Катиониты подразделяются следующим образом

 

 

В технологии водообработки наибольшее распространение нашли катиониты органические искусственного происхождения.

В общем случае ионообменные смолы и, в частности, катиониты искусственного происхождения, состоят из двух основных частей:

· углеводородной основы молекулы или её ещё называют матрицей смолы и обозначают – R

· и в состав (R) матрицы входят так называемые активные группы, имеющие в своём составе ион, который обменивается на Na, Ca, Mg и т.д. и фиксированный (-) или (+) заряд.

Обменивающимся ионом в активной группе наиболее часто бывает ион водорода, а также ион натрия.

В качестве активных групп в ионообменных смолах служат:

- SO₃H (Na) – сульфогруппа

- PO₃H – фосфорная группа

- COOH – карