Ионообменный метод очистки воды
Метод ионного обмена широко применяется для очистки воды. Его сущность состоит в том, что воду пропускают через иониты. Иониты это твердые нерастворимые вещества, способные обменивать ионы, входящие в их состав, на ионы, содержащиеся в воде. Иониты, обменивающие катионы, называются катионами, а анионы – анионитами.
В качестве катионитов применяют синтетические смолы типа бакелита, полученные из фенолов и формальдегида. В катионитах чаще всего происходит замещение ионов натрия (Na–катионит), или ионов калия (К–катионит), или ионов водорода (Н–катионит) на ионы, содержащиеся в воде. Ионный обмен выражается обычными химическими реакциями обмена. Например, для Na–катионита:
Na[Кат] + МеА ↔ Ме[Кат] + NaА, (1)
где МеА – химическая формула соли, состоящей из катиона металла Ме и аниона А.
Для Н–катионита:
Н[Кат] + МеА ↔ Ме[Кат] + НА. (2)
В последнем случае получаются кислые растворы с низким значением рН. Если это нежелательно или надо удалить какой-либо анион из воды, воду фильтруют через аниониты, чаще всего ОН–анионит:
[Ан]ОН + НА ↔ [Ан]А + Н2О. (3)
Если воду, содержащую соли, пропустить последовательно сначала через Н–катионит (реакция 2), а затем через ОН–анионит (реакция 3), то произойдет полное удаление всех ионов из воды.
Аниониты получают конденсацией анилина с альдегидом. Ионообменные смолы выпускаются и используются преимущественно в виде зерен различной формы размером частиц от 0,02 до 2 мм.
Реакции ионного обмена протекают в эквивалентных количествах и обратимы, что позволяет проводить регенерацию ионитов
Важной характеристикой ионитов является обменная емкость. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полной обменной емкостью называют количество ионов (мг-экв), поглощенное 1 м3 ионита до полного его насыщения. Статическая обменная емкость – это обменная емкость при равновесии в данных условиях. На практике очищаемая вода проходит через слой ионита с определенной скоростью. В данном случае определяют динамическую обменную емкость, которая характеризуется количеством ионов (мг-экв), поглощенное 1 м3 катионита или анионита до проскока ионов через ионит с водой при пропускании воды через ионит с определенной скоростью.
При достижении заданного предела обменной емкости ионита проводят его восстановление, т. е. регенерацию. Регенерация – это ионный обмен, проводимый в обратном порядке. Регенерацию Na-катионитов осуществляют слабым раствором поваренной соли (NaCl), а Н–катионитов – введением 1÷1,5 % раствора минеральной кислоты (HCl, Н2SO4). Регенерацию ОН-анионитов проводят обычно 4% раствором щелочи (КОН, NаОН).
Умягчение воды
Умягчением воды называется процесс, приводящий к понижению ее жесткости (удалению ионов кальция и магния).
Соли жесткости образуют накипь – плотный осадок солей жесткости, который обладает малой теплопроводностью. Это приводит к увеличению расхода топлива, к местным перегревам, вплоть до взрыва котлов. В трубопроводах образование накипи увеличивает гидравлическое сопротивление току воды.
Методы умягчения воды можно условно разделить на три группы: физические, химические и физико-химические.
К физическим методам относятся термический метод и магнитная обработка воды.
Термический метод заключается в кипячении воды. При этом происходит превращение гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты по реакциям:
Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + CO2 + H2O
2Mg(HCO3)2 = MgCO3 . Mg(OH)2↓ + 3CO2 + H2O
Кипячением частично устраняется сульфатная жесткость, так как растворимость сульфата кальция падает с увеличением температуры. Недостатком метода кипячения является большие затраты энергии при нагревании воды.
Магнитная обработка воды служит для предотвращения образования накипи. Сущность метода заключается в следующем. Воду пропускают через мощное магнитное поле перпендикулярно магнитным силовым линиям. Вода поcле такой обработки содержит соли жесткости, которые осаждаются в теплообменной аппаратуре не в виде накипи, а в виде шлама (рыхлого осадка), который легко удаляется из аппарата вместе с водой.
В основе химического (реагентного) метода умягчения воды лежит обработка ее веществами, которые связывают находящиеся в воде ионы кальция и магния в практически нерастворимые соединения.
Наиболее дешевым методом реагентного умягчения воды является известкование (обработка гашеной известью). Этот метод целесообразно использовать для умягчения воды, имеющей высокую карбонатную (временную) жесткость. Добавленная к воде гашеная известь вступает в реакцию с гидрокарбонатами кальция и магния:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + 2H2O,
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2H2O.
Для удаление солей некарбонатной (постоянной) жесткости в воду добавляют кальцинированную соду (содовый метод).
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4,
MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4.
Однако, карбонат магния частично растворим в воде, что снижает эффективность содового метода.
Наибольший эффект достигается при совместном использовании извести и соды (известково-содовый метод). При этом удается одновременно понизить карбонатную и некарбонатную жесткость воды. Для осуществления процесса используются аппараты различных типов, в которых осуществляется одновременное дозирование реагентов с последующим отделением осадка.
Полностью удалить жесткость известково-содовым методом не удается из-за некоторой растворимости солей выпадающих в осадок. Поэтому этот метод применяется для относительно неглубокого умягчения воды (до 1,8 мг-экв/л).
Наиболее полное умягчение воды происходит в случае применения тринатрийфосфата Na3PO4.12H2O, который устраняет общую жесткость воды (фосфатный метод умягчения). В результате применения реактива ионы кальция и магния переходят в почти нерастворимые фосфаты:
3Ca2+ + 2PO43- = Ca3(PO4)2 ↓,
3Mg2+ + 2PO43- = Mg3(PO4)2 ↓.
Такой способ позволяет снизить жесткость воды до 0,04 мг-экв/л. Так как тринатрийфосфат дорог, его применение ограничено и он используется только после известково-содового умягчения воды.
Все химические методы умягчения воды можно интенсифицировать посредством перемешивания реагентов с водой, увеличением температуры и взятием избытка реагента.
К физико-химическим методам умягчения воды относится метод ионного обмена.
В настоящее время для умягчения воды применяются методы Na-катионирования, Н-катионирования и Nа,Н-катионирования.
В первом случае протекают обменные реакции следующего типа:
2Na[Kат] + Ca(HCO3)2 ⇄ Ca[Kат]2 + 2NaHCO3 ( pH › 7 )
2Na[Kат] + CaSO4 ⇄ Ca[Kат]2 + 2NaSO4
В случае Н-катионирования протекают следующие реакции:
2Н[Kат] + Ca(HCO3)2 ⇄ Ca[Kат]2 + 2CO2 + 2 Н2О 2Н[Kат] + CaSO4 ⇄ Ca[Kат]2 + 2Н2SO4 ( pH‹ 7 )
В случае Nа,Н-катионирования смешением воды после двух вышеописанных ступеней можно получить умягченную воду с необходимым рН. На практике нашло применение параллельное, последовательное и совместное использование Nа,Н-катионирования.
В качестве примера приведем схему проведения процесса по параллельному варианту
3
2
1
7
5
6
4
Рис. 4. Схема параллельного Na,Н-катионирования:
1 – исходная вода;
2 – анализ на содержание солей жесткости;
3 – натриевый катионит;
4 – водородный катионит;
5 – смешение и нейтрализация фильтратов;
6 – анализ умягченной воды;
7 – вода к потребителю.