УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ Na-КАТИОНИРОВАНИЕМ
Под умягчением воды понимают процесс снижения концентрации катионов кальция и магния, обуславливающих жесткость воды.
Наиболее распространенным методом умягчения воды на сегодняшний день считается процесс Na-катионирования воды, являющийся разновидностью процесса ионного обмена. Метод основан на способности ионообменных материалов (в данном случае сильнокислотных катионитов) обменивать катионы натрия, находящиеся в матрице смолы, на катионы кальция и магния, находящиеся в воде, с образованием соединений, которые не дают эффекта накипеобразования на теплонапряженной поверхности (трубные экраны котлов, теплообменники, поверхности жаротрубных котлов) или образования труднорастворимых осадков на поверхности мембран установок обратного осмоса, нанофильтрации и частично ультрафильтрации.
Реакции обмена ионами (R - комплекс катионита, упрощенно называемый анионитной частью катионита) можно представить в виде следующих уравнений:
2 NaR + Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3;
2 NaR + Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3;
2 NaR + CaCl2 ↔ CaR2 + 2NaCl;
2 NaR + MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4;
2 NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3.
Уравнения обменных реакций с солями MgCl2, CaSO4 и MgSiO3 аналогичны приведенным уравнениям. Реакции ионного обмена обратимы. Ионы, которые участвуют в реакциях обмена: Na+, с одной стороны, и Ca2+; Mg2+, с другой стороны, называются противоионами.
По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных в матрице катионита, возрастает, то есть емкость катионита «истощается». Поэтому при возрастании в воде концентрации ионов натрия по сравнению с остающимся количеством ионов кальция и магния, процесс поглощения ионов Ca2+ и Mg2+ из воды замедляется, и равновесие реакций начинает сдвигаться в левую сторону. Это может привести к «проскоку» «сырой» воды в фильтрат. Чтобы этого избежать, следует провести регенерацию ионообменной смолы – пропустить через слой катионита реагент, который восстановит обменную емкость катионита – раствор хлорида натрия.
Выбор хлорида натрия в качестве реагента для регенерации катионита процесса Na-катионирования не был случайным. Прежде всего, он привлекает своей доступностью и относительной дешевизной. Кроме того, основные продукты регенерации катионита – это соли CaCl2, MgCl2, которые являются веществами, хорошо растворимыми в воде. Это их выгодно отличает, например, от СаСО3 (если бы регенерация проводилась карбонатом натрия (Na2CO3)) или CaSO4 (если бы регенерация проводилась сульфатом натрия (Na2SO4)). Процесс регенерации катионита может быть представлен следующим образом:
CaR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Ca2+;
MgR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Mg2+.
При увеличении минерализации обрабатываемой воды (а увеличение идет, в основном, за счет увеличения содержания в воде натрия) получение глубокоумягченной воды традиционным Na-катионированием (в том числе даже двухступенчатым) становится все более проблематичным. Числовое выражение этого явления приведено в таблице.
Ориентировочные значения общей жесткости воды после Na-катионионирования
Наименование |
Минерализация исходной воды, мг/л |
< 200 |
200...500 |
500...800 |
800...1200 |
> 1200 |
I ступень, мкг-экв/л |
10 |
20 |
30 |
50 |
> 50 |
II ступень, мкг-экв/л |
2...4 |
5 |
10 |
20...30 |
> 30 |
Для достижения требуемых значений жесткости умягченной воды при значениях минерализации исходной воды больше указанных могут быть предусмотрены следующие способы:
- противоточное Na-катионирование;
- трехступенчатое Na-катионирование;
- нагрев исходной воды и регенерационного раствора до температуры, которая допускается конструкцией фильтра и фильтрующим материалом;
- использование катионитов, обладающей высокой обменной емкостью.
Эти методы могут применяться как отдельно, так и в сочетании друг с другом.
Как и в большинстве химических процессов, повышение температуры исходной воды интенсифицирует диффузию ионов. Поэтому там, где требуется высокая степень умягчения воды, следует производить нагревание исходной воды до 35-40°С. Аналогичное условие касается и регенерационного раствора поваренной соли. Тем более что процесс ее растворения является эндотермическим (протекает с поглощением тепла).
Значение водородного показателя (рН) исходной воды также влияет на обменную емкость катионита, находящегося в натриевой форме. Ионы водорода, имеющие сродство к катиониту большее, чем ионы натрия, замещают их в матрице катионита. В процессе ионного обмена ионы натрия, имеющие большее сродство к катиониту, чем ионы Ca2+ и Mg2+, мешают процессу замещения на ионы водорода, т.е. сорбируются катионитом первыми. За счет этого обменная емкость катионита по ионам Ca2+ и Mg2+ немного снижается.
Таким, образом, чем ниже значение рН (чем больше в исходной воде ионов Н+), тем их большее количество замещает в матрице катионита ионы Na+:
NaR + H+ ↔ HR + Na+.
