Натрий-хлор-ионирование

Натрий-хлор-ионитный метод основан на умягчении воды с одно­временным снижением щелочности и осуществляется путем последова­тельного фильтрования обрабаты­ваемой воды через натрий-катионит- ный фильтр первой ступени, хлор-анионитный фильтр и затем натрий- катионитный фильтр второй сту­пени.

Вторую ступень натрий-катиони- рования рационально совмещать в одном фильтре с хлор-анионирова- нием, при этом внизу загружается катионит, а сверху — сильнооснов­ный анионит типа АВ-17 (рис. 2).

Рис. 2. Схема натрий-хлор-ионирования.

1—исходная вода; 2— натрий-катионитный фильтр первой ступени; 3 — натрий-хлор-ионитный фильтр (вторая ступень натрий-катионирования); 4-'натрий-хлор-ионированная вода

В этом методе катионит и анио­нит регенерируются поваренной солью NaCl (Na+ регенерирует ка­тионит, С1~—анионит). На первой ступени катионирования происходит замещение катионов Са2+ и Mg2+ на Na+. Во второй ступени (в сов­мещенном натрий-хлор-ионитном фильтре) в слое анионита происхо­дит обмен,, анионов S042-, NC>3~, N02~, НСОз-, содержащихся в об­рабатываемой воде, на хлор,

а в слое катионита «проскочившие» катионы жесткости обмениваются на Na+. При этом протекают сле­дующие реакции: в катионите

2Na Кат + Са (НСОа)2 → Са Кат2 + 2NaHC03;

2Na Кат + MgS04 → Mg Кат2 + Na2S04;

2Na Кат + СаС12 → Ca Kam2 + 2NaCl; в анионите

Ah Cl + Na2S04→Лн2504 + 2NaCl; Ah Cl + NaN03 → Ah N03 + NaCl;

Ah Cl + NaHC03→Ah HC03 + NaCl и т. д.

Методом натрий-хлор-ионирова­ния воды можно снизить жесткость фильтрата до 0,01 мг-экв/л и щелоч­ность до ~0,2 мг-экв/л.

В отличие от работы катионита, у которого после «проскока» катио­нов жесткости происходит быстрое нарастание последней, хлор-анионит большую часть рабочего цикла ра­ботает с «проскоком» ионов НС03- н фильтрат. Этой особенностью про­цесса хлор-ионирования часто поль­зуются в котельных установках, где требуется снижение щелочности только до 1 — 1,5 мг-экв/л

С отключением фильтра на реге­нерацию при щелочности 1,5—3 мг-экв/л среднюю щелочность фильтрата за фильтроцикл получа­ют в требуемых пределах, что зна­чительно увеличивает рабочую емкость поглощения анионита по иону НС03.

Метод натрий-хлор-ионирования в небольших установках (производи­тельностью от 5 до 50 м3/ч) имеет явное преимущество перед водород- катионированием с декарбонизацией и последующим двухступенчатым натрий-катионированием. При хлор-ионировании расходуется только один реагент — поваренная соль, исключается коррозионно-активная кислота, требующая антикоррозион­ной защиты оборудования, трубо­проводов и специальной арматуры; не требуется значительного увеличе­ния оборудования в сравнении с наиболее простой схемой — натрий- катионирования (исключаются водород-катионитные фильтры, декарбонизатор, оборудование для хра­нения кислоты и приготовления ре­генерационного раствора, баки и насосы декарбонизированной воды и пр.).

Ограничением применения метода натрий-хлор-ионирования является недостаточный выпуск промышлен­ностью анионитов, их высокая стои­мость, а также изложенные ниже технологические условия, связанные с качеством исходной воды и содер­жанием С1~ в дренажных водах.

. При большем содержании анионов сильных кис­лот и производительности установ­ки более 50 м3/ч применение схемы должно быть обосновано технико­экономическим расчетом, возможно, что в этих случаях эта схема будет более рентабельной, чем водород- катионирование с декарбонизацией.

