В технологии водоподготовки, на ряду и в сочетании с технологиями нанофильтрации и обратного осмоса, применяются два основных процесса для удаления из воды ионизированных примесей: катионирование и анионирование.
 
 В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрий-катионирование (натрий-хлор-ионирование), натрий-катионитный фильтр; H (водород)-катионирование, H-катионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитный фильтр. Соответственно называется фильтрат, полученный в этих процессах: Na-катионированная вода, H-катионированная вода, OH-анионированная вода и т.п.
 
 Процессы Na-катионирование имеет самостоятельное значение и используется для умягчения воды, в то время как процессы H- и OH-ионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды. Н-катионирование может осуществляться в схемах H-Na-катионирования воды.
 
 Процессы ионирования воды на водоподготовительных установках реализуются в напорных насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действия.
 

Для быстрого перемещения между категориями воспользуйтесь рубрикатором

Технологии ионного обмена:

 

Na-катионирование;
 

 
H-катионирование;
 

 
Анионирование;
 

 Процесс Na-катионирования применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, обуславливающие жесткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na²⁺.

Процесс ионного обмена при натрий-катионировании воды:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.

 Остаточная жесткость фильтра при одноступенчатом Na-катионировании может быть получена при надлежащих условиях регенерации фильтра на уровне 10 - 20 мкг-экв/л, что является определяющим при реализации этого процесса.
 
Анионный состав Na-катионированной воды остается неизменным, поэтому карбонатная жесткость исходной воды переходит в гидрокарбонат натрия (NaHCO₃).

Образование гидрокарбоната натрия при умягчении (Na-катионировании) воды:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.

 Неизменность величины щелочности при Na-катионировании является основным недостатком этого процесса (применительно к подготовке воды для теплоэнергетики), поэтому он может иметь самостоятельное значение только при подготовке воды для подпитки теплосети и добавочной воды для котлов низкого и среднего давлений при сравнительно низкой щелочности исходной воды.
 
 Второй недостаток рассматриваемой технологии определяется увеличением солесодержания фильтрата при выражении его в массовых единицах, что связано с эквивалентными массами ионов Na⁺ (23 единицы), Ca²⁺ (20 единиц) и Mg²⁺ (12 единиц). Напомним, что ионный обмен характеризуется эквивалентностью, поэтому из воды удаляются ионы с меньшей эквивалентной массой (Ca²⁺, Mg²⁺), а их место занимает ион натрия с большей эквивалентной массой.
 
 Процесс умягчения при Na-катионировании заканчивается при наступлении проскока жесткости, после чего истощенный катионит в фильтре надо регенерировать, т.е. восстанавливать его способность к обмену ионами.

 
Кривая качества фильтрата при натрий-катионировании, определяющая величину фильтроцикла - Q_P (М³):

 
Где:

Ж_прив. - жесткость исходной (приводной) воды (мг-экв./л);
Ж_ост. - остаточная жесткость фильтрата на протяжении всего фильтроцикла (мг-экв./л);
Ж_доп. - максимальная допустимая остаточная жесткость фильтрата (мг-экв./л).

 Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 - 10% раствора NaCl (например поваренная соль). Вследствие относительно большой концентрации ионов Na⁺ в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

 
Процесс восстановления обменной способности катионита в натрий-форме:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной;
n - избыток NaCl против его стехиометрического расхода.

 Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком (n).
 
 При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован лобовой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном растворе ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенеранта ионами Na⁺. Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической соли ионами Ca²⁺ и Mg²⁺.
 
 На практике расход соли на регенерацию принимают в пределах 120 - 150 г/г-экв по экономическим и экологическим соображениям, поэтому рабочая обменная емкость не достигает значения полной. Ограничение расхода соли позволяет уменьшить ее количество в сточных регенерационных водах. Эффект прироста обменной емкости с увеличением удельного расхода более 300 г/г-экв заметно снижается.

 
Зависимость восстановления обменной емкости натрий-катионитовой установки от удельного расхода соли на регенерацию:

 Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора ограничивают пределами 4 - 6 м/ч. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям работы фильтра.
 
