2.2. Пом’якшення води катіонуванням

Вибір методу катіонування води визначається вимогами, що ставляться до обробленої води, складом домішок, розчинених у вихідній воді, і техніко-економічними міркуваннями.

Натрій-катіонітовий метод пом’якшення води (Na-катіонітовий) застосовують для пом’якшення підземних і поверхневих вод із вмістом завислих речовин не більше 5-8 мг/дм³ і кольоровістю не більше 30 град.

Жорсткість води може бути знижена при одноступінчастому Na-катіонуванні до 0,03-0,05, при двоступінчастомуу - до 0,01 мг-екв/дм³.

При фільтруванні води через шар Na-катіоніту відбуваються наступні реакції обміну:

2 [К] Na + Са(HCO₃)₂ = [К]₂ Са + 2NаНСО₃;

2 [К] Na + Mg(HCO₃)₂ = [K]₂ Mg + 2NаНСО₃;

2 [К] Na + CaSO₄ = [К]₂ Са + Na₂SO₄;

2 [К] Na + MgSO₄ = [K]₂ Mg + Na₂SO₄,

де [Кат] - нерозчинна матриця полімеру.

Процес обробки води на катіонітових фільтрах складається з наступних послідовних операцій:

1) фільтрування води через шар катіоніту до моменту досягнення жорсткості, що гранично допускається, у фільтраті (швидкість фільтрування в межах 10-25 м/год.);

2) розпушування шару катіоніту висхідним потоком непом'якшеної води, відпрацьованого регенерата або відмивних вод (інтенсивність потоку 3-4 л/с^. м²);

3) спуску водяної подушки, щоб уникнути розбавлення регенеруючого розчину;

4) регенерації катіоніту за допомогою фільтрування відповідного розчину (швидкість фільтрування 3-5 м/год.);

5) відмивання катіоніту непом'якшеною водою (швидкість фільтрування 8-10 м/год.).

На регенерацію звичайно витрачають близько 2 год., з них на розпушування – 10-15 хв., на фільтрування регенеруючого розчину – 15-30, на відмивання – 30-60 хв.

Регенерація виснаженого Na-катіоніту досягається фільтруванням через нього розчину куховарської солі. У процесі регенерації відбуваються наступні реакції:

[Кат]₂ Са + 2NaCl = 2 [Кат] Na + CaCl₂;

[Кат]₂ Mg + 2NaCl = 2[Кат]Na + MgCl₂.

Кухонна сіль застосовується для регенерації завдяки її доступності, а також внаслідок утворення добре розчинних солей СаСl₂ і MgCl₂, які легко видаляються з регенераційним розчином і відмивною водою.

Найбільш простою є схема одноступінчатої катіонітової установки (рис. 4). Вода, минувши Na-катіонітові фільтри, збирається в бак, з якого подається споживачу. За схемою, показаною на рис. 5, можна досягти глибшого пом’якшення води за рахунок двоступінчастої обробки води. У цьому випадку у фільтрах 1 ступеня вода піддається пом'якшенню до залишкової жорсткості 0,1-0,2 мг-екв/дм³. Потім на фільтрах 2 ступеня жорсткість заздалегідь пом'якшеної води знижується до 0,02-0,01 мг-екв/дм³.

Одноступінчаста схема Na-катіонування має недоліки, що обмежують її застосування: неможливість глибокого пом’якшення води; відносно питома витрата солі на регенерацію;неповне використання ємкості поглинання фільтру.

Водень-натрій-катіонітовий метод пом’якшення води. Обробка води водень-катіонуванням (Н-катіонуванням) заснована на фільтруванні її через шар катіоніту:

2 [Кат] Н + Са(НСО₃)₂ = [Кат]₂ Са + 2СО₂ + 2Н₂О;

2 [Кат] Н + CaCl₂ = [Кат]₂ Са + 2НСl;

2 [Кат] Н + CaSО₄ = [Кат]₂ Са + H₂SO₄;

2 [Кат] Н + MgSО₄ = [Kaт]₂ Mg + H₂SO₄.

При Н-катіонуванні води значно знижується її рН через кислоти, що утворюються у фільтраті.

Оксид вуглецю (IV), що виділяється при Н-катіонуванні, можна видалити дегазацією і в розчині залишаться мінеральні кислоти в кількостях, еквівалентних вмісту сульфатів і хлоридів у вихідній воді.

З наведених раніше реакцій для Na-катіонітового методу пом’якшення води видно, що лужність води у процесі іонного обміну не змінюється. Таким чином, змішуючи кислий фільтрат після Н-катіонітових фільтрів з лужним фільтратом після Na-катіонітових фільтрів можна одержати пом'якшену воду з різною лужністю. У цьому полягає перевага H-Na-катіонітового методу пом’якшення води.

H-Na-катіонітовий метод застосовують для обробки підземних і поверхневих вод із вмістом завислих речовин не більше 5-8 мг/дм³. Застосовуються паралельне, послідовне і змішане H-Na-катіонування.

При паралельному H-Na-катіонуванні одна частина води пропускається через Na-катіонітовий фільтр, інша - через Н-катіонітовий фільтр, а потім обидва потоки змішуються.

При послідовному H-Na-катіонуванні частину води пропускають через Н-катіонітові фільтри, потім змішують з рештою води, одержану суміш пропускають через спеціальний дегазатор для видалення оксиду вуглецю (IV), а потім всю воду подають на Na-катіонітові фільтри. До недоліку схеми слід віднести велику витрату електроенергії, що витрачається на проштовхування води через послідовно включені фільтри.

Сумісне H-Na-катіонування проводиться в одному фільтрі, верхнім шаром завантаження якого є Н-катіоніт, а нижнім - Na-катіоніт. Перевагою даної схеми є відсутність кислих стоків, недоліком - складність регенерації для отримання верхнього шару Н-катіоніту і нижнього шару Na-катіоніту.

Натрій-хлор-іонітний (Nа-С1-іонітний) метод заснований на пом'якшенні води з одночасним зниженням лужності, здійснюється послідовним фільтруванням оброблюваної води через Na-катіонітовий фільтр першого ступеня, Сl-аніонітовий фільтр і потім Na-катіонітовий фільтр другого ступеня. Другий ступінь Na-катіонування раціонально суміщати в одному фільтрі з Cl-аніонуванням, при цьому знизу завантажується катіоніт, а зверху - сильноосновний аніоніт.

Іоніти регенерують 5%-ним розчином кухонної солі, внаслідок чого катіоніт переводиться в Na-форму, а аніоніт – в С1-форму. У натрій-катіонітовому фільтрі відбувається заміщення катіонів Са²⁺ і Mg²⁺ на Na⁺.

У суміщеному натрій-хлор-іонітному фільтрі в шарі аніоніту аніони SO₄^2-, NO₃^-, NO^-, НСО₃^-, що містяться в оброблюваній воді, обмінюються на іони хлору, а в шарі катіоніту - катіони жорсткості, що «проскочили», обмінюються на катіони Na⁺.

Жорсткість пом'якшеної води складає 0,01 мг-екв/дм³, лужність - 0,2 мг-екв/дм³.