В промышленных условиях при хлор-ионировании имело место сни­жение емкости поглощения аниони­та и нарушение гидродинамики фильтрующего слоя (сопротивление возрастало до 1,5 кгс/см2) в связи с загрязненностью регенерационно­го раствора солями жесткости. Это явление происходило в результате выпадения осадка карбоната каль­ция в объеме анионита и вызывало необходимость приготовления реге­нерационного раствора на умягчен­ной натрий-катионированной воде. По этой же причине использование регенерационного раствора после хлор-анионитных фильтров на натрий-катионитных фильтрах первой ступени возможно только в случае повышенной минерализации исход­ной воды, когда относительная доля бикарбонатного иона сравнительно небольшая.

Как показала практика эксплуа­тации, применение в схемах натрий- хлор-ионирования низкоосновных анионов невозможно, так как ем­кость поглощения анионитов типа АН-31, АН-18 и др. после 2—3 цик­лов поваренной солью не восстанав­ливается (фильтр не регенери­руется).

При применении схемы натрий-хлор-ионирования надо также иметь в виду большую чувствительность анионитов к содержанию в воде же­леза и органических веществ, кото­рые выводят анионит из строя. На­личие этих веществ в исходной воде ограничивает возможность примене­ния схемы натрий-хлор-ионирования в котельных; так, в небольших уста­новках обезжелезивание артезиан­ской воды еще возможно осущест­вить сравнительно простыми сред­ствами, но удаление органических веществ и железа из поверхностной воды связано со сложными соору­жениями для коагуляции и извест­кования, после которых хлор-иони-рование и не

1.2.5.3

Сущность метода водород-катио-нирования заключается в фильтро­вании обрабатываемой воды через- катионит, отрегенерированный кис­лотой. В процессе такого фильтро­вания катионы, растворенные в об­рабатываемой воде, обмениваются на водород.

При этом протекают следующие реакции:

2НКaт + Са (НС03)2 →Са Кат2 + 2Н20 + 2С02;

2НКaт + Mg (НС03)2 →Mg Кат2 + 2Н20 + 2С02;

Как видно из приведенных реак­ций, в процессе водород-катионирования (до «проскока» катионов- жесткости) вода умягчается — ка­тионы жесткости Са2+ и Mg2+ обме­ниваются на водород, бикарбонатный ион, образующий так называе­мую карбонатную жесткость, разру­шается с образованием углекисло­ты, а анионы солей постоянной, жесткости образуют эквивалентное количество минеральных кислот.

При более глубоком водород- катионировании до «проскока» в фильтрат натрия натрий, содержащийся в исходной воде, обменивается на во­дород и образуется эквивалентное количество минеральных кислот.

В зависимости от требований к качеству обработанной воды и от состава исходной воды метод водород-катионирования может осуще­ствляться в различных схемах.

Наиболее широко водород-катионирование применяется в схемах: водород-катионирования с «голод­ной» регенерацией фильтров, хими­ческого обессоливания (частичного и полного), и реже в схеме парал­лельного водород-натрий-катионирования.

Водород-катионирование с «голодной» регенерацией фильтров

Осуществление водород-катионирования в схеме так называемой «голодной» регенерации фильтров нашло широкое применение в ко­тельных установках, когда требует­ся разрушение бикарбонатного иона со снижением только карбонатной жесткости (щелочности) до 0,7—1,5мг-экв/л,

В отличие от обычного процесса водород-катионирования (при кото­ром берется избыток кислоты в 1,5—2 раза больше теоретического) в этом процессе расход кислоты на регенерацию соответствует теорети­ческому или даже несколько мень­ше его. При этом верхние слои от- регенерированного катионита будут содержать обменный катион водо­рода Н+, а в нижних слоях оста­нутся ранее задержанные ионы Са2+, Mg2+ и Na+.

В верхних слоях катионита, отрегенерированного «голодной» дозой кислоты, происходят все обычные реакции ионного обмена, в результате которых образуются сильные минеральные кислота и, угольная кислота.

