3.4 Умягчение воды методом катионного обмена

В промышленности широко используется метод катионного умягчения воды. Снижение жесткости воды особенно важно в процессах водоподготовки при получении котловой воды, а также воды для процессов отделки нитей и тканей. Используемая в текстильной промышленности вода должна иметь жесткость не выше 1 мг-экв/л, а в котловой воде жесткость должна приближаться к нулю.

Процесс катионного обмена может рассматриваться как гетерогенная обратимая химическая реакция. Обмен катионов происходит при фильтровании воды через слой катионита, загруженный на дренажную решетку металлического корпуса ионообменного аппарата.

Реакции умягчения воды имеют вид:

2Na[Kat] + Ca(HCO₃)₂ ([Mg(HCO₃)₂])  Ca[Kat]₂ (Mg[Kat]₂) + 2NaHCO₃

2Na[Kat] + CaCl₂ (MgCl₂)  Ca[Kat]₂ (Mg[Kat]₂) + 2NaCl и т.д.

Символом Kat обозначена нерастворимая матрица полимера-катионита, условно принятая одноосновной кислотой.

Реакция регенерации катионита раствором хлорида натрия описывается уравнением

Ca[Kat]₂ + 2NaCl = 2Na[Kat] + CaCl₂,

а раствором соляной кислоты уравнением

Ca[Kat]₂ + 2HCl = 2H[Kat] + CaCl₂.

При Н-катионировании на катионит могут переходить не только ионы кальция и магния, но и ионы натрия, а образующаяся углекислота может быть удалена дегазацией. В растворе остаются минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию сульфатов и хлоридов в исходной воде.

Остаточная жесткость умягченной воды зависит от удельного расхода реагирующих компонентов. Например, при жесткости исходной воды 5 г-экв/м³ и очистке до остаточной жесткости 0,1..0,02 г-экв/м³, удельный расход хлорида натрия составляет соответственно 50 и 100 г на один г-экв поглощенных ионов кальция и магния.

Ионообменные методы широко используются для извлечения из растворов ценных компонентов, токсичных примесей, для получения высоко чистых реагентов, для разделения элементов, в аналитической химии.

56