Умягчение воды методом натрий-катионирования

Технология умягчения воды на основе ионного обмена, а именно, на основе Натрий-катионирования основывается на химических реакциях обмена ионами – т.е. одни ионы (в нашем случае – ионы, формирующие жесткость воды – Кальций, Магний) извлекаются из воды, а взамен их в воду «добавляются» ионы замещения. В случае с использованием Na-катионирования такими «замещающими» ионами становятся ионы Натрия, не вызывающие эффекта «накипеобразования».

В виде набора химических реакций этот процесс можно выразить следующим образом:

(R в контексте рассматриваемых химических реакций представляет собой комплекс катионита, упрощенно называемый анионитной частью катионита) можно представить в виде следующих уравнений:

- 2NaR+ Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3– где гидрокарбонат кальция в процессе обмена преобразуется в гидрокарбонат Натрия с фиксацией ионов кальция в матрице ионообменного материала;

- 2NaR+ Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3 – где гидрокарбонат магния в процессе обмена преобразуется в гидрокарбонат Натрия с фиксацией ионов магния в матрице ионообменного материала;

- 2NaR+ CaCl2 ↔ CaR2 + 2NaCl– где аналогичным образом происходит замещение хлорида кальция на хлорид натрия;

- 2NaR+ MgSO4 ↔ MgR2 + Na2SO4– где сульфат магния преобразуется в сульфат натрия;

- 2NaR + CaSiO3 ↔ CaR2 + Na2SiO3– где силикат кальция преобразуется в силикат натрия.

Уравнения обменных реакций с солями MgCl2, CaSO4 и MgSiO3 аналогичны приведенным уравнениям. Ионы, которые участвуют в реакциях обмена: Na + , с одной стороны, и Ca 2+ ; Mg 2+ , с другой стороны, называются противоионами.

Реакции ионного обмена обратимы.

Это один из важнейших принципов, на которых строится работа фильтров – умягчителей, в которых используется ионообменный материал. Суть обратимости процесса лежит во многократной возможности протекания реакций замещения.

По мере пропускания воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных в матрице катионита, возрастает, то есть емкость катионита «истощается». Поэтому при возрастании в воде концентрации ионов натрия по сравнению с остающимся количеством ионов кальция и магния, процесс поглощения ионов Ca 2+ и Mg 2+ из воды замедляется, и равновесие реакций начинает сдвигаться в левую сторону. Это может привести к «проскоку» «сырой», не умягченной воды в фильтрат.

Чтобы этого избежать, следует провести регенерацию ионообменной смолы – пропустить через слой катионита реагент, который восстановит обменную емкость катионита – раствор хлорида натрия. На практике, раствор хлорида натрия, представляет собой насыщенный раствор пищевой (поваренной) или технической очищенной соли, с плотностью раствора, примерно равной 1,13.

Выбор хлорида натрия в качестве реагента для регенерации катионита процесса Na-катионирования не был случайным. Прежде всего, он привлекает своей доступностью и относительной дешевизной. Кроме того, основные продукты регенерации катионита (соединения, возникающие в процессе пропускания насыщенного раствора хлорида натрия через ионообменный материал) – это соли CaCl2, MgCl2, которые являются веществами, хорошо растворимыми в воде. Это их выгодно отличает, например, от СаСО3 (если бы регенерация проводилась карбонатом натрия (Na2CO3)) или CaSO4 (если бы регенерация проводилась сульфатом натрия (Na2SO4)).

Процесс регенерации катионита может быть представлен следующим образом:

- CaR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Ca 2+ - происходит процесс обратного замещения накопленных ионов кальция ионами натрия;

- MgR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Mg 2+ - аналогичный процесс замещения, происходящий с ионами магния.

Таким образом, технология ионного обмена для умягчения воды представляет собой двунаправленный процесс, где сначала осуществляется замещение ионов кальция и магния, содержащихся в сырой (исходной) воде на ионы натрия, содержащиеся в матрице катионита. Далее, во время регенерации, осуществляется обратный процесс замещения -«перезарядка катионита», а продукты регенерации в виде соединений хлоридов кальция и магния – вымываются вместе с регенерирующим раствором в дренаж. После регенерации фильтры-умягчители полностью восстанавливают свои свойства.

Учитывая эффективность и технологичность используемых НПП «Национальный центр водных технологий» ионообменных материалов, срок их службы составляет, в среднем, от 4 до 7 лет, после чего необходимо осуществить замену катионита.

Факторы, влияющие на эффективность работы технологии.

При построении систем умягчения воды важно понимать, что на эффективность работы таких систем оказывают влияние несколько факторов, таких как:

- общая минерализация воды;

- водородный показатель воды (рН);

- общие органолептические характеристики воды, такие как цветность и мутность;

- наличие в воде соединений железа и органики.

Влияние общей минерализации на эффективность работы системы умягчения.

При построении комплексов умягчения воды важно учитывая общую минерализацию исходной воды, а также ее общий ионный состав.

При увеличении минерализации обрабатываемой воды (а увеличение идет, в основном, за счет увеличения содержания в воде натрия), получение глубокоумягченной воды традиционным Na-катионированием (в том числе даже двухступенчатым) становится все более проблематичным.

При проведении процессов умягчения и регенерации следует учитывать действие так называемых противоионов. Противоион – это тот ион, который вытесняется из ионита, то есть в умягчаемой воде ион Na + , а в регенерационном растворе - ионы Са 2+ , Mg 2+

Проблема эффективности протекающих ионообменных процессов вызвана тем, что с ростом концентраций натрия в исходной воде и фильтрате, вступает в силу Закон действующих масс – повышение концентрации в воде иона, содержащегося в катионите (продукта реакции), согласно этому закону, тормозит реакции умягчения воды или регенерации катионита.

Следовательно, чем выше минерализация исходной воды, которая, чаще всего, сопровождается увеличением концентрации ионов натрия, тем больше концентрация ионов натрия в умягченной воде (за счет переноса ионов натрия с матрицы катионита в фильтрат после закрепления на матрице ионита ионов кальция и магния) и, следовательно, выше противоионный эффект, что приводит к увеличению остаточной жесткости фильтрата.

Концентрация противоиона определяется не только начальным содержанием иона натрия в исходной воде, но и тем количеством натрия, которое будет вытеснено из катионита в процессе обмена на ионы жесткости – кальция и магния. Следствием этого становится проскок ионов кальция и магния в фильтрат, что ведет к недостаточной эффективности работы фильтров-умягчителей.

Таблица 1.Ориентировочные значения жесткости воды после натрий-катионирования в зависимости от минерализации исходной воды, при условии, что минерализация формируется за счет роста содержания ионов натрия.