Поэтому, считается, что оптимальное значение водородного показателя рН в процессе Na-катионирования должно быть не менее 6,5 и не более 10,0 (во избежание разрушения катионита).
Для уменьшения возможности загрязнения слоя катионита качество исходной воды перед фильтром умягчения должно соответствовать определенным нормам:
- содержание взвешенных примесей, не более – 8 мг/л;
- цветность, не более – 30 градусов платино-кобальтовой шкалы;
- содержание железа, не более - 0,3 мг/л;
- окисляемость перманганатная, не более – 5 мгО2/л.
Объемная скорость фильтрования через слой катионита фильтра в нормальном режиме при параллельноточном Na-катионировании принимается в зависимости от общей жесткости Жоисх исходной воды:
- до 5 мг-экв./л – 25 м/ч;
- 5-10 мг-экв./л – 15 м/ч;
- 10-15 м-экв./л – 10 м/ч.
При выключении одного фильтра на регенерацию в других фильтрах допускается кратковременное увеличение объемной скорости фильтрования на 10 м/ч.
При противоточном Na-катионировании объемную скорость фильтрования воды через слой катионита можно увеличивать до 35-40 м/ч.
В процессе Na-катионирования воды показатели воды будут изменяться следующим образом:
Жесткость. В зависимости от степени минерализации исходной воды после прямоточного (параллельноточного) Na-катионирования общая жесткость исходной воды может быть уменьшена до пределов, указанных в таблице. При противоточном одноступенчатом Na-катионировании жесткость может быть снижена до значений, сравнимых с теми, которые достигаются при двухступенчатом прямоточном Na-катионировании.
Щелочность воды и водородный показатель (рН) в среднем на протяжении цикла Na-катионирования остаются равными значениям, которые присущи исходной воде.
Минерализация умягченной воды после Na-катионирования увеличивается вследствие того, что эквивалент массы катионов натрия, поступающих в воду из матрицы катионита, больше эквивалент масс сорбируемых катионов Ca2+ и Mg2+.
Увеличение минерализации происходит на величину, которую ориентировочно можно вычислить по выражению:
ΔМ = 0,148 · [Ca2+] + 0,891 · [Mg2+]
где [Ca2+], [Mg2+] – концентрации катионов кальция и магния соответственно, (мг/л)
Стандартный фильтр умячения, который сейчас наиболее широко используется, представляет собой насыпной (засыпной) фильтр с зернистой загрузкой, который состоит из корпуса, фильтрующего слоя из сильнокислотного катионита, дренажной или распределительной системы, системы подачи на фильтр исходной воды и отвода очищенной и промывной воды. В состав фильтра умягчения также входит регенерационный бак (бак-солерастворитель, солевой бак), в котором приготавливается и храниться насыщенный раствор поваренной соли.
Интенсивность процесса фильтрования на таких фильтрах обычно характеризуется объемной скоростью фильтрования, представляющей собой частное от деления расхода фильтруемой воды на площадь фильтрующего слоя. Скорость фильтрования выражают в м/ч, т. е. количеством воды в м3, фильтруемой через 1 м2 площади фильтрующего слоя в течение 1 ч.
Фильтрование воды через фильтрующий слой насыпного фильтра происходит под действием разности давлений на входе в фильтр и на выходе из него. Разность давлений воды до и после фильтрующего слоя называется потерей напора в фильтрующем слое. Потеря напора в начальный момент работы фильтра, называемая начальной потерей напора, равна потере напора при фильтровании чистой, не содержащей взвешенных веществ воды, через чистый фильтрующий слой. Начальная потеря напора в фильтрующем слое зависит от скорости фильтрования воды, ее вязкости, размера и формы пор фильтрующего слоя, его толщины.
По мере загрязнения фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора возрастает до некоторой величины, характеризующей сопротивление предельно загрязнённого фильтрующего слоя. По достижении предельной потери напора или при ухудшении качества фильтрата нужно произвести очистку фильтрующего слоя очистить от накопившихся в нем загрязнений путем его промывки или другим способом.
Для автоматизации работы насыпных фильтров умягчения воды с зернистой загрузкой используются специальные блоки управления (фирм-изготовителей «FLECK»; «CLACK»; «FOBRITE»; «RUNXIN»), которые в автоматическом режиме обеспечивают регенерацию (промывку) фильтрующей среды в соответствие с требуемыми технологическими параметрами. При этом накопленные загрязнения и отходы, образовавшиеся при регенерации фильтра, сбрасываются в дренажную линию (канализацию). После проведения регенерации (промывки) блок управления автоматически переводит фильтр в рабочий режим.
Для осуществления процесса Na-катионирования воды мы предлагаем Вам использовать насыпные скорые фильтры умягчения воды серии VAS – серия «стандарт», характеристики которых приведены на следующей странице. Для экономии места в индивидуальных системах очистки воды часто используются фильтры умягчения серии «компакт» – серия VAK.
Выбор вида Na-катионирования (прямоточного, противоточного), времени контакта регенерационного раствора с катионитом, его концентрация опрделяется типом используемого блока управления.