 Регенерацию ионита в фильтрах можно проводить несколькими способами, которые отличаются друг от друга направлениями потоков обрабатываемой воды и регенерационного раствора. При совпадении направлений потока воды и регенерационного раствора, подаваемых обычно сверху - вниз, регенерацию называют параллельно-точной, такая регенерация создает не самые оптимальные условия для процесса умягчения из-за распределения ионов Na⁺ и ионов жесткости в слое отрегенерированного материала. На выходе из слоя катионита умягчаемая вода, в которой резко снижена концентрация ионов жесткости, проходит через участки плохо отрегенерированного катионита и поэтому не может глубоко умягчаться. Кроме того, такое обстоятельство может привести к переходу некоторой части ионов жесткости из катионита в воду.
 
 При противоточной регенерации регенерационный раствор подается в направлении, противоположном подаче потока обрабатываемой воды, при этом наиболее полно регенерируются выходные (по воде) слои катионита. Это позволяет не только сохранить постоянное значение остаточной концентрации ионов в фильтрате, но и получить фильтрат более высокого качества при сниженных избытках реагента и, следовательно, меньших объемах сточных вод.

 Для сокращения расхода реагентов с использованием параллельно-точной технологии регенерации применяют двухступенчатую схему Na-катионирования, т.е. последовательное включение двух фильтров. Фильтр первой ступени регенерируется с относительно наибольшем избытком NaCl (n = 1.8 - 2.4), поэтому остаточная жесткость фильтрата получается высокой, на уровне 0.1 мг-экв/л. Фильтр второй ступени регенерируется с 6.5 - 7.5-кратным избытком соли, поэтому остаточная жесткость воды снижается со 100 до 5 - 10 мкг-экв/л.
 
 Технико-экономические расчеты показывают, что, несмотря на увеличение количества фильтров в двухступенчатой схеме, последняя имеет преимущества перед одноступенчатой схемой за счет снижения расхода соли при равноценном качестве умягченной воды.

 Обработка воды методом H-катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Вода за H-катионитными фильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na-катионированием (умягчением) или анионированием.

 
Процесс ионного обмена при H-катионировании воды:

 
Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.

Выделяющиеся ионы водорода (H⁺) в свою очередь реагируют в обрабатываемой воде с гидрокарбонатными ионами:

Остаточная кислотность фильтрата после завершения реакции с учетом равенства эквивалентных концентраций катионов и анионов будет равна:

 Приведенные выше реакции позволяют контролировать полноту обмена ионов при H-катионировании по кислотности и по известным показателям качества поступающей на установку воды. При наличии в исходной воде ионов NO^3- и NO^2- они также должны быть учтены в расчетной оценке кислотности H-катионированной воды.
 
 Сорбция катионов Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺ ионитом осуществляется в соответствие с расположением этих ионов в ряду селективности (кальций > магний > натрий), поэтому в слое H-катионита сверху располагается зона поглощения иона Ca²⁺, ниже - иона Mg²⁺ и далее - иона Na⁺. Эти три зоны по мере истощения H-катионита передвигаются одна за другой по направлению к нижней границе слоя ионита и первым обнаружится проскок иона Na⁺.

 
 
 
Графики изменения качества фильтрата при H-катионировании воды, при истощении катионита:

Где:

Q - объем фильтрата (м³);
Ж_прив - величина жесткости (Ca²⁺+Mg²⁺) в приводной (исходной) воде;
Na_прив - содержание натрия (Na⁺) в приводной (исходной) воде;
Ж_ф - содержание солей жесткости (Ca²⁺+Mg²⁺) в фильтрате;
Na_ф - содержание натрия (Na⁺) в фильтрате;
a - начало проскока натрия (Na⁺) в фильтрате;
b - отсутствие поглощения катионитом натрия (Na⁺);
c - максимум вытеснения натрия (Na⁺) из катионита;
d - окончание вытеснения натрия (Na⁺) из катионита;
e - начало проскока солей жесткости (Ca²⁺+Mg²⁺) в фильтрате;
f - полное истощение H-катионита.

 Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов кислотность фильтрата после проскока ионов Na сначала уменьшается и достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая исходных значений при обмене ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺.Эффект умягчения воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Na-катионировании.
 
 Работа фильтра до проскока ионов Na⁺ или ионов жесткости зависит от технологической схемы его использования, соответственно изменяется его рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na⁺ или проскока жесткости.
 
