ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ИОННОГО ОБМЕНА

а) Натрий-катионирование

Умягчение воды путем натрий-катионирования за­ключается в фильтровании ее через слой катионита, со­держащего в качестве обменных ионов катионы натрия.

При Na-катионировании жесткой воды происходит следующий катионный обмен:

Са²⁺ + 2Na | R^- → Са²⁺ | R₂^- + 2Na⁺

Mg²⁺ + 2Na | R^- → Mg²⁺ + | R₂^- + 2Na⁺

В результате приведенных реакций происходит более или менее полная замена катионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде катионами натрия, вследствие чего остаточная жесткость натрий-катионированной воды снижается до 10мкг-экв/кг и ниже, щелочность и анионный состав не изменяются, а солесодержание ее несколько возрастает. Последнее объясняется тем, что, как видно из приведенных выше реакций, два катиона Na⁺ заменяют в воде один катион Са²⁺ или один катион Mg^2+, т. е. 23 весовые части натрия заменяют 20 весовых частей кальция или 12,16 весовой части магния, где 23; 20 и 12,16 — эквивалентные веса соответственно натрия, кальция и магния.

Не все катионы извлекаются из растворов катионитами с одинаковой интенсивностью. Для катионитов спра­ведливым является следующий ряд катионов: Са²⁺> Mg²⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺, в котором каждый предыду­щий катион извлекается из воды катионитом в резуль­тате обменной реакции с катионом катионита более интенсивно и в большем количестве, чем последующий. С другой стороны, каждый последующий катион приве­денного выше ряда вытесняется из катионита предыду­щим катионом, если они находятся в растворе в сопо­ставимых концентрациях. Отсюда следует, что при катионировании растворов, содержащих разноименные катионы в концентрациях, соответствующих природным пресным водам, наблюдаются неодновременность про­скока в фильтрат катионов разной природы и способ­ность одних катионов вытеснять другие, поглощенные ранее катионитом.

Основным недостатком натрий-катионирования является превращение карбонатной жесткости воды в би­карбонат натрия, обусловливающий высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в парогенераторе бикарбонат натрия превращается в карбонат и гидро­окись натрия:

Са (HCO₃)₂ + 2Na | R^- → Са²⁺ | R₂^- +2 Na HCO₃

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂О

Na₂CO₃ + Н₂О → 2 NaОН + СО₂

Процесс умягчения воды методом катионного обмена изображен графически на рис. 9-2. Линия ГД соответ­ствует величине жесткости исходной воды. Кривая АБД показывает зависимость остаточной жесткости умягчен­ной воды от количества ее, пропущенного через фильтр. При фильтровании воды через катионит от плоскости аб (рис. 9-2,а) до некоторой плоскости а_об₀ происходит ее умягчение. Слой катионита абб₀а₀а, в котором происхо­дит умягчение, называется работающим слоем или зо­ной умягчения. По мере истощения верхние слои катионита перестают умягчать воду. Вместо них всту­пают в работу свежие слои катионита, расположенные под работающим слоем, и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время после начала рабо­ты фильтра в слое катионита образуются три зоны: исто­щенного 1, работающего 2 и свежего 3 катионита

(рис. 9-2,6).

В начале работы фильтра остаточная жесткость умяг­ченной воды будет весьма малой и постоянной (линия АБ на рис.9-2) до момента совмещения нижних гра­ниц зоны умягчения а₂б₂ и слоя катионита а₃б_3. С момен­та совмещения этих плоскостей начинается «проскок» катионов Са²⁺ и Mg²⁺ и увеличение остаточной жесткости фильтрата (кривая БД) до жесткости исходной воды в точке Д при полном истощении катионита.

б)

Рис. 9-2. График умягчения воды в катионитном фильтре. 1 — истощенный катионит; 2 — зона умягчения; 3 — свежий катионит.

