Умягчение воды

Умягчение воды путем катионирования – является одним из методов умягчения (обессоливания) воды.

Катионирование представляет собой процесс обмена катионов между веществами (электролитами), растворенными в воде, и твердым нерастворимым веществом, погруженным в эту воду и называется катионитом.

В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), находящихся в объеме катионита, различают два вида катионирования: Н-катионирование и Na-катионирование.

Умягчение воды натрий-катионированием

Натрий-катионитовый метод – данный метод применяют для умягчения воды (с содержанием взвеси должно быть не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град). Жесткость воды в таком методе снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05... 0,1, а при двухступенчатом — до Ф,01 мг-экв/л. Процесс Na-катионирования описывается по следующим формулам:

где [K] — это нерастворимая матрица полимера.

Как только происходит истощения рабочей обменной емкости катионита он начинает терять способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах включает в себя следующие последовательные этапы:

• фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10... 25 м/ч);
• взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3 ... 4 л/(с*м2);
• спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора;
• регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 3... 5 м/ч);
• отмывки катионита неумягченной водой (скорость фильтрования 8 ... 10 м/ч).

На регенерацию как правило затрачивают около 2 ч, из них на взрыхление — 10... 15, на фильтрование регенерирующего раствора — 25 ... 40, на отмывку — 30 ... 60 мин.

Выбор метода катионирования зависит от требований, которые предъявляются к умягченной воде, свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Наиболее простой является схема одноступенчатой Na-катионитовой установки (схема -1). Вода, пройдя Na-кэтионитовые фильтры, отводится в сборный бак, откуда насосом подается потребителю. При работе по этой схеме отсутствуют вода и растворы с кислой реакцией, отпадает необходимость в применении кислотостойкой арматуры труб и защитных покрытий фильтров.

Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него со скоростью 3... 4 м/ч хлористого натрия концентрацией 5... 8%. При жесткости умягченной воды до 0,2 мг-экв/л принимают концентрацию соли 5%, при жесткости менее 0,05 мг-экв/л предусматривают ступенчатую регенерацию:

сначала 5%-ным раствором NaCl в количестве 1,2 м3 раствора на 1 м3 катионита, затем остальным количеством соли в виде 8%-ного раствора.

Процесс регенерации описывается следующей реакцией:

Поваренную соль применяют для регенерации из-за ее доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаС12 и MgCl2, легко удаляемые с регенерационным раствором и отмывочной водой.

Расход соли р на одну регенерацию Na-катионитового фильтра первой ступени находят из выражения

где а — площадь фильтра, м2; hK — высота слоя катионита в фильтре, м; epNa — рабочая обменная емкость катионита при Na-катионировании; а — удельный расход соли на 1 г-экв рабочей обменной емкости катионита (для фильтров I ступени в двухступенчатой схеме 120... 150, а в одноступенчатой а=150... 200 г/г-экв, удельный расход соли на фильтрах II ступени 300 ...400 г/г-экв).

При фильтровании раствора поваренной соли сверху вниз при регенерации полный обмен ионов натрия на содержащиеся в катионите Са2+ и Mg2+ происходит в верхних слоях ионообменника, при этом в фильтре возрастает концентрация вытесненных из катионита Са2+ и Mg2+ и снижается концентрация ионов натрия. Возрастание концентрации противоионов (в рассматриваемом случае Ca(II) и Mg(II) в регенерационном растворе подавляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена. Образующийся при этом противоионный эффект

тормозит регенерацию, в результате чего по мере продвижения регенерационного раствора в нижние слои катионита их регенерация происходит не полно, и некоторое количество катионов Ca(II) и Mg(II) остаются невытесненными из нижних слоев катионита. Устранение этого недостатка возможно пропуском через катионит свежих порций раствора реагента. Однако, это увеличивает удельный расход поваренной соли и повышает стоимость обработки воды. На практике ограничиваются однократным пропуском соли при жесткости умягченной воды до 0,20 мг-экв/л или двукратным — при жесткости ниже 0,05 мг-экв/л. По аналогии, при фильтровании умягчаемой воды сверху вниз также возникает противоионный эффект, снижающий глубину умягчения воды, при этом противоионами являются катионы натрия. Этот недостаток устраняется путем подачи регенерационного раствора и умягчаемой воды в разных направлениях, последняя, фильтруясь снизу вверх при выходе из фильтра, соприкасается с наиболее полно отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Такой метод умягчения воды называется методом противоточного катионирования. При этом значительно снижается расход реагентов на регенерацию катионита без уменьшения глубины умягчения.

Ниже показан фильтр противоточного катионирования.

Схема одноступенчатого Na-катионирования имеет недостатки, лимитирующие ее применение: невозможность глубокого умягчения воды (до 0,01 ... 0,02 мг-экв/л); высокий удельный расход соли на регенерацию; неполное использование емкости поглощения катионита.

