1.3.3. Іонообмінне пом’якшення води

Катіонітове помякшення води

Сутність катіонітового способу пом’якшення полягає у обміні іонів кальцію і магнію води на іони натрію або водню катіонітів.

Катіоніти – високомолекулярні органічні сполуки (тверді солі), що містять іоногенні активні групи кислотного характеру здатні до реакцій катіонного обміну. Вони є нерозчинні у воді, розчинах мінеральних кислот, лугів і у органічних розчинниках.

Катіоніти одержують сульфуванням коксованого кам’яного вугілля (концентрованою сірчаною кислотою при високій температурі з наступним промиванням і висушуванням – сульфовугілля) або сульфуванням синтетичних чи природних полімерів – синтетичні катіоніти – іонообмінні смоли.

При сульфуванні вугілля утворюються нерозчинні сульфокислоти і складні карбонові кислоти. Здатність сульфовугілля до катіонного обміну зумовлена наявністю водню у групах і . Сульфовугілля – це чорні гранули розміром від 0,3 до 2мм, випускається як в Н– , так і в формі.

Синтетичні катіоніти (іонообмінні смоли) одержують полімеризацією наприклад, катіоніт марки КУ-1 – полімеризацією фенолу та формальдегіду КУ-2 – полімеризацією стиролу та дивінілбензолу.

У катіоніті КУ-1 активною групою є і (фенольні гідроксили), а у КУ-2 - .

Катіоніт КУ-1складається з чорних чи темно-коричневих зерен неправильної форми розміром 0,4-2мм, катіоніт КУ-2-8 - зі сферичних зерен розміром 0,32-1,25мм (жовтого чи коричневого забарвлення).

Всі катіоніти (і аніоніти), що застосовуються для очищення води, не повинні виділяти токсичних чи інших речовин, що мають сторонній запах. Зі синтетичних катіонітів Міністерством охорони здоровя дозволені для використання КУ-2-8чС, КУ-23ч і КУ-23, чистіші, ніж вихідний катіоніт КУ-2-8. Вищевказані катіоніти також характеризуються меншими коливаннями гранулометричного складу.

Основний показник якості катіонітів – обмінна ємність, яка виражається числом г-екв катіонів, поглинутих 1м³ набухлого катіоніту.

Розрізняють повну і робочу обмінну ємність. Повна обмінна ємність відповідає максимально можливому насиченню катіоніту солями твердості робоча обмінна ємність відповідає доцільному насиченню, після якого ступінь пом’якшення води різко спадає. При характеристиці катіонітів, як правило вказують тільки робочу обмінну ємність, що дорівнює 75-85% від повної. Робоча обмінна ємність катіонітів в основному визначається складом та будовою катіонітів, природою обмінних катіонітів, також однорідністю зерен катіоніту. Велике значення також мають витривалість (стійкість) катіонітів при роботі за певних умов, зокрема, максимальна робоча температура

• для сульфовугілля – 60⁰С

• для синтетичних катіонітів КУ-2-8чС – 130⁰С.

Хімізм пом’якшення води [методичні вказівки до лабораторної роботи №1]

При катіонуванні забезпечується пом’якшення води до твердості 0,05мг/л. При застосуванні даного методу у воді містяться в основному солі натрію, які мають високу розчинність і не утворюють осаду в горілках та інших напоях при відповідних границях лужності і вмісту мікроелементів.

При катіонуванні вихідної води з карбонатною твердістю > 5,3мг-екв/л лужність пом’якшеної води буде вищою, ніж гранично допустима (6мл 0,1н розчину на 100мл води, тоді як гранично допустима 4,0-3,5). За даних умов горілка набуває неприємного лужного присмаку. Тому вихідну воду з вищою карбонатною твердістю спочатку вапнують або пом’якшену катіонітом воду нейтралізують катіонітами.

Лужність пом’якшеної води, що використовується для приготування лікерів та наливок, повинна бути доведена до 0,1мл 0,1н розчину на 100мл води для запобігання надлишкової нейтралізації органічних кислот, що містяться у плодово-ягідних напівфабрикатах.