Площадь АБВГ, эквивалентная количеству катионов Са²⁺ и Mg^2+, поглощенных катионитом за рабочий цикл, и равная (Жо—Жум) q₂, является рабочей ем­костью фильтра Ер, т. е. всего объема катионита, загруженного в фильтр, где Жо - жесткость исходной воды, г-экв/м³; Жум — жесткость умягченной воды, г-экв/м³; q₂ — количество умягченной воды, пропущенной через фильтр за рабочий цикл, м³. Так как Жум гораздо меньше, чем Жо. то ею можно пренебречь. Тогда Ер = Жоq₂, г-экв. Если величину Ер разделить на объем за­груженного в фильтр катинонита в набухшем состоянии, равный v = fh, получим формулу для определения рабо­чей обменной емкости катионита ер:

ер = Жоq₂ / fh, г-экв/м³

где f—площадь поперечного сечения фильтра, м²; h — высота загрузки катионита, м.

Площадь АБДГ (рис. 9-2,б) эквивалентна полной обменной емкости катионитного фильтра. Площадь БВД характеризует обменную емкость зоны умягчения, остав­шуюся неиспользованной, которая называется оста­точной. Она минимальна в том случае, когда ограни­чивающие зону умягчения плоскости a1б1 и а2б2 горизон­тальны. В действительности, как показывает опыт экс­плуатации промышленных катионитных фильтров, зона умягчения ограничивается искривленными поверхностя­ми, при которых проскок катионов Са²⁺ и Mg²⁺ начи­нается преждевременно вследствие гидравлического перекоса. На кривой истощения катионита (рис. 9-2,б) этому моменту соответствует точка Б'. В результате это­го величина используемой емкости поглощения (пло­щадь АБ'В'Г) будет меньше, а остаточная емкость (пло­щадь Б'В'Д) будет больше, чем площадки АБВГ и БВД. После того как рабочая обменная емкость ер полностью исчерпана и значительная часть обменных катионов за­менена катионами кальция и магния, катионит исто­щается и теряет способность умягчать воду.

Для восстановления рабочей обменной емкости катионита необходимо извлечь из него задержанные катио­ны, заменив их обменными катионами. Процесс восста­новления обменной емкости истощенного катионита на­зывается его регенерацией. Регенерация истощенно­го Na-катионита достигается фильтрованием через его слой раствора поваренной соли (NaCl). Вследствие относительно большой концентрации катионов натрия в регенерационном растворе происходит замена ими по­глощенных ранее катионов кальция и магния. Протекаю­щие при этом реакции могут быть выражены следующи­ми уравнениями:

Са²⁺ | R₂^- + 2NaCI → 2Na⁺ | R^- + Са CI₂

Mg²⁺ | R₂^- + 2NaCI → 2Na⁺ | R^- + MgCl₂

Поваренная соль применяется для регенерации в основном вследствие ее доступности, а также вслед­ствие того, что получающиеся при этом хорошо раство­римые Са CI₂ и MgCl₂ легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой. В процессе регенерации при фильтровании раствора NaCl сверху вниз через исто­щенный катионит наиболее полный обмен катиона натрия на содержащиеся в катионите катионы кальция и маг­ния происходит в верхних слоях загрузки фильтра. При пропускании через фильтр раствора NaCl в последнем возрастает концентрация вытесняемых из катионита ка­тионов Са²⁺ и Mg²⁺ и снижается концентрация катио­нов Na⁺.

Увеличение концентрации противоионов (в данном случае Са²⁺ и Mg²⁺⁾ в регенерационном растворе подав­ляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена. Возникающий при этом противоионный эффект тормозит реакцию регенера­ции, в результате чего по мере движения регенерирую­щего раствора в нижние слои катионита регенерация последнего протекает менее полно и некоторое количе­ство катионов Са²⁺ и Mg²⁺ остается невытесненным из нижних слоев катионита. Для устранения этого недо­статка можно пропускать через катионит все новые све­жие порции раствора реагента. Но это вызовет значи­тельное увеличение удельного расхода поваренной соли и повышение стоимости обработки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропуском регенерационного раствора с количеством соли, превышающим в 3,0—3,5 раза стехиометрический расход, что обеспечивает отно­сительно удовлетворительную регенерацию катионита.

