23 Физико-химические основы процесса катионирования.

Катиониты сод-ат функцион хим группы Н, кот способен замещаться др гр-ми (SO3H). Группа SO3H обл-ет сильно кислотными св-ми.

Катиониты: -сильнокислотные, -сильноосновные, -слабокислотные

Сильнокислотные обм-ют катионы только в щелочной, нейтр и кислой среде; слабокислотные – только в щелочной. Вводить в катиониты можно разл катионы, но чаще всего это Na и H (Na⁺R, H⁺R).

Пр-сы обраб воды подобными в-ми наз Na-катионирование и Н-катионирование. В жесткой воде:

Ca²⁺+Na⁺RCaR₂+Na⁺

Mg2+Na⁺RMgR2+Na+

В рез-те более или менее полной замены катионов Na катионами Ca и Mg – жесткость↓. Щелочность не изменяется, солесодержание ↑, т.к. 2 катиона Na заменяют в воде 1 катион Ca и Mg, т.е. 23 весовых части Na заменяют 20 весовых частей Ca или 12 весовых частей Mg.

После того как значительная часть Na заменена на Ca и Mg катионит истощается и теряет способность умягчать воду. Для устан этой способности надо извлечь из катионита задерж Ca и Mg и заменить обменными, что были раньше. Процесс замены или восстановления обменной емкости истощенного катионита – регенерация. Если Na – катионит, то регенерацию осуществл р-ром NaCl

Ca²⁺R+NaCl→Na⁺R+CaCl2

Mg²⁺+NaClNa⁺R+MgCl2

NaCl-недорог, легко доступен, а MgCl2 и СaCl2 – легко растворимы и удаляются отмывочной водой. При работе фильтра верхний слой фильтрующего мат-ла истощ быстрее. При пр-се регенерации верхний слой тоже реген-ся более полно и к нижнему слою катионита конц-ия Ca²⁺ и Mg²⁺ ↑,след. б/т меньше конц-я Na.Это подавляет диссоциацию истощ катионита и тормозит пр-с ионного обмена – это противоионный эф-т. Уйти от этого эф-а позв-т дополнит порции р-ра NaCl. Но выгоднее уйти от доп-ой подкачки р-ра, но сделать однократную промывку, в 3-3,5 раза превышающей по кол-ву =стехиометрическому. Na-катионирование примен для воды с относительно невысокой бикарбонатной жест-ю, превращение кот в бикарбонат не создаст опасной для котлов повышенной относительной щел-ти и не потреб увелич продувки котла.

При Н-катионировании:

Ca²⁺+H⁺RCaR2+2H

Mg²⁺+H⁺RMgR2+2H

Т.к. в процессе Н-катионирования все катионы в воде заменены катионами Н, то присутствующие в воде сульфаты, хлориды, нитраты Ca, Mg,Na и т.д. преобраз в своб-е мин-ные кислоты: серная, соляная, азотная, кремниевая. Общая кислотность Н-катионированной воды при этом = Σ сод-ся в воде анионов мин-ных кислот(H2SO4 HNO3 HCl H2SiO3). И если вода не содержит ионов Na, то общая кислотность будет =некарбонатной жесткости воды(так принимается). Т.к. в рез-те Н-катионир вода становится кислой, непригодной для питания котлов, то всегда Н-катионир сочетают с Na-катионир или анионир и тогда одновременно ↓ кислотность и щелочность.

Регенерацию Н-катионита делают 1-1,5% р-ром H2SO4. большую концентрацию нельзя, т.к. зерна катионита начинают обрастать отложениями сульфата кальция CaSO4 – практически нерастворим => загибсовывание катионита.

Ca²⁺R2+H2SO4CaSO4↓+H⁺R

Mg²⁺R2+H2SO4MgSO4↓ +H⁺R

Na⁺R+H2SO4Na2SO4+H⁺R

К-во р-ра для более полной регенер дают ~ 1,2-1,5 раза > стехиометрич-го. Регенер начин, когда появл проскок катионов Ca2+ и Mg2+. Жесткость ↑. За счет Н-катионир м получить жесткость ~10 мкг-экв/л, иногда примен «голодную» регенер Н-катион-ых фильтров: не глубокое умягчение воды, разрушение карбонатн щелочности без образ-ия кисл фильтрата. Недостаточн кол-вом кислоты => верх слой чистый, в нем много Н+ ионов, а в нижнем ост ионы Ca и Mg. Пройдя ч/з фильтр вода не сод-ит сильных кислот и имеет незначит щелочность. Последующим фильтрованием Н-катионир-ой воды, после удаления из нее свободной углекислоты(декарбонизатор), ч/з 2-е ступени Na-катионир вода умягчается до 5 мкг-экв/л.