Умягчение воды натрий катионированием

Целью натрий-катионирования является удаление из воды ионов, обуславливающих ее жесткость, т.е. кальция и магния. Сам процесс описывается следующими реакциями:
2Na [K] + Ca(HCO3)2 → Ca[K]2 + 2NaHCO3,
2Na [K] + Mg(HCO3)2 → Mg[K]2 + 2NaHCO3,
2Na [K] + CaCl2 →  Ca[K]2 + 2NaCl,
2Na [K] + MgCl2 →  Mg[K]2 + 2NaCl,
2Na [K] + CaSO4 → Ca[K]2 + Na2SO4,
2Na [K] + MgSO4 → Mg[K]2 + Na2SO4,
2Na [K] + CaSiO3 → Ca[K]2 + Na2SiO3,
2Na [K] + MgSiO3 → Mg[K]2 + Na2SiO3,
где [K] – не растворимая матрица катионита.

Основные требования к воде перед подачей на натрий-катионитовые фильтры:

Параметр Ед. изм. Кол-во
Взвешеннаые вещества мг/л ≤ 8
Цветность Град. ≤ 30

Натрий-катионирование может проводиться по одно или двухступенчатой схеме, в зависимости от требования по жесткости воды на выходе установки:

  • до 0,05…0,1 мг-экв/л – по одноступенчатой схеме;
  • до 0,01 мг-экв/л – по двухступенчатой схеме.

Рассмотрим работу одноступенчатой N-катионитовой установки:

схема одноступенчатой установки натрий-катионирования

Вода, проходя сквозь слой катионита, умягчается и направляется в накопительный бак, откуда уже подается насосами потребителю. Такая схема позволяет избежать образование кислых стоков и, как следствие, использовать кислотостойкое оборудование и материалы.

Одноступенчатое N-катионирование, в сравнении с двухступенчатым, имеет ряд недостатков, ограничивающих ее применение:

  • умягчение воды не более 0,05 мг-экв/л,
  • неполное использование рабочей обменной емкости фильтра,
  • повышенный расход соли на регенерацию.

Работа двухступенчатой N-катионитовой установки.

Проходя через N-катионитовые фильтры I ступени, жесткость воды снижается до 0,1…0,2 мг-экв/л, затем, проходя через фильтры II ступени, снижается до 0,02…0,01 мг-экв/л.

схема двухступенчатой установки натрий-катионирования

Последовательность такой фильтрации позволяет использовать максимально полно рабочую емкость обоих фильтров: значительная часть солей жесткости задерживается на фильтрах I ступени, II ступень снижает остаточную жесткость после предшествующих катионитов и выступает в качестве барьерной, задерживая соли жесткости в случае их проскока. Таким образом, регенерацию фильтров I ступени проводят не после начала проскока катионов кальция и магния, что требует тщательного контроля, а по расчетному количеству прошедшей через них воды.

Регенерация Na-катионитовых фильтров.

Регенерация N-катионитов осуществляется путем пропуска раствора хлорида натрия через смолу и описывается следующими реакциями:
Ca[K]2 + 2NaCl → 2Na[K] + CaCl2,
Mg[K]2 + 2NaCl → 2Na[K] + MgCl2.

Образующиеся в результате ионного обмена соли хлорида кальция и магния хорошо удаляются при пропуске регенерационного раствора и далее в процессе отмывки фильтра.

Процесс регенерации натрий-катионитовых установок складывается из нескольких этапов:

  1. Взрыхление/обратная промывка – длится примерно 10-15 минут и имеет целью взрыхлить уплотнившиеся слои катионита и удалить принесенные взвешенные вещества;
  2. Пропуск регенерационного раствора – процесс восстановления замещенных ионов Na+ на ионы Ca2+ и Mg2+.
    Время пропуска регенерационного раствора зависит от рабочей емкости фильтра, концентрации солевого раствора, требуемой степени умягчения и варьируется от 25 до 40 минут.

    Расход соли pNaCl на одну регенерацию можно вычислить по формуле:
    pNaCl = S ⋅ a ⋅ hk ⋅ epNa/1000, кг, где
    S – площадь фильтра, м2,
    hк – высота слоя катионита, м,
    epNa – рабочая обменная емкость катионитового фильтра в случае Na-катионирования, г-экв/м3,
    а – удельный расход соли на 1 г-экв рабочей обменной емкости катионита, г/г-экв.
    Для одноступенчатой установки a = 150…200 , г/г-экв, для двухступенчатой на фильтры I ступени а = 120…150 г/г-экв, для II ступени a = 300…400 г/г-экв.

    Для более полного прохождения процессов ион-замещения при регенерации и фильтрации используют метод противоточного катионирования.

    Обусловлено это тем, что в процессе регенерации сверху вниз наиболее полно замещение ионов Ca2+ и Mg2 на ионы Na+ происходит в верхних слоях катионитового фильтра, в то время как нижние слои, по мере регенерации верхних, более и более концентрируют в себе замещенные ионы Ca2+ и Mg2+. Это, в свою очередь, ухудшает процесс регенерации и проводит к тому, что нижние слои оказываются не полностью регенерированы. Тот же противоионный эффект наблюдается и в процессе работы фильтра, только взамен замещаемых катионов магния и кальция выступают катионы натрия – их повышенная концентрация в нижних слоях катионита затормаживает ионообменный процесс, что приводит к уменьшению полезной обменной емкости катионитового фильтра и, как следствие, качеству воды на выходе установки.

    Данный эффект, негативно влияющий на работу фильтра, устраняется методом противоточного катионирования – умягчаемая вода и регенерационный раствор подаются в разных направлениях, тем самым обеспечивая условия для наиболее полного умягчения воды в процессе фильтрации.