Умягчение воды катионами и их свойства

Катионитный метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде катионов – вступать в ионный обмен с растворёнными в воде солями, при этом происходит сорбция катионов и вытеснение в раствор эквивалентного количества катионов, которыми катионит периодически насыщается при регенерации.

Остановимся на катионитовых материалах, которые наиболее часто применяются в практике умягчения воды.

К ним относятся:

I: сильнокислотные катиониты, содержащие активные сульфогруппы R-SO₃H, R-SO₃Na.

В эту группу входят: катиониты КУ-1, КУ-2, сульфоуголь и др.

Реже применяются:

II: слабокислотные катиониты, содержащие активные карбоксильные группы R-COOH.

В эту группу входят: катиониты КБ-4, СГ-1, КБ-2, эмберлайт IR-50 и др.

Приведём характеристики некоторых марок катионитов.

Катиониты	Размер зёрен, мм	Объёмная масса в набухающем сос- тоянии, т/м3	Полная обменная способность, Еполн, г-экв/м3	Примечание
Сульфоуголь сфт 1, крупный Ку-1Г Ку-2-8 КБ-4П	0,4 - 1,8 0,3 - 2,0 0,3 - 1,2 0,3 - 1,0	0,42 0,47 0,65 0,40	570 650 170 2800	Сильнокис-ый Сильнокис-ый Сильнокис-ый Слабокис-ый

В чём отличие сильнокислотных и слабокислотных катионитов?

Сильнокислотные катиониты мало изменяют обменную способность с понижением рН среды от 7 до 1.

Слабокислотные катиониты практически способны к обмену только при рН >7. При снижении рН <6 диссоциация карбоксильных групп уменьшается и, соответственно, обменная способность катионита также снижается.

При фильтровании воды через слой катионита, находящегося в Nа-вой форме, будут проходить следующие реакции обмена:

2R Na + Ca(HCO₃) ^→_← R₂ Ca + 2NaHCO₃

2R Na + Mg(HCO₃) ^→_← R₂ Mg + 2NaCl

2R Na + CaCl₂ ^→_← R₂ Ca + 2NaCl

2R Na + CaSO₄ ^→_← R₂ Ca + Na₂SO₄

2R Na + MgSO₄ ^→_← R₂ Mg + Na₂SO₄

R – нерастворимая матрица полимера катионита, условно считаемая однословной нерастворимой в воде кислотой.

При работе с катионитами необходимо учитывать их физические и химические свойства, полную и рабочую обменную ёмкость, способность к набуханию, фракционный состав и др. факторы.

В процессе умягчения Nа-катионированием содержание Са и Mg в воде может быть снижено до весьма малых величин, общая щёлочность воды не изменяется, а сухой остаток несколько возрастает, т.к. ион Са²⁺( ат.вес=40,08) из воды замещается двумя ионами Nа (2∙22,99=45,98):

При регенерации катионита раствором кислоты катионит переходит в Н-форму:

R₂Ca + H₂SO₄ ^→_← 2RH + CaSO₄

Теперь соли жесткости будут обмениваться на эквивалентное количество Н- ионов последующим уравнениям реакций:

При этом растворённые в воде соли превращаются в соответствующие кислоты

2RH + Ca(HCO₃)₂ ^→_← R₂Ca + 2H₂CO₃

2RH + CaCl₂ ^→_← R₂Ca + 2HCl

2RH + MgSO₄ ^→_← R₂Mg + H₂SO4

RH + NaCl ^→_← RNa + HCl

2RH + Na₂SO₄ ^→_← 2RNa + H₂SO₄

Если регенерация Н-катионитовых фильтров производится кислотой в количестве, недостаточном для полного удаления из катионита катионов жёсткостити, то регенерация называется «голодной»

При этом в верхней части фильтра катионит будет находиться в Н-форме и при умягчении воды будут происходить реакции типа:

2RH + CaCl₂ ^→_← R₂Ca + 2HCl

2RH + Ca(HCO₃)₂ ^→_← R₂Ca + H₂CO₃

При этом необходимо учитывать, Н₂СО₃ соединение неустойчивое и оно будет распадаться на Н₂О и СО₂ и уходить из сферы реакции.

В нижней части ионообменного фильтра при «голодной» регенерации катионит находится в Са- и Mg- формах и в нижней части на катионите будут проходить реакции с кислотами, образующимися в верхних слоях ионообменной смолы по уравнению:

R₂Ca + HCl ^→_← 2RH + CaCl₂

Т.е. в результате этих процессов из воды будут удаляться карбонатные соли, а некарбонатные оставаться.

Т.обр. фильтры, работающие в режиме «голодной» регенерации, удаляют только соли карбонатной жёсткости и снижают щёлочность воды до 0,4-0,5 мг-экв/л.

Остановимся на кислотноосновных свойствах К⁺-в и А^--в.

Катиониты по своим свойствам подразделяются на сильнокислотные и слабокислотные, а аниониты – на слабо и сильно основные.

Эти свойства ионитов связаны с тем, что существуют иониты, в которых подвергаются диссоциации практически все содержащиеся в их составе функциональные группы или только незначительный процент их.