Более глубокого умягчения воды, экономии соли и увеличения фильтроцикла достигают двухступенчатым Nа-катионированием (рис. 20.14). В этом случае в фильтрах 1 ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,1 ...0,20 мг-экв/л при обычной скорости фильтрования 15 ... 25 м/ч. Затем умягченная вода передается на натрий-катионитовые фильтры II ступени, где жесткость предварительно умягченной.

воды снижается до 0,02... 0,01 мг-экв/л. Так как количество солей жесткости, поступающих на фильтры II ступени незначительно, скорость фильтрования принимают до 40 м/ч, а высоту слоя катионита 1,5 м. Фильтры II ступени создают своего рода барьер, препятствующий проскоку удаляемых катионов при случайных отклонениях в работе фильтров первой ступени. Поэтому натрий-катионитовые фильтры второй ступени называют барьерными.

Схема 2. Противоточный катионитовый фильтр, где:
1,2 — ввод исходной и отвод умягченной воды;
3, 10 — подача регенерационного раствора и сброс отмывочной воды;
4 — воздушник; 5 — люк; 6 — реагентораспределитель;
7, 9 — дренажная и распределительная колпачковая система;
8 — слой катионита

При их наличии упрощается эксплуатация установки, поскольку катионитовые фильтры первой ступени отключаются на регенерацию не по проскоку катионов солей жесткости, требующему тщательного контроля жесткости фильтрата, а по количеству воды, прошедшей через них. Некоторое повышение количества солей жесткости после фильтров первой ступени неопасно, так как они будут задержаны барьерными фильтрами. Емкость поглощения на фильтрах и сроки их полезной работы при двухступенчатом катионировании увеличиваются. Так как фильтры второй

ступени несут небольшую нагрузку по умягчению воды, продолжительность межрегенерационной их работы достигает 200 ч.

Схема-3. Схема двухступенчатого натрий-катионитового умугчения воды, где
1,9— подача исходной и отвод умягченной воды; 2, 6 — натрий-катионитовые фильтры I и II ступени; 3, 5 — баки с раствором соли для регенерации фильтров I и II ступени; 4 — бак с водой для взрыхления загрузки фильтров; 7 — резервуар умягченной воды; 8 — насос

Катионит после регенерации фильтров первой ступени отмывают неумягченной водой до тех пор, пока содержание хлоридов в фильтрате не станет примерно равным содержанию их в отмывочной воде. Половину отмывочной воды направляют в водостоки, а вторую половину в баки для использования при взрыхлении катионита или для приготовления регенерационного раствора. Удельный расход воды на отмывку принимают равным 4... 5 м3/м3 катионита. Катионит в фильтрах второй ступени отмывают фильтратом первой ступени. Удельный расход соли принимают 300 ... 400 г/г-экв задержанных катионов жесткости.

Вода на взрыхляющую промывку должна подаваться насосами из бака, объем которого выбирается в зависимости от диаметра и числа фильтров, подлежащих одновременной промывке; кроме того, этот объем должен обеспечивать одну дополнительную промывку сверх расчетной. Насос, подающий воду в промывочный бак, должен обеспечивать его наполнение за время, меньшее, чем интервалы между промывками фильтров.

Допускается взрыхляющая промывка из трубопровода осветленной воды, если расход на взрыхление не превышает 50% общего расхода фильтрата. Промывка может осуществляться из бака осветленной воды, емкость которого должна предусматривать расход воды на промывку и дополнительную промывку сверх расчетного их числа. Скорости в трубопроводах, подающих и отводящих промывную воду, принимаются равными 1,5—2 м/с. Должны быть исключены возможность подсоса воздуха промывочным трубопроводом, а также подпор воды в отводящих трубопроводах.

1. Число регенераций каждого натрий — катионитного фильтра первой ступени в сутки принимается от одного до трех.
2. При производительности установки менее 20 м3/ч целесообразно при проектировании рассмотреть вариант промывки и регенерации только в дневную смену.

Объем катионита, м3, в фильтрах первой ступени

где Q — расход умягченной воды, м3/ч; Жи — общая жесткость исходной воды, г-экв/м3; epNa — рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, г-экв/м3; п— 1 ...3 — число регенераций каждого фильтра в сутки.

Рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании

где αэNа — коэффициент эффективности регенерации (зависит от удельного расхода соли на регенерацию); βNa — коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по катионам Са(П) и Mg(II) вследствие частичного задержания катионов Na+; Еп — полная обменная емкость катионита, определяемая по паспортным данным; qy=4 ... 6 — удельный расход воды на отмывку катионита, м3/м3 (табл. 20.4).

Площадь катионитовых фильтров первой ступени

где hK — 2 ... 3 — высота слоя катионита в фильтре, м.

Скорость фильтрования воды на катионитовых фильтрах первой ступени принимают в зависимости от жесткости исходной воды.

Общая жесткость воды, мг-экв/л . . . . до 5 5... 10 10...15

Скорость фильтрования, м/ч 25 15 10

Допускается кратковременное увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч по сравнению с указанными выше значениями при выключении фильтров на регенерацию или ремонт.

Количество катионитовых фильтров первой ступени принимают: рабочих — не менее 2, резервных — 1.