Водород-катионирование

При Н -катионировании обменными ионами являются катионы водорода. В процессе фильтрования из воды поглощаются все содержащиеся в ней катионы согласно ряду селективности, то есть Са ²⁺, Mg ²⁺, Na ⁺ и другие, а в воду переходит эквивалентное количество Н ⁺ ионов. Кроме того, происходит разрушение ионами водорода бикарбонатной щелочности воды с образованием свободной углекислоты. Протекают следующие реакции:

2 HR + Ca (HCO ₃)₂ Û CaR ₂ + 2 H ₂ O + 2 CO ₂;

2 HR + Mg (HCO ₃)₂ Û MgR ₂ + 2 H ₂ O + 2 CO ₂;

2 HR + CaCl ₂ Û CaR ₂ + 2 HCl;

2 HR + MgSO ₄ Û MgR ₂ + H ₂ SO ₄;

HR + NaCl Û NaR + HCl;

2 HR + Na ₂ SO ₄ Û 2 NaR + H ₂ SO ₄.

В результате этих реакций общая жесткость снижается до 0,01 мг-экв/кг, а карбонатная жесткость [ Са (НСО ₃)₂ и Mg (НСО ₃)₂] полностью удаляется, вследствие чего происходит устранение щелочности воды и снижение солесодержания. В процессе Н -катионирования все катионы заменяются катионами водорода Н ⁺, а присутствующие в исходной воде соли: сульфаты, хлориды и нитраты кальция, натрия и другие, преобразуются в свободные кислоты: серную, соляную, азотную, кремниевую… Общая
кислотность фильтрата равна сумме содержащихся в воде анионов минеральных кислот SO ₄^2–, Cl ^–, NO ₃^– и др. Н -катионированная вода является кислой, непригодной для питания паровых котлов, поэтому этот метод всегда сочетают с Na - катионированием или анионированием, что дает возможность нейтрализовать кислотность и снизить щелочность обработанной воды.

Вследствие селективности удержания ионов катионитом, весь слой условно можно разбить на зоны по поглощаемым катионам. Ближе к нижней границе слоя располагается зона поглощения ионов Na ⁺, над ней - смешанная зона поглощения Mg ²⁺ и Na ⁺, а еще выше - зона поглощения Са ²⁺, Mg ²⁺. Суммарная высота этих зон определяет величину рабочей зоны катионита. Над ней располагается слой истощенного катионита, а под ней - свежего.

При работе Н -катионитного фильтра наблюдаются два периода. В первом происходит полное поглощение всех катионов до момента достижения зоной поглощения ионов Na ⁺ нижней границы слоя катионита (работа до проскока Na ⁺). В этот период кислотность фильтрата остается постоянной. Второй период начинается с проскока ионов Na ⁺ в воду. С этого момента содержание Na ⁺ в обработанной воде начинает возрастать, так как этот ион не может полностью улавливаться катионитом, пока не достигнет концентрации Na ⁺ как в исходной воде. К этому моменту Н -катионит совсем прекращает поглощать Na ⁺ из обрабатываемой воды и происходит только улавливание ионов Са ²⁺ и Mg ²⁺. Эти ионы Са ²⁺ и Mg ²⁺. наряду с обменом на ионы Н ⁺ начинают вытеснять ранее поглощенные ионы Na ⁺ из катионита, поэтому содержание Na ⁺ в фильтрате становится больше его концентрации в исходной воде. Происходят одновременно процессы водород- и натрий-катионирования с постепенным переходом в Na -катионирование, так как ионы Н ⁺ в катионите уже полностью заменены на ионы Na ⁺, Са ²⁺, Mg ²⁺(точка О). Содержание натрия в фильтрате снижается по мере истощения катионита и возвращается к его концентрации в исходной воде по мере приближения проскока ионов жесткости Мg ²⁺ (точка Р). Во втором периоде снижается кислотность фильтрата и начинает возрастать щелочность. При переходе в режим Na -катионирования щелочность восстанавливается полностью.

При умягчении воды Н -катионитные фильтры отключаются на регенерацию по проскоку ионов жесткости Са ²⁺ и Mg ²⁺ в фильтрат, а при химическом обессоливании - по проскоку катионов Na ⁺, то есть при снижении кислотности фильтрата.

