таким образом, истощение ионита происходит послойно: сверху (по ходу движения воды в прямоточных фильтрах) образуется зона поглощения Ca2+ и Mg2+, под нею – зона поглощения Na+. И обе зоны одна за другой передвигаются по направлению к нижней границе слоя катионита.
В работе фильтра можно отметить два основных периода. Первый период. Полное поглощение всех катионов (при достаточной высоте слоя катионита), фильтрат мягкий (ионы Ca2+ и Mg2+ задержаны), кислотность равна сумме всех катионов минус значение разрушенного аниона НСО3- или, что то же самое по численному значению, сумме всех анионов минус значение НСО3-. Второй период. Когда зона поглощения натрия достигает нижней границы слоя катионита, начинается и все более увеличивается проскок ионов Na+ в фильтрат, и концентрация его в фильтрате возрастает до значения, равного его количеству в исходной воде. В этот момент катионит прекращает поглощение ионов Na+ и задерживает только ионы Ca2+ и Mg2+ (если есть достаточное количество, то и Fe2+, Mn2+ и др.). После этого количество ионов Na+ в фильтрате возрастает по сравнению с его количеством в исходной воде, так как ионы Ca2+ и Mg2+ вытесняют из катионита задержанные ранее ионы Na+. Одновременно продолжается и вытеснение ионов Н+.
Таким образом, протекают одновременно процессы водород- и натрий-катионирования. Когда почти все ранее задержанные ионы Na+ будут вытеснены из катионита в фильтрат, содержание этих ионов в фильтрате опять уменьшится и будет равно их содержанию в исходной воде. Тогда возникнет проскок в фильтрат ионов Ca2+ и Mg2+, причем, опять-таки, по условиям лиотропного ряда – сначала ионы Mg2+. Кислотность фильтрата также изменяется во время фильтрования воды: сначала кислотность понижается вплоть до нуля, затем фильтрат приобретает все более увеличивающуюся щелочность, которая становится равной щелочности исходной воды и более не изменяется вплоть до момента проскока ионов жесткости. В зависимости от схемы водород-катионитные фильтры работают до проскока натрия и магния (при «голодной» регенерации).
Условия применения метода:Условия применения параллельного, последовательного и совместного водород-натрий-катионирования с нормальной регенерацией водород-катионитных фильтров следующие:
Для схемы параллельного водород-натрий-катионирования:
необходимость получения умягченной воды с остаточной щелочностью не более 0,4 ммоль/л;карбонатная жесткость исходной воды составляет больше 50% общей ее жесткости;
суммарное содержание сульфатов и хлоридов в исходной воде должно быть не больше 4 ммоль/л;
содержание натрия не более 2 ммоль/л;
Для схемы последовательного водород-натрий-катионирования:
допустимость получения умягченной воды с щелочностью 0,7–1 ммоль/л;карбонатная жесткость исходной воды должна быть не больше 50% общей ее жесткости;
возможность применения метода при суммарном содержании сульфатов и хлоридов в исходной воде больше 4 ммоль/л;
возможность применения метода при общей минерализации исходной воды больше 1000 мг/л;
для схемы совместного водород-натрий-катионирования допустимость колебаний остаточной щелочности обработанной воды в период фильтроцикла (0,5–2 ммоль/л);
суммарное содержание сульфатов и хлоридов в исходной воде должно быть не больше 3,5–5 ммоль/л.
Схема параллельного водород-натрий-катионирования по экономичности уступает схеме последовательного водород-катионирования при обработке исходной воды с суммарным содержанием сульфатов и хлоридов больше 2 ммоль/л.
Условия применения водород-катионирования с «голодной» регенерацией:
Если требуется уменьшение только карбонатной жесткости (щелочности), может быть применена «голодная» регенерация катионита. При обычном водород-катионировании избыток кислоты для регенерации больше стехиометрического количества в 1,3–2,5 раза. При «голодной» регенерации количество кислоты на регенерацию катионита принимается равным стехиометрическому количеству или даже меньше. При работе по такому способу в верхнем слое катионита будет находиться ион Н+, а в нижних слоях – задержанные ионы Ca2+, Mg2+, Na+. В верхних слоях протекают реакции с ионом Н+, как при обычном водород-катионировании (реакции. В результате образующиеся ионы водорода минеральных кислот обмениваются на ионы Ca2+, Mg2+, Na+. В фильтрате появляются ионы, которые были и в исходной воде, за исключением того, что разрушаются бикарбонаты, удаляется углекислый газ и задерживаются ионы Ca2+ и Mg2+, связанные с ионом НСО3-.
При осуществлении водород-катионирования с «голодной» регенерацией необходимо учитывать особенность угольной кислоты. В присутствии сильных кислот ее диссоциация подавлена. Образовавшийся в верхних слоях катионита СО2 в виде растворенного в воде газа проходит неотрегенерированные слои катионита. Затем , когда в фильтрате нет сильных кислот, угольная кислота в нижних слоях катионита частично диссоциирует: Н2СО3 > Н+ + НСО3-, ион H+ обменивается на ион Na+, то есть появляется вторичная щелочность отфильтрованной воды.
Условия применения водород-катионирования с «голодной» регенерацией:
(приведены в порядке уменьшения ее эффективности)0 < К < 0,2; 0 < К < I; 0 < К < I;
А – любое; 10 > А > I; I >А > 0,3.
При значениях К > I, А > 10 и 10 < А < 0,3 применение метода нецелесообразно.
Здесь К и А характеризуют соответственно катионный и анионный состав исходной воды:
К = [Na+]/([Ca2+] + [Mg2+]); A = [HCO3-]/([Cl-] + [SO42-]),
где [Na+], [Ca2+], [Mg2+], [HCO3-], [Cl-], [SO42-] – содержание в исходной воде, соответственно, ионов натрия, кальция, магния, гидрокарбоната, хлора и сульфата, ммоль/л.
