7.1. Физические свойства катионитов.

1. гранулометрический состав. Здесь используются такие же характеристики, как и при анализе инертных фильтровальных материалов: минимальный, максимальный и эквивалентный диаметры зерен, а также коэффициент неоднородности ( К_н= D₈₀/D₁₀ или D₆₀/D₁₀). Обычный диапазон размеров частиц – 0,3- 1,2 мм.

2. Механическая прочность (истираемость и измельчаемость).

3. Плотность. Обычно находится в пределах 1,13-1,38 г/ см ³.

4. Химическая и термическая стойкость.

5. Обменная емкость.

Первая группа свойств (гранулометрия) влияет на гидравлические свойства слоя катионитов, который промывается аналогично фильтрующим загрузкам - потоком воды снизу. Подобным образом влияет и плотность частиц: чем она меньше, тем меньшая интенсивность подачи воды нужна при промывке. Кроме того, крупность зерен влияет и на технологические свойства – чем мельче зерна, тем больше поверхность его контакта с водой и тем быстрее идет ионный обмен.

Наиболее важное технологическое свойство катионита – это обменная емкость. Различают полную и рабочую обменные емкости. Выражаются они в эквивалентах на единицу массы или на единицу объема. например, г-экв на 1 кг сухого ионита либо г-экв на 1 м³ объема загрузки (влажной). Второй способ в водоснабжении используется чаще.

Полная обменная емкость определяется свойствами самого ионита (они записаны в паспорте материала)- Е_полн. Рабочая обменная емкость (Е_раб) зависит не только от полной емкости, но и от условий эксплуатации. Рабочая обменная емкость- это часть полной емкости, определяемая

• концентрацией и типом обмениваемых ионов,

• скоростью фильтрования,

• температурой воды,

• высотой слоя ионита,

• типом, концентрацией и количеством регенерационного раствора.

На рисунке ниже показано изменение жесткости воды на выходе из катионитового фильтра (Ж_ф) в зависимости от объема пропущенной воды (на 1м³ загрузки). Вначале она постоянна, а затем, после прохождения объема воды W₁, начинает расти, достигая в конечном итоге исходного значения Ж_исх. Естественно, фильтр в момент времени, соответствующий объему W₁, фильтр необходимо вывести на регенерацию. Обменная емкость пропорциональна площади, ограниченной кривой Ж(W) снизу, и Ж_исх. Полная обменная емкость пропорциональна общей площади - S₁ +S₂, а рабочая емкость - S₁.

ориентировочные значения полной обменной емкости сильнокислотных катионитов (г-экв/м³): сульфоуголь – 570, КУ-1- 650, КУ-2 –1700, а слабокислотного КБ-4 –2800 ( при рН больше 9,0).

Если катионит предварительно переведен в Nа- форму путем пропуска раствора NаСl, то он в дальнейшем обменивает катионы Nа⁺ на катионы жесткости Са⁺² и Мg⁺²:

2 NаR+ Са⁺²→ СаR₂ +2 Nа⁺, (А)

где R- матрица катионита, считающаяся нерастворимой в воде кислотой.

При этом жесткость воды снижается до 0,01-0,02 г-экв/м ³, а щелочность не изменяется.

Реакция (А) является обратимой, что позволяет регенерировать катионит либо раствором NаСl, либо Н₂SО₄ ( для Н- катионитовых фильтров):

СаR₂ +2 NаСl→ СаСl₂+2 NаR.

Раствор СаСl₂ отводится при регенерации.

При Н-катионировании катионит предварительно обрабатывают раствором кислоты, обменный ион здесь - Н⁺:

2НR+CaCl₂=CaR₂+2HCl,

2НR +Ca(HCO₃)₂ =CaR₂+CO₂+2H₂O.

При этом снижается рН, растет кислотность воды, появляется CO₂, который необходимо удалять с помощью дегазаторов. Здесь снижается не только рН, но и щелочность воды.

Регенерация Н-катионитовых фильтров производится раствором кислоты (обычно серной). Как правило, одно Н-катионирование не производят (вода после Н-катионитовых фильтров кислая), а совмещают натрий и Н-катионирование. Так, параллельное Н-Nа катионирование позволяет получить воду необходимой щелочности, смешивая воду после Н и Nа катионирования.