Під час Н – катіонування води значно зменшується величина її рН. Н – катіонітові фільтри регенерують 1- 1,5 %-м розчином сірчаної або 5-6 %-м розчином соляної кислоти.

При сумісному катіонуванні вся вода обробляється пропусканням її через змішаний шар катіонітів з наступним видаленням вільної вуглекислоти. При цьому вода помякшується з одночасним зменшенням її лужності кінцева лужність 1-1,8мг-екв/л, твердість – до 0,1 мг-екв/л. Сумісне катіонування застосовується при сильно лужній вихідній воді, що містить не > 2-3мг-екв/л суми іонів і та 1мг-екв/л іону .

При паралельному і катіонуванні частину води пропускають через катіонітний, а частину - через катіонітний фільтр, після чого ці потоки об’єднують. Кінцева твердість пом’якшеної води – 0,01-0,03мг-екв/л лужність – 0,3-

0,4мг-екв/л. Вміст у початковій воді суми іонів і - не більше 3-4 іонів 1-2 мг-екв/л.

Послідовне катіонування застосовується при пом’якшенні сильно-мінеральних вод. При роботі за цією схемою частину води пропускають через Н-катіон. фільтрати, потім змішують її з рештою вих. Води. Одержану суміш пропускають через сепаратор для вилучення діоксиду вуглецю і подають її на Na⁺ катіон. фільтр. лужність пом’якшує воду – в межах 0,3 – 0,7смг-екв/л.

Всі варіанти H-Na-катіонування не дозволяють змінити склад аніонів води і збільшити вміст хлоридів у пом’якшеній воді. Внутрішня поверхня Н-катіон. фільтрів. повинна бути захищена спеціальним корозійностійким покриттями або для виготовлення фільтрів використовують н-д Т_і.

Для знесолення води її послідовно пропускають через Н-катіон-й та аніонітовий фільтри. На Н-катіоніттовому фільтрі катіони Ca, Mg, Na та ін. обмінюються на іон водню катіоніту. Під час Н-каті-ня утворюються СО₂ , який вилучається з води продування через неї повітря. Для вилучення аніонів води подається на оН-аніонітовий фільтри. ОН-аніонітовий фільтри. ОН-аніонітовий фільтри регенерується розчином NaOH.

Форми для розрахунків при Na-катіон. способу пом’якшення води – у

[методичні вказівки]

1. Кількість солей пів-ти, які необхідно вилучити δ з води за зміну;

2. Vкатіоніту в колоні V_кат.;

3. Повна об’ємна ємність катіоніту Е_ОЕ;

4. Міжрегенераційний період роботи фільтра П;

5. Витрата NaCl на регенерацію катіоніту G_NaCl

Уточнені формули:

Об’єм катіоніту необхідний для пом’якшення певної кількості води знаходять за формулою:

, де

ω – витрата води на промивання катіоніту після регенерацій дорівнює 3,5-4 м³ на 1 м³ катіоніту;

Q – добовий об’єм пом’якшеної води [м³];

ΔΤ – різниця поміж загальною твердістю пом’якшеної (початкової) і пом’якшеної води [мг-екв/л];

м – число циклів катіонного фільтру за добу;

Е_{роб.О.Е.} – [г-екв/м³];

Міжрегенераційний період катіоніту, тобто період пом’якшення води ( в год) визначається по формулі Лена:

, де

Q_год - середньогодинна продуктивність фільтра за пом’якшеною водою у перерахунок на 1 м³ катіоніту, залежить від твердості води (3 до 6 м³/(год* м³).

Рис. 3. Катіонітова установка.

Катіонітова установка включає наступні апарати:

1. Катіонітовий фільтри;

2. Солерозчинник;

3. Фільтр для очистки сольового розчину;

4. Бак для збирання зворотніх сольових вод;

5. Збірник пом’якшеної води.