А степень диссоциации функциональных групп, которые являются ионообменными центрами, зависит от рН раствора.

Так, степень диссоциации функциональных групп у слабоосновных анионитов и слабокислотных катионитов, и, следовательно, их обменная способность будет возрастать только с понижением рН и, наоборот, убывать с его повышением.

Степень диссоциации сильноосновных А^--в и сильнокислотных К⁺-в и их обменная ёмкость практически не зависит от рН р-ра. (По аналогии есть слабые и сильные кислоты и сильные и слабые основания).

К слабоосновным А-там относятся следующие марки АН-2ФГ, АН-18-6, АН-31;

К сильноосновным: ЭДЭ-10П;

К среднеосновным: АВ-17-8, АМ.

Слабоосновные аниониты могут поглощать только сильных ионы кислот, например SO₄^2-, Сl^-.

Сильноосновные аниониты, как мы уже упоминали, отличаются от слабоосновных тем, что кроме ионов сильных кислот они могут поглащать ионы слабых кислот (угольной, кремниевой), заменяя их на ионы ОН^-.

сильноосновные (SO₄^2-, Сl^-, СО₂^2-, SiO₃^2-)

Ан

слабоосновные (SO₄^2-, Сl^-)

Слабоосновные аниониты применяют для того, чтобы разгрузить сильноосновные. Причём первые имеют преимущества:

1. небольшая стоимость

2. высокая рабочая способность к поглощению

3. небольшой расход реагентов на регенерацию

Н-катионитовые фильтры обычно регенерируют 1-1,5%-м р-ром серной кислоты:

2[К_ат]Na +Н₂SO₄ →2[К_ат]Н +Na₂SO₄

Анионитовые фильтры регенерируют 2-4%-м р-ром NaOH или кальцинированной содой:

для слабоосновных анионитов:

[А_н]₂SO4 + 2NaOH ^→_← 2A_нOH + Na₂ SO₄

A_нCl + Na₂CO₃ ^→_← A_нCO₃ + Na₂SO₄

для сильноосновного катионита:

[А_н]₂СО₃ + 2NaOH ^→_← 2[А_н]OH + Na₂CO₃

Процесс регенерации ионитовых фильтров состоит из следующих основных операций:

1. взрыхление слоя ионита исходной или частично обессоленной водой снизу вверх с интенсивностью 3-5 л/с∙м² в течение 20 мин. Это делается для устранения спрессованности ионита.

2. собственно регенерация – пропускание через слой смолы кислоты и щёлочи.

3. отмывка ионитов исходной или частично обессоленной водой от продуктов регенерации и неизрасходованного регенерационного раствора сверху вниз.

Регенерацию производят до тех пор, пока большая часть активных групп катионита будет замещена на обменивающийся ион (например, ион Na) и после этого катионитовый фильтр снова м.б. использован для умягчения воды.

Для сильнокислотных (R-SO₃H-сульфогруппа) катионитов характерна высокая поглотительная пособность из промывочных вод в отношении следующих Меⁿ⁺:

Ti, Cr³⁺, Al, Ba, Pb, Fe, Ca, Ni, Cd, Cu

Zn, Mg, Ag, Cu, K, NH₄⁺, Na⁺

Ввиду высокой селективности в отношении катионов Ме они м.б. использованы и для переработки конур-х р-ров для извлечения Fe, Cr, Al.

Слабокислотные катиониты R-COOH имеют высокую сел-ть в отношении Cu, Pb, Fe, Zu, Ni, Cd, Ca, Mg, NH₄⁺, K⁺, Na⁺ и неионогены ПАВ.

Их применяют на заключительной стадии иона обмена.

Сильноосновные аниониты – способны связывать анионы слабых кислот:

CrO₄^2-,PO₄^3- ,C₂O₄^2-, NO₂^-, HCO₃^-, HsiO₃^-, CN^-, H₂BO₃^-, F^-, цитратные, торторные и др.

Каждый катионит и анионит обладает определённой способностью, т.е тем количеством ионов, которое он может обменять в течение периода между двумя регенерациями или фильтроцикла.

Обменную способность катионитов и анионитов выражают в грамм-эквивалентах задержанных ионов на 1 м³ в разбухшем состоянии.

Различают полную и рабочую обменную способность катионитов .

Полной обменной ёмкостью (ПОЕ) называют то количество грамм-эквивалентов ионов, которое может задержать 1 м³ ионита, до того момента, когда к-ция (жёсткость) умягчённой воды сравняется с жёсткостью исходной воды.

Рабочей обменной емкостью (РОЕ) называют то количество грамм-эквивалентов ионов, которое задерживает 1 м³ катионита до момента, когда в фильтрат начинают «проскакивать» ионы жесткости.

Понятие рабочей и полной объёмной ёмкости можно проиллюстрировать следующим графиком:

Данная выходная кривая характеризует кинетику работы катионитового фильтра.

S_{A –} рабочая обменная ёмкость

S_A+B – полная обменная ёмкость или способность

m = c ∙ v = мг-экв ∙ м³

м³