При пропускании через такой отрегенерированный фильтр сверху вниз умягчаемой жесткой воды, содержа­щей катионы Са²⁺ и Mg²⁺, она сначала приходит в со­прикосновение с наиболее хорошо отрегенерированными слоями катионита, молекулы которого содержат в своей атмосфере почти исключительно катионы натрия. Поэто­му в верхних слоях катионита катионный обмен протекает достаточно полно и умягчаемая вода содержит мини­мальное остаточное количество катионов Са²⁺ и Mg²⁺. Однако по мере продвижения в нижние слои Na-катионита умягчаемая вода в результате обменных реакций обогащается катионами натрия. В этих условиях в ре­зультате противоионного эффекта процесс умягчения воды тормозится, и некоторое количество катионов каль­ция и магния остается в умягченной воде, которая вследствие этого имеет некоторую остаточную жесткость.

Этот противоионный эффект, мало ощутимый для мягких вод, становится заметным препятствием для глубокого умягчения сильно минерализованных вод, у которых вследствие замены катионов кальция и магния катиона­ми натрия создаются высокие концентрации этого противоиона, снижающие эффект умягчения воды.

Следовательно, как полнота регенерации катионита снижается по направлению движения регенерационного раствора, так снижается и глубина умягчения воды, фильтруемой в том же направлении. Если же регенерационный раствор и умягчаемую воду пропускать в раз­ных направлениях, последняя перед выходом из фильтра соприкасается с наиболее хорошо отрегенерироваиными слоями катнонита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Такой метод противоточного катионирования позволяет значительно снизить расход реагентов на регенерацию катионита, приближаясь к стехиометрическим соотношениям обменивающихся катионитов, не снижая при этом глубины умягчения воды.

Умягчение воды путем Na-катионирования примени­мо для вод с относительно малой карбонатной жесткостью, превращение которой в бикарбонат натрия не вызывает чрезмерного увеличения продувки парогенераторов, а также не создает опасной для парогенерато­ров повышенной относительной щелочности котловой воды.

Для более глубокого умягчения воды, а также в це­лях экономии соли и увеличения продолжительности фильтроцикла применяется двухступенчатое Na-катиони-рование. В этом случае в фильтрах первой ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,05— 0,2 мг-экв/кг при обычных скоростях фильтрования (15—20 м/ч). Затем умягченная вода пропускается через фильтры второй ступени катионитовой установки, в ко­торой жесткость предварительно умягченной воды уда­ется снизить до 0,03—0,01 мг-экв/кг.

Незначительное содержание удаляемых катионов в воде, поступающей на фильтры второй ступени, позво­ляет осуществлять фильтрование через них воды с боль­шей скоростью фильтрования (30—50 м/ч). Кроме ука­занных выше достоинств двухступенчатого Na-катиони­рования, наличие фильтров второй ступени создает своего рода барьер, препятствующий «проскоку» удаляе­мых катионов при различного рода случайных отклоне­ниях в условиях работы фильтров первой ступени (не­своевременное отключение на регенерацию, недостаточ­ная отмывка после регенерации, нарушение гидравличе­ского режима, приводящее к гидравлическому перекосу и увеличенному проскоку удаляемых катионов в фильтрат первой ступени). Поэтому Na-катионитные фильтры вто­рой ступени часто называют барьерными филь­трами.

При наличии барьерных фильтров упрощается экс­плуатация установки, так как катионитные фильтры пер­вой ступени могут отключаться на регенерацию не по проскоку ионов Са²⁺ и Mg^2+, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а но ко­личеству воды, пропущенной через них. Небольшое по­вышение жесткости воды после фильтров первой ступени неопасно, так как она будет задержана барьерными фильтрами.

Поиск по сайту: