3.3. Физико-химические основы процессов ионного обмена.

3.3.1. Натрий-катионирование.

Умягчение воды путем натрий-катионирования за­ключается в фильтровании ее через слой катионита, со­держащего в качестве обменных ионов катионы натрия.

При Na-катионироваиии жесткой воды происходит следующий катионный обмен:

- условный знак, указывающий на способность твердого электролита к диссоциации в воде без видимого растворения самого электролита.

В результате приведенных реакций происходит более или менее полная замена катионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде катионами натрия, вследствие чего остаточная жесткость натрий-катионированной воды снижается до 10 мкг-экв/кг и ниже, щелочность и анионный состав ее изменяются, а солесодержание ее несколько возрастает. Последнее объясняется тем, что, как видно из приведенных выше реакций, два катиона Na⁺ заменяют в воде один катион Са²⁺ или один катион Mg²⁺, т. е. 23 весовые части натрия заменяют 20 весовых частей кальция или 12,16 весовой части магния, где 23; 20 и 12,16 — эквивалентные веса соответственно натрия, кальция и магния.

При катионировании растворов, содержащих разноименные катионы в концентрациях, соответствующих природным пресным водам, наблюдаются неодновременность про­скока в фильтрат катионов разной природы и способ­ность одних катионов вытеснять другие, поглощенные ранее катианитом.

Основным недостатком натрий-катионирования яв­ляется превращение карбонатной жесткости воды в би­карбонат натрия, обусловливающий высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в парогенераторе бикарбонат натрия превращается в карбонат и гидро­окись натрия:

Регенерация истощенно­го Na-катионита достигается фильтрованием через его слой раствора поваренной соли (NaCI). Вследствие относительно большой концентрации катионов натрия в регенерационном растворе происходит замена ими по­глощенных ранее катионов кальция и магния. Поваренная соль применяется для регенерации в основном вследствие ее доступности, а также вслед­ствие того, что получающиеся при этом хорошо растворимые СаС1₂ и Mg С1₂ легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой.

Умягчение воды путем Na-катионирования примени­мо для вод с относительно малой карбонатной жест­костью, превращение которой в бикарбонат натрия не вызывает чрезмерного увеличения продувки парогенераторов, а также не создает опасной для парогенерато­ров повышенной относительной щелочности котловой воды.

Для более глубокого умягчения воды, а также в це­лях экономии соли и увеличения продолжительности фильтроцикла применяется двухступенчатое Na-катионирование. В этом случае в фильтрах первой ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,05— 0,2 мг-экв/кг при обычных скоростях фильтрования (15—20 м/ч). Затем умягченная вода пропускается через фильтры второй ступени катионитовой установки, в ко­торой жесткость предварительно умягченной воды уда­ется снизить до 0,03—0,01 мг-экв/кг.

При наличии барьерных фильтров упрощается экс­плуатация установки, так как катионитные фильтры первой ступени могут отключаться на регенерацию не по проскоку ионов Са²⁺ и Mg²⁺, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а по ко­личеству воды, пропущенной через них. Небольшое по­вышение жесткости воды после фильтров первой ступени неопасно, так как она будет задержана барьерными фильтрами.