Умягчение воды водород-натрий-катионированием

Задачей водород-натрий-катионирования, аналогично натрий-катионированию, является умягчение воды. Главным отличием от предыдущего метода заключается в том, что в качестве обменных катионов выступают не только катионы Na+, но и катионы H+.

Происходящий процесс на водород-катионитовом фильтре представлен следующими реакциями:
2Н [K] + Ca(HCO3)2 → Ca[K]2 + 2H2O + CO2,
2Н [K] + Mg(HCO3)2 → Mg[K]2 + 2H2O + CO2,
2H [K] + CaCl2 →  Ca[K]2 + 2HCl,
2Na [K] + MgCl2 →  Mg[K]2 + 2HCl,
2Na [K] + CaSO4 → Ca[K]2 + H2SO4,
2Na [K] + MgSO4 → Mg[K]2 + H2SO4,
2Na [K] + CaSiO3 → Ca[K]2 + H2SiO3,
2Na [K] + MgSiO3 → Mg[K]2 + H2SiO3,
2Na [K] + Na2SO4 → 2Na[K] + H2SO4,
2H [K] + NaCl →  Na[K] + HCl,
где [K] – не растворимая матрица катионита.

Как видно из реакций, вода, проходя сквозь водород-катионитовый фильтр, приобретает кислую среду, при этом выделяется углекислота. После удаления оксида углерода (IV) в дегазаторе, на выходе получают воду с концентрацией минеральных кислот, эквивалентной концентрации хлоридов и сульфатов в исходной воде и низкой карбонатной щелочностью. В случае фильтрования воды через натрий-катионитовый фильтр щелочность воды не меняется. Смешивая фильтраты после H- и Na-катионитовых фильтров можно получать воду с различной щелочностью.

Водород-натрий-катионирование возможно реализовывать по нескольким схемам, выбор которых определяется качеством, предъявляемым к воде.

Рассмотрим их.

Параллельное H – Na-катионирование.

Применяется в водоподготовке с качеством исходной воды со средней и малой минерализацией и с содержанием:
Cl- + SO42- < 4 мг-экв/л;
Na+ < 2 мг-экв/л.

параллельное водород-натрий катионирование воды

Вода параллельно фильтруется через H-катионитовый и Na-катионитовый фильтры, после чего фильтраты смешиваются. Смешение кислого и щелочного потоков происходит в такой пропорции, что бы на выходе щелочность воды не превышала 0,4 мг-экв/л.

Для более глубокого умягчения воды с жесткостью на выходе менее 0,01 мг-экв/л, воду после дегазатора доумягчают на барьерном Na-катионитовом фильтре.

    Результатом обработки воды по данной схеме будет снижение:
  1. общей жесткости до 0,1 мг-экв/л;
  2. общей щелочности до 0,4 мг-экв/л;
  3. общего солесодержания;
  4. общей жесткости до 0,01 мг-экв/л с условием применения барьерного Na-катионитного фильтра.

Вывод на регенерацию фильтров производят по началу проскока катионов жесткости (порядка 0,5 мг-экв/л).

Последовательное H – Na-катионирование.

Применяется в водоподготовке с высокой жесткостью и повышенной минерализацией исходной воды.

последовательное водород-натрий катионирование воды

Вода разделяется на два потока, один из которых проходит через H-катионитовый фильтр, после потоки смешиваются и направляются в дегазатор. В дегазаторе удаляется оксид углерода (IV). Затем вода направляется на Na-катионитовый фильтр и, в случае глубокого умягчения воды, далее на барьерный Na-катионитовый фильтр.

    Результатом обработки воды по данной схеме будет снижение:
  1. общей жесткости до 0,01 мг-экв/л;
  2. общей щелочности до 0,7 мг-экв/л;
  3. общего солесодержания.

Регенерация H-катионитового фильтра начинается по превышению общей жесткости после смешения потоков перед Na-катионитовыми фильтрами, которая составляет от 0,8 до 1,0 мг-экв/л, что позволяет экономить кислоту на регенерациях.

Последовательное H – Na-катионирование с «голодной» регенерацией Н-катионитового фильтра.

Применяется в водоподготовке для воды, принадлежащей к гидрокарбонатному классу (где преобладающим анионом является HCO3- ) и с солесодержанием до 3 мг/л.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что регенерация Н-катионитного фильтра осуществляется меньшим количеством кислоты, чем при обычной регенерации. Для того, что бы процесс регенерации водород-катионитного фильтра прошел успешно, т.е. что бы все катионы жесткости были заменены на ионы водорода и удалены, необходимо затратить кислоты в 2-2,5 раза больше теоретического. В случае «голодной» регенерации расход кислоты берется равным удельному теоретическому расходу, т.е. 1 г-экв/г-экв. Для H2SO4 − 49 г/г-экв, для HCl – 36.

Такая регенерация обеспечивает перевод в Н-форму лишь верхние слои катионита, нижние же слои остаются неотрегенерированными и содержат катионы Ca (II), Mg (II) и Na (I).

В процессе фильтрации в верхних слоях катионита идут все вышеприведенные реакции, т.е. образование минеральных кислот с выделением CO2. В нижних слоях ионообмен описывается следующими реакциями:
Ca/Mg[K]2 + 2HCl → 2H[K] + Ca/MgCl2,
Ca/Mg[K]2 + H2SO4 → 2H[K] + Ca/MgSO4,
Na[K] + HCl → H[K] + NaCl.

Находящаяся в равновесной концентрации с CO2 угольная кислота в реакцию ионообмена может вступать только тогда, когда прореагировали все сильные кислоты. Этот процесс происходит не до-конца и в самых нижних слоях катионита:
Ca/Mg[K]2 + 2H2CO3 → 2H[K] + Ca/Mg(HCO3)2.

    Процесс восстановления карбонатной жесткости завершится не успевает и на выходе фильтрат имеет:
  1. малую карбонатную жесткость, численно равную щелочности,
  2. углекислоту, чья концентрация увеличена на величину снижения щелочности,
  3. пониженное общее солесодержание в результате удаления карбонатной жесткости.

Влияние Na+ на эффект очистки воды.

    В силу того, что ионы натрия принимают активное участие в ионообменных процессах, то его концентрация в исходной воде оказывает непосредственное влияние на качество очистки:
  1. при малых концентрациях общая жесткость воды на выходе из H-катионитного фильтра примерно равна некарбонатной жесткости исходной воды и на протяжении всего фильтроцикла изменяется незначительно, как и общая щелочность, равная 0,3−0,5 мг-экв/л.
  2. При высоких концентрациях катионов натрия в начале и конце фильтроцикла жесткость воды падает, в середине растет некарбонатная жесткость. Щелочность воды снижается вначале рабочего цикла фильтра, затем растет и в среднем составляет 0,7−0,8 мг-экв/л.
последовательное водород-натрий катионирование с голодной регенерацией

Вода поступает на H-катионитовые фильтры «голодной регенерации», т.е. регенерируемые стехиометрическим количеством кислоты, где происходит понижение карбонатной жесткости. Далее вода поступает на дегазатор для удаления оксида углерода (IV) и затем проходит одну ли две ступени Na-катионитовых фильтров, на которых устраняется некарбонатная жесткость.

В случае непостоянного качества исходной воды и невозможности строгого соблюдения технологического режима эксплуатации установок с фильтрами, работающими по схеме «голодной регенерации», что грозит возможным проскоком кислого фильтрата и колебаний щелочности, после H-водородных фильтров ставят ступень с буферными не подлежащими регенерации фильтрами.

Высота слоя катионита в таких фильтрах берется от 2 м, скорость прохождения потока – до 40 м/ч. Взрыхляющая промывка осуществляется умягченной водой, подвод кислоты для регенерации не предусмотрен.

Такая схема позволяет избежать кислых стоков и получить на выходе глубоко умягчённую воду с общей щелочностью менее 0,7 мг-экв/л.

Расчет фильтров для ВПУ.

  1. Расход воды на Н- и Na-катионитовые фильтры.

    QNa = Qп - QН,
    QН = Qп*(Щ - Щу1 + Щ), где
    Qп − производительность ВПУ, м3/ч;
    QNa − производительность Na-катионитовых фильтров, м3/ч;
    QH − производительность H-катионитовых фильтров, м3/ч;
    Щу − требуемая щёлочность на выходе из установки, мг-экв/л;
    Щ – щелочность воды до обработки (исходной воды), мг-экв/л.
  1. Объем катионита в Н- и Na-катионитовых фильтрах.

    VН = 24* QН*(Ж о - СNa)/n*eН,
    VNa = 24* QNaо/n*eNa, где
    VН − объем катионита в H-катионитовых фильтрах, м3;
    VNa − объем катионита в Na-катионитовых фильтрах, м3;
    СNa − концентрация в исходной воде ионов натрия, мг/л;
    n – количество регенераций каждого фильтра за сутки, 1…3;
    eNa и eН − рабочие обменные емкости Na- и H-катионита, мг-экв/л.
    eН = aН*Eп - 0,5*qук, где
    aН − коэффициент эффективности, зависит от стехиометрического количества кислоты, затрачиваемого на регенерацию;
    Eп − паспортная емкость катионита, мг-экв/л;
    qу − удельный расход воды на отмывку катионита, принимается равным 4…5 м 3/ м 3 катионита в фильтре;
    Ск − содержание в исходной воде всех катионов, выраженное в г-экв/л;
  1. Общая площадь всех катионитовых фильтров.

    АН=VH/hк, м2;
    АNa=VNa/hк, м2;
    где
    hк − высота слоя катионита в фильтре, 2 – 2,5 м.
  1. Количество фильтров.

    Количество фильтров на установке ВПУ должно быть не менее двух – одна линия всегда в работе.