Эффект умягчения воды при Н -катионировании обычно столь же полный, как и при Na -катионировании. Он зависит от качества регенерации ионита, его природы и состава исходной воды. Регенерация производится 1...1,5 % раствором серной кислоты, как более дешевой и удобной по сравнению с соляной. Последняя также может применяться для регенерации (например, для вод с высоким содержанием Na ⁺). Реакции регенерации описываются следующими уравнениями:

СаR ₂ + H ₂ SO ₄ Û 2 HR + CaSO ₄;

MgR ₂ + H ₂ SO ₄ Û 2 HR + MgSO ₄;

2 NaR + H ₂ SO ₄ Û 2 HR + Na₂ SO _4.

При регенерации катионита соляной кислотой продуктами регенерации являются хлориды кальция, магния, натрия, хорошо растворимые в воде. При использовании серной кислоты один из продуктов регенерации сульфат кальция (СаSO ₄) обладает ограниченной растворимостью и способен «загипсовывать» катионит. Это обстоятельство заставляет ограничивать крепость регенерационного раствора до 1...1,5 % или осуществлять ступенчатую регенерацию: сначала 1% раствором Н ₂ SO ₄, а затем, когда основная масса Са ²⁺ и Mg ²⁺ вытеснена и опасности гипсования уже нет, более крепким 5...6 % раствором кислоты для более полного вытеснения поглощенных катионитом ионов. Скорость пропуска регенерационного раствора выбирают также исходя из условий предотвращения кристаллизации гипса, а не диффузии при обмене ионов, как при Na -катионировании. Для сокращения времени контакта раствора кислоты с катионитом скорость фильтрования принимают 10...15 м/ч. По этой же причине, а также во избежание усиления коррозии оборудования, не допускается повышение температуры обрабатываемой воды и регенерационного раствора.

Кислотность Н -катионированной воды, то есть концентрация в ней противоиона Н ⁺, определяется разностью между суммой всех анионов и щелочностью воды и зависит от суммарной концентрации хлоридов и сульфатов. Противоионный эффект заметно проявляется в Н -катионированной воде, которая содержит значительное количество ионов SO и Cl^-. Чем больше некарбонатная жесткость, тем ниже рН фильтрата, тем сильнее противоионный эффект. В этом случае сильно подавляется диссоциация особенно слабокислотного катионита и уменьшается рабочая обменная емкость Н-катионита. Обменная емкость и эффект умягчения воды зависят лишь от концентрации нейтральных солей, так как бикарбонаты кальция, магния и натрия не повышают концентрацию противоиона в фильтрате. Чем больше противоионный эффект, тем больший требуется удельный расход кислоты на регенерацию для достижения заданной остаточной жесткости фильтрата. Существенно снижается расход реагента при применении противоточной регенерации или двухступенчатого Н -катионирования.

Иногда применяется «голодная регенерация» Н -катионитных фильтров. В этом случае при катионировании происходит не глубокое умягчение исходной воды, а разрушение её карбонатной щелочности без образования кислого фильтрата. Это достигается тем, что фильтры регенерируются таким количеством кислоты, которого недостаточно для вытеснения всех катионов, ранее поглощенных из воды. Это приводит к расположению в верхних частях фильтрующего слоя обменного иона Н ⁺ водорода (отрегенерированный слой), а в нижних слоях- обменных катионов кальция и магния. В слоях, находящихся в Н ⁺-форме протекают реакции обмена улавливаемых из воды ионов на ионы водорода, который переходит в воду с образованием сильных кислот и угольной кислоты. В ниже расположенных слоях ионы водорода сильных кислот обмениваются на ионы кальция, магния, натрия. Слабая угольная кислота, диссоциация которой подавлена в присутствии сильных кислот, значительную часть слоя проходит «транзитом» и обменивает некоторое количество ионов водорода уже в нижних слоях, обусловливая появление щелочности. С течением времени количество обменных ионов Н ⁺ уменьшается и одновременно происходит их перемещение из вышележащих слоев в нижележащие. К моменту окончания рабочего цикла все количество введенных при регенерации ионов ⁺ оказывается израсходованным на разрушение щелочности исходной воды. В момент повышения щелочности фильтр выводится на регенерацию. Прошедшая через такой слой вода не содержит сильных кислот и имеет незначительную щелочность (Щ=0,2-0,3 мг-экв/кг).

Режим «голодной регенерации» отличается от других режимов регенерации с недостатком кислоты тем, что на протяжении всего рабочего цикла обеспечивается нулевая кислотность фильтрата и минимальная щелочность. Любые другие модификации регенерации с недостатком кислоты не обеспечивают этого требования.

Такой режим применяется в схемах подготовки подпиточной воды для тепловых сетей.