30 Май 2014

Натрий-катионирование

Самый распространенный метод умягчения воды – натрий-катионирование. Метод основан на способности ионообменных материалов обменивать на ионы кальция и магния ионы других веществ, не образующих накипь на теплонапряженной поверхности (трубные экраны котлов, теплообменники, поверхности жаротрубных котлов). Веществ таких немало, но в связи с доступностью и относительной дешевизной хлорида натрия именно он был выбран в качестве реагента для регенерации катионита.

 

Сущность метода

Кроме того, продукты регенерации – CaCl2, MgCl2 – хорошо растворимы в воде, в отличие,

например, от СаСО3 (регенерация карбонатом натрия (Na2CO3) или CaSO4 (регенерация сульфатом натрия (Na2SO4)).

Реакции обмена ионами (R – комплекс катионита, упрощенно называемый анионитной частью

катионита):

2NaR + Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3; (1)

2NaR + Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3; (2)

2NaR + CaCl2 ↔ CaR2 + 2NaCl; (3)

2NaR + MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4; (4)

2NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3, (5)

 

Уравнения реакций с солями MgCl2, CaSO4 и MgSiO3 аналогичны уравнениям (3), (4), (5) соответственно.

Замена ионов кальция и магния ионом натрия гарантирует отсутствие накипеобразований на греющих поверхностях котлов и теплообменников.

По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных на смоле, возрастает, то есть катионит «истощается». Тогда его следует регенерировать – пропустить через слой катионита раствор хлорида натрия, и обменная способность катионита восстанавливается.

Процессы ионного обмена обратимы. Поэтому если в воде ионов натрия становится все больше и больше по сравнению с количеством ионов кальция и магния, то процесс поглощения ионов Ca2+ и Mg2+ замедляется, то есть все больше сдвигается в левую сторону реакций (1) – (5) и может быть изображен так:

 

CaR2 + 2Na+ ↔ 2NaR + Ca2+; (6)

MgR2 + 2Na+ ↔ 2NaR + Mg2+. (8)

 

Ионы Na+ , Ca2+ и Mg2+ названы противоионами. Это свойство катионитов имеет два следствия.

Первое. При увеличении минерализации обрабатываемой воды (увеличение идет, в основном, за счет увеличения содержания в воде натрия и в гораздо меньшей степени – калия) получение глубокоумягченной воды традиционным натрий-катионированием – даже двухступенчатым – становится все более проблематичным. Числовое выражение этого явления приведено в табл. 1.

Второе. Обеспечивается возможность регенерации катионита 5 – 10%-ным раствором хлорида натрия. Концентрация иона натрия в растворе при этом заведомо и намного больше концентрации ионов кальция и магния в катионите.

 

Особенности натрий-катионирования и регенерации катионита

В то же время улучшать эффективность регенерации путем увеличения концентрации регенерирующего раствора можно до определенного предела, диктуемого экономическими соображениями, которые вынуждают ограничиваться некоторым расходом раствора, то есть уменьшать объем раствора при увеличении концентрации натрий хлорида.

Это, в свою очередь, уменьшает эффективность регенерации, так как вытесненные из катионита ионы Ca2+ и Mg2+ распределяются в меньшем объеме регенерационного раствора, концентрация их увеличивается, и в качестве противоионов они в таких условиях более действенны.

Одновременно уменьшение объема раствора регенеранта снижает полноту регенерации, так как уменьшение количества этого раствора снижает его обмен в пространстве между зернами катионита – желательна трехкратная смена жидкости в этом пространстве.

Для компенсации описанного недостатка рекомендуется двухступенчатая регенерация: сначала разбавленным (2–3%-ным), затем более концентрированным (10–12%-ным) раствором хлорида натрия. Аналог такого способа регенерации – двух-ступенчатое натрий-катионирование. В фильтре второй ступени противоионов Ca2+ и Mg2+ очень мало, и они хорошо вытесняются концентрированным раствором NaCl.

Скорость фильтрования регенерационного раствора при ограниченном его расходе всегда меньше скорости фильтрования умягчаемой воды. Для того чтобы диффузия ионов Naвнутрь зерна катионита и ионов Ca2+ и Mg2+ из зерна в раствор осуществлялась в достаточной мере, нужно время – не менее 15 мин. Этим и определяется максимальная скорость фильтрования регенерационного раствора через слой катионита – 4 – 6 м/ч (условно принимается, что фильтр пустой).

Температура, как и в большинстве химических процессов, интенсифицирует диффузию ионов, и поэтому там, где возможно, производится нагревание умягчаемой воды и регенерационного раствора хотя бы до 35 – 40°С.

Значение водородного показателя (рН) умягчаемой воды существенно влияет на обменную емкость катионита в натриевой форме. Чем ниже рН (чем больше в воде ионов Н+ ), тем больше ионов H+ участвуют в обмене с ионами Na+:

 

NaR + H+ ↔ HR + Na+ (9)

 

Ионы водорода обладают несколько большим, чем ионы натрия , сродством к катиониту, поэтому поглощенные катионитом ионы H+ плохо вытесняются ионами Na+ , то есть «законные» места ионов Na+ заняты ионами H+ . Значит, обменная емкость катионита по ионам Ca2+ и Mg2+ снижается. Как правило, при натрий-катионировании значение рН должно быть не менее 6,5 и не более 10,0 (во избежание разрушения катионита).

 

Допустимое качество исходной воды

Для уменьшения загрязнения катионита качество исходной воды перед катионитным фильтром должно быть в пределах норм, не более:

  • содержание взвешенных примесей – 8 мг/л;
  • цветность – 30 градусов платино-кобальтовой шкалы;
  • содержание железа – 0,3 мг/л;
  • окисляемость перманганатная – 5 мгО2/л.

 

Жесткость воды после натрий-катионирования

С помощью параллельноточного натрий-катионирования общую жесткость исходной воды можно уменьшить до пределов, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Наименование

Минерализация исходной воды, мг/л

Жесткость общая воды после натрий-катионитных фильтров:

≤200

200-500

500-800

800-1200

>1200

I ступени, мкмоль/л

10

20

30

50

>50

II ступени, мкмоль/л

2-4

5

10

20-30

>30

Для достижения нормативных значений жесткости обработанной воды при значениях минерализации исходной воды больше указанных могут быть предусмотрены способы (отдельно или в сочетании друг с другом): противоточное фильтрование, трехступенчатое натрий-катионирование, нагрев обрабатываемой воды и регенерационного раствора реагента до температуры, допускаемой конструкцией фильтра и фильтрующим материалом, магнитная обработка воды перед натрий-катионированием, применение катионитов большой обменной емкости.

 

Расход хлорида натрия для регенерации катионита.

Расход хлорида натрия для регенерации катионита фильтра I ступени определяется по формуле:

 

Рс = f к · Нк · ЕрабNa · Qc / 1000, кг/рег., (10)

 

где f к – площадь фильтрования фильтра, м2 ; Нк – высота слоя катионита в фильтре, м; ЕрабNa – рабочая обменная емкость катионита, моль/м3 ; Qc – удельный расход хлорида натрия на 1 моль обменной емкости катионита, г/моль, принимается по паспортным данным производителя катионита, обычно (в зависимости от жесткости исходной воды): 100–300 г/моль – для фильтров I ступени, 300–400 – для фильтров II ступени, 90–130 – для противоточных фильтров.