Главная > Статьи > Страница10
Ионный обмен. Базовые процессы. Как меняется состав воды.
ПРОЦЕСС 1.УМЯГЧЕНИЕ.
Для удаления из воды катионов жесткости применяют сильнокислотную катионообменную смолу (катионит) в натриевой форме. Регенерация осуществляется водным раствором NaCl (раствором таблетированной соли).
Умягчение не меняет соленость воды, однако замещает ионы жесткости на натрий, соли которого обладают значительно большей прямой растворимостью (рост растворимости с повышением температуры) и не образуют накипной осадок (снижение растворимости гидрокарбонатов в объеме воды при росте температуры) .
То, как меняется состав солей исходной жесткой воды после умягчения:
Общее солесодержание остается неизменным. Кальций и магний (ионы жесткости) обмениваются на натрий. В воде остается незначительное количество кальция и магния, остаточная концентрация которых зависит от условий регенерации смолы.
P.S. Практически все карбонаты (соли угольной кислоты с замещением двух ионов водорода) — нерастворимые в воде соли угольной кислоты. Все гидрокарбонаты (замещен только один ион водорода, а не два) — растворимые в воде соединения.
При нагревании воды, содержащей избыток растворенного гидрокарбоната кальция, выделяется углекислый газ и на стенках теплообменника формируется накипь — осадок нерастворимого карбоната кальция. Чем выше общая жесткость и общая щелочность, тем больше накипи и углекислого газа выделяется в процессе нагрева или испарения.
Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + CO2 + H2O
Процесс сохраняет обратимость при изменении условий среды.
CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(HCO3)2
ПРОЦЕСС 2. СНИЖЕНИЕ ЩЕЛОЧНОСТИ.
Процесс ионного обмена, направленный на извлечение карбонатной жесткости, с применением слабокислотной катионообменной смолы в водородной форме. После обработки вода будет содержать СО2. Регенерация слабокислотного катионита осуществляется водным раствором сильной кислоты, преимущественно соляной кислоты. Углекислый газ удаляется на стадии дегазации.
H++HCO3— → CO2 + H2O
Выделяемые в процессе удаления щелочности ( карбонатной жесткости) ионы водорода рекомбинируются с бикарбонат-анионом угольной кислоты, образовывая воду и углекислый газ. Общая соленость снижается — карбонатная жесткость (катионы жесткости + бикарбонат- анионы) полностью удаляется. Общая жесткость воды обработанной воды = постоянной (некарбонатной) жесткости воды.
ПРОЦЕСС 3. КОМБИНАЦИЯ УМЯГЧЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ ЩЕЛОЧНОСТИ.
Процесс ионного обмена, характеризуемый последовательной обработкой воды с применением двух смол – слабокислотного катионита в водородной форме (удаление щелочности) и сильнокислотного катионита в натриевой форме (умягчение). Применимость такого процесса может быть обусловлена тем, что общая жесткость значительно превышает общую щелочность. В случае равенства или в случае более высокой общей щелочности слабокислотный катионит в водородной форме выполнит «эту работу» самостоятельно. На первой стадии удаляется карбонатная (временная) жесткость, на второй — постоянная жесткость.
То, как меняется состав воды при последовательной обработке.
ПРОЦЕСС 4. ДЕКАТИОНИЗАЦИЯ.
Удаление катионов из воды – достаточно редко применяемый обособленно процесс. Чаще всего, удаление катионов — первая стадия процесса деминерализации. Регенерация сильнокислотного катионита (в Н-форме) осуществляется раствором сильной кислоты – HCl или H2SO4.
То, как меняется состав воды в процессе декатионизации с применением сильнокислотного катионита в Н- форме.
В результате взаимодействия выделяется углекислый газ (рекомбинация выделяемого водорода с бикарбонат-анионами), удаление которого требует дополнительной стадии дегазации. Соленость ( минерализация) воды снижается. Общая жесткость = 0. Вода приобретает кислую реакцию (рН 2…5) и содержит незначительную «проскоковую» концентрацию натрия (0,1…1 мг/л, в зависимости от условий регенерации).
ПРОЦЕСС 5. ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ.
Многие технологические задачи в промышленности, например, предполагающие нагрев воды до образования пара, требуют применения химически чистой воды. Так как вода содержит катионы и анионы задача деминерализации (или, другими словами, деионизации) предполагает обработку воды с применением двух типов смол — катионообменной и анионообменной. Катионообменная смола в водородной форме регенерируется раствором кислоты, анионообменная смола в OH-форме — раствором щелочи. Если исходная вода содержит большое количество гидрокарбонатов после катионного обмена в воде будет образовываться большое количество углекислоты, требующей стадии дегазации (как минимум, для удаления «дополнительной нагрузки» с сильноосновного анионита, удаляющего из воды анионы (очень низкая ионизация) слабых кислот -SiO2 и CO2). Последовательность «катионит-дегазатор (опция)-анионит» обязательна, так как если вначале удалять из воды анионы, соли жесткости будут в щелочной среде терять растворимость и осаждаться в анионите в виде Ca(OH)2 или CaCO3.
То, как меняется состав воды в процессе деминерализации.
В результате образования на первой стадии водорода и на второй стадии — гидроксильной группы вместо удаляемых катионов и анионов образуются новые молекулы воды. Обработанная вода практически не содержит ионов, кроме пренебрежительно малых остаточных концентраций натрия и кремния (наименьшая селективность со стороны катионита к натрию и анионита к анионам кремниевых кислот).
ПРОЦЕСС 6. УДАЛЕНИЕ НИТРАТОВ.
Селективное удаление нитратов из воды осуществляют с применением нитрат-селективной сильноосновной анионообменной смолы в хлоридной форме, т.е. с регенерацией раствором NaCl. Регенерация осуществляется в противоточном режиме. Ожидаемый проскок NO3 при противоточной регенерации 2…10 мг/л. Высокое содержание в исходной воде сульфатов (конкурирующая примесь) повышает проскоковую концентрацию NO3. Стандартная сильноосновной анионообменная смола в хлоридной форме обладает одинаковой селективностью к сульфатам и нитратам.
Удаление нитратов также можно осуществлять с применением стандартной сильноосновной анионообменной смолы в хлоридной форме, но с параллельным удалением сульфатов. В зависимости от типа смолы (селективная или неселективная) сульфаты удаляются частично (селективная) или полностью (неселективная). Бикарбонат-анионы удаляются частично и только в начале «фильтроцикла».