Проходя неотрегенерированные слои катионита, ионы водорода сильных минеральных кислот обме­ниваются на ионы Са2+, Mg2+ и Na+ по уравнениям:

Са Кат + 2НС1 →2Н Кaт +• СаС12;

Mg Кат2 + H2S04→ 2Н Кат + MgS04;

Na Кат+НСl→ Н Кат + NaCl

и т. д., происходит как бы регене­рация, а затем вновь образуются те же соли, что были в исходной воде. Таким образом, можно считать, что при «голодной» дозе кислоты на ре­генерацию происходит только раз­рушение связанной углекислоты, и удаля­ются связанные с бикарбонатом ка­тионы.

В присутствии сильных кислот диссоциация угольной кислоты по­давлена, поэтому образовавшийся в верхних слоях С02 находится в. виде растворенного в воде uаза и проходит как бы «транзитом» неотрегенерированные слои катионита, и только когда в фильтрате уже нет сильных кислот, некоторое количе­ство ионов водорода (угольной кис­лоты) обменивается в нижних слоях на натрий, чем и обусловливается появление вторичной щелочности водород-катионированной воды. По­степенно количество ионов водоро­да в фильтре уменьшается и пере­мещается в более нижние слои.

К моменту отключения фильтр» на регенерацию ионы водорода в катионите практически расходуются, полностью. Получение при водород-катионировании с «голодной» реге­нерацией фильтров фильтрата с ми­нимальной щелочностью (при усло­вии отсутствия сброса кислой воды при регенерации и кислого фильтра­та в процессе водород-катионирова­ния) зависит от качества исходной воды и расхода кислоты на регене­рацию Повышение расхода кислоты на регенерацию выше оптимально­го приводит к получению в какой- то период фильтроцикла кислого фильтрата; недостаточная доза кис­лоты будет вести к повышению ще­лочности фильтрата и к снижению емкости поглощения катионита.

Для устранения колебания щелоч­ности и предотвращения появления кислого фильтрата схема водород-катионирования с «голодной» реге­нерацией фильтров осуществляется в две ступени, для чего после водород-катионитных фильтров устанав­ливаются буферные саморегенерирующиеся фильтры с высотой слоя сульфоугля 2 м и скоростью фильтрования до 40 м/ч (рис. 2-5).

Буферные фильтры как бы увели­чивают нерегенерируемый слой водород-катионитного фильтра, предо­храняя фильтрат от «проскоков» кислоты, создают большую надеж­ность работы установки, обеспе­чивая при этом более полное ис­пользование обменной емкости ка­тионита.

К буферным саморегенерирующимся фильтрам не допускается подвода регенерационных растворов (кислоты или соли), взрыхление их должно производиться жесткой ис­ходной водой. Кроме того, получе­ние постоянной величины щелочно­сти после водород-катионитных фильтров, работающих при «голод­ном» режиме регенерации, дости­гается путем составления при на­ладке соответствующего графика совместной работы и регенерации установленных фильтров (обычно устанавливается не менее трех фильтров, кроме буферных).

Схема водород-катионирования с «голодной» регенерацией фильтров имеет следующие преимущества пе­ред схемой параллельного водород- натрий-катионирования:

- сброс в дренаж нейтральных сто­ков в процессе регенерации;

- теоретически необходимый рас­ход кислоты на регенерацию водо­род-катионитных фильтров. Особенности процесса водород-катионирования с «голодной» реге­нерацией фильтров зависят прежде всего от химического состава исход­ной воды, который и диктует опти­мальные условия проведения про­цесса.

Характеристика катионного соста­ва исходной воды:

И характеристика анионного состава:

где К — отношение, характеризую­щее катионный' состав исходной во­ды; А — отношение, характеризую­щее анионный состав исходной во­ды; Na+, Са2+, Mg2+ — содержание в исходной воде соответственно нат­рия, кальция и магния, мг-экв/л; НС03~, Cl~, S042- — содержание в исходной воде соответственно би­карбоната, хлора и сульфат иона, мг-экв/л; Жо — общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; — сумма анионов сильных кислот, со­держащихся в исходной воде, мг-экв/л.

По величине отношений К и А можно решить, как будет протекать процесс водород-катионирования с «голодной» регенерацией, и реко­мендовать оптимальные условия проведения процесса.