 Для регенерации истощения H-катионита по технико-экономическим соображениям чаще используется серная (H₂SO₄) концентрацией 1.0 - 1.5%, реже для регенерации применяется соляная кислота (HCl) концентрацией 5 - 7 %. Скорость пропуска регенерационного раствора составляет 8 - 10 м/ч для раствора серной кислоты (H₂SO₄) и 5 - 7 м/ч для раствора соляной кислоты (HCl).

Процесс регенерации H-катионита характеризуется следующими реакциями:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной;
n - избыток кислоты против её стехиометрического расхода.

 Расход реагента существенно снижается, а качество фильтрата повышается при применении противоточной регенерации ионитного фильтра. Однако применение фильтров с противоточной регенерацией усложняет конструкцию H-катионитовой установки и требует строгого контроля за скоростями потоков на всех стадиях регенерации фильтра.

Расход реагентов на регенерацию сильнокислотных катионитов и применение аппаратов с прямоточной и противоточной регенерацией:

 Расход серной (соляной) кислоты на регенерацию карбоксильных катионитов определяют из расчета близкого к стехиометрическому (1,05-1,20 г-экв/г-экв).

 OH-анионирование воды ведется с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксила. При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в обмен на ионы ОН^- и Н⁺, то есть осуществляется химическое (ионитное) обессоливание воды.

Процесс ионного обмена при OH-анионировании воды:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.
 

 Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот H₂CO₃ и H₂SiO₃ и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов.

Процесс диссоциации слабых кислот при использовании сильноосновных анионитов:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной.
 

 С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов (E_АН ≥ E_АВ), а также способности только последних сорбировать анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный анионит, удаляющие ионы SO₄^2- и Cl^-; на второй ступени в фильтры загружается сильноосновный анионит, предназначенный главным образом для обескремнивания воды.
 
 Регенерация анионитных фильтров производится раствором NaOH концентрацией 2-4%, со скоростью пропускания 4-5 м/ч.

 
Процесс восстановления обменной способности анионита в OH-форме:

Где:

R - матрица с фиксированными зарядами без обменного иона, считающаяся одновалентной;
n - избыток NaOH против его стехиометрического расхода.
 

 Избыток щелочи (n) при регенерации слабоосновных анионитов при поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/л.

 При проектировании технологии химического обессоливания учитывают, что наличие в H-катионированной воде свободной углекислоты, более сильной, чем кремниевая, уменьшает кремнеемкость анионита и вызывает более ранний проскок ионов HSiO₃^- в фильтрат. Поэтому перед поступлением H-катионированной воды на слой сильноосновного анионита из нее необходимо возможно более полно удалить CO₂, для чего в схему включается декарбонизатор.
 
 Еще сильнее снижает кремнеемкость анионита наличие в H-катионированной воде ионов Na⁺, так как помимо истощения анионита анионами, уравновешивающими эти катионы, увеличивается концентрация в фильтрате противоионов (OH^-), что резко ухудшает глубину обескремнивания воды.
 
 С учетом приведенных выше фактов, как правило, используются двухступенчатые схемы обессоливания. Они обеспечивают высокое качество обработанной воды, отвечающее эксплуатационным нормам питательной воды барабанных котлов сверхвысокого давления.

Принципиальная схема двухступенчатого химического обессоливания:

Где:

a - приводная (исходная) вода;

b - обессоленный фильтрат;

H1 - Н-катионитный фильтр первой ступени;

A1 - анионитный фильтр первой ступени (низкоосновный анионит);

DC - декарбонизатор;

H2 - Н-катионитный фильтр второй ступени;

A2 - анионитный фильтр первой ступени (высокоосновный анионит).

 Для подготовки добавочной воды для прямоточных котлов и ядерных реакторов применяются трехступенчатые схемы химического обессоливания, в которых в качестве третьей ступени используются фильтры смешанного действия (ФСД). Загрузка ФСД состоит из смеси (от два к одному, до один к двум) сильнокислотного катионита а Н-форме и сильноосновного анионита в OH-форме.
 
 Переходящие в раствор в процессах ионного обмена на чередующихся зернах катионита и анионита ионы H⁺ и OH^- образуют воду, выводя из зоны ионного обмена противоионы, способствуя этим углублению степени обессоливания воды до остаточной удельной электропроводимости менее 0.2 мкСм/см.
 
 Недостаток технологии ФСД заключается в необходимости тщательно перемешивать и разделять (при регенерации) составные части смешанной загрузки.