Физико-химические основы процесса катионирования

Катиониты содержат функциональные хим-ки активные группы, водород кот. способен замещаться др катионитами (SO₃H, COOH).

Группа SO₃H обладает сильно кислотными, а COOH или ОН сильно основными св-ми, поэтому катиониты подразделяются на сильноосновные, сильнокислотные или слабокислотные.

Сильнокислотные обменивают свои катионы только в щелочной, нейтральной и кислой среде, слабокислотные – только в щелочной.

Вводить в ионообменные смолы можно различные катионы, но чаще всего это Na⁺ и Н⁺.

В зав-ти от того, какой катион явл-ся обменным, различают Na-катионит (Na⁺R) и Н-катионит(H⁺R), где R – нерастворимая в воде решётка (высокомолекулярная), Na, Н – подвижные ионы.

Обработка воды подобными вещ-ми называется Na – кат-ем, Н – кат-ем.

Са²⁺+Na⁺R→Ca²⁺R₂+Na⁺

В рез-те более или менее полной замены катионами Na катионов Са и Mg жесткость(Ж) уменьшается до 10мкг/экв и ниже, щелочность не измен-ся, но солесод-ние увелич-ся,т к 2 катиона Na⁺ заменяют в воде 1 катион Са(Mg). После того, как значит-я часть Na замещена Са и Mg,катионит истощается и теряет спос-сть умягчать воду. Для восстан-я этой спос-сти м извлечь из катионита задержанные Са²⁺ и Mg²⁺ и заменить их на Na (пр-сс регенерации), если был Na –катионит, то его регенерируют р-ром поваренной соли NaСl:

Са²⁺R₂+ 2 NaСl→NaСl₂ +2 Na⁺ R

Mg²⁺ R₂ +2 NaСl→MgCl₂+2 Na⁺ R

NaСl исп-ся часто,т к легко доступен, а CaCl₂ и MgCl₂ легко диссоциируют и удал-ся с отмывочной водой и регенерац-м раст-ом. В верхних слоях катионита пр-сс регенерации идет более полно. В нижней части слоя в регенерирующем р-ре возрастает конц-ция вытесняемых Ca²⁺ и Mg²⁺ и уменьш-ся конц-ция Na.Это подавляет диссоциацию истощенного катионита и тормозит ионный обмен(противоионный эффект). Na-катионир-е прим-ют для вод с относит-но невысокой карбонатной жесткостью,превращение кот-й в бикарбонат не создает опасной для котлов повышенной относит-й щелочности и не вызывает увеличения продувки котлов.

При Н-катионир-нии

Ca²⁺+2Н⁺ R→2Н⁺+ Ca²⁺ R2

Mg²⁺+2Н⁺ R→2Н⁺+ Mg²⁺ R₂

Т.к. в пр-ссе Н-катионир-я все катионы заменены катионами Н⁺, то присут-ие в р-ре сульфаты, хлориды, нитраты Са, Mg²⁺,Na и др преобразуются в своб-е минеральные катиониты (серная, соляная, азотная, кремниевая).Общая кислотность Н-катионир-ой воды при этом равна сумме сод-ся в воде анионов минеральных катионитов, и для воды, не содержащей Na⁺ м/б принята равной некарбонатной ж-сти воды. Регенерацию Н-катионита делают 1-1.5%-м р-ром Н₂SO₄.

 

 

Регенерация:

Са²⁺R₂+Н₂ SO₄→Са SO₄↓+2Н⁺R

Mg²⁺ R₂+Н₂ SO₄→Mg SO₄↓+2Н⁺R

2Na⁺R₂+Н₂ SO₄→Na₂ SO₄+2Н⁺R

Регенерацию начинают при появлении проскока катионов Ca²⁺и Mg²⁺ (Ж-сть увелич-ся). Иногда прим-ют “голодную” регенерацию Н-кат-ых фильтров: фильтры регенерируют недостаточным кол-вом катиониты для вытеснения всех катионов, ранее поглощенных из воды. Прошедшая ч/з такой фильтр вода не сод-т сильных кислот и имеет незначит-ю щелочность.

 

Схемы ионитных установок

Схема Na – кат-ых установок, сост-ая только из Na – кат-ых фильтров, проста и дешева, но её можно исп-ть только если нет грубодисперсных и коллоидных примесей, солей Fe (водопроводная и артезианская вода). Прим-ть Na – кат-ия ограничивается размером продувки, величиной относ-ой щёлочности котловой воды, т.е. карбонатной жёсткости, от добавки умягчённой воды к конденсату, от сухого остатка.

При параллельном H-Na катионировании: вода двумя параллельными потоками напр-ся на H- и Na- кат-ые фильтры, после чего щелочная (натриевая) и кислая (водородная) воды идут на смешение в общий трубопровод, где смешиваются и частично нейтрализуются с образ-ем коррозионно-активной углекислоты, воду напр-т в декарбонизатор. Процесс идёт так, что бы остаточная щёлочность смеси была <=0,35 мг-экв/кг воды. Поэтому вычисляют долю Х и (1-Х) воды для каждого фильтра. Эта схема требует защиты канализации от кислой коррозии (перед канализацией делают нейтрализацию).

Достоинство: получение щёлочности <=0,35 мг-экв/кг воды, что очень важно при котлах высокого давления и большой мощ-ти (много пит-ой воды).

Недостатки: уменьшение рабочей ёмкости H – катионитных фильтров, загруженных сульфоуглем, если обрабатываеая вода с преобладанием некарбонатной жёсткости, и снижается эффект умягчения, если много в воде солей Na.

Применение: если достаточна щёлочность <=0,35 мг-экв/л, если карбонатная жёсткость >50% общей жёсткости, если ()<=5-7 мг-экв/л.

При посл-ом H-Na-кат-ии часть воды через группу H- кат-ых фильтров, затем кислую H-кат-ую воду смешивают с остальным кол-ом исходной воды (происходит нейтрализация мин-ых кислот, сод-ся в H-кат-ой воде бикарбонатами Ca и Mg, нах-ся в жёсткой воде с образ-ем сульфидов и хлоридов Ca и Mg). В рез-те смешения H-кат-ой воды с исходной карбонатная жёсткость частично переходит в некарбонатную. Но необходимо пройти декарбонизацию этой смеси (для удаления свободной углекислоты), потом группу Na – кат-ых фильтров. В рез-те получается почти полное умягчение воды. Долю мягкой и сырой воды подбирают так, что бы бикарбонатная щёлочность сырой воды полностью нейтрализовала кислотность мягкой H – кат-ой воды, и что бы избыток её создавал бикарбонатную щёлочность смеси перед Na – кат-ом в пределах 0,7-1 мг-экв/л. Такой же бывает остаточная щёлочность умягчённой воды после Na – кат-та.

Достоинства: глубокое умягчение воды с высокой бикарбонатной жёсткостью и знач-ым кол-ом солей Na, а также хорошее исп-ие ёмкости поглощения H – кат-ым фильтром.

Применение: применимы для сильноминерализованных вод с солесодержанием >1000 мг/л, когда:

1) >5-7 мг-экв/л;

2) карбонатная жёсткость исходной воды составляет не >50% общей жёсткости;

3) щёлочность умягчённой воды по этой схеме =0,7-1 мг-экв/л и не вызывает существенного увеличения продувки паровых котлов.

При совместном H-Na – кати-ии катиониты регенерируют сначала опред-ым кол-ом кислоты, а затем после её отмывки опред-ым кол-ом поваренной соли NaCL, следовательно, обменными катионами в верхних слоях будут катионы , а в нижних слоях . Следовательно, при прохождении через H-Na – катиониты идут процессы H-Na – кат-ия, удаляется кислотность и поддерживается необходимая щёлочность. Эти установки наиболее просты.

Преимущества:

1) минимальный удельный расход кислоты на регенерацию;

2) минимальная потребность кислотоупорной арматуры;

3) нет сброса кислых вод в канализацию, нет потребности в спец. стали.

Недостатки: резкое колебание недостаточной щёлочности в период цикла фильтрации, следовательно, на ТЭС нельзя применять высокое или повышенное давление.

Применяют:

1) если получаемая по этой схеме щёлочность не вызывает заметного увеличения продувки котла;

2) <=3,5-5 мг-экв/л, т.к. H-Na – катионитные схемы не дадут общей жёсткости <20 мг-экв/л. Тогда проводят двухступенчатое Na – катионирование:

1 ступень – общая жёсткость=0,2 – 0,05 мг-экв/л при W = 15 – 20 м/ч;

2 ступень – общая жёсткость=0,03 – 0,01 мг-экв/л.

Na – катионитные фильтры 2-ой ступени часто называют барьерными, т.к. они собирают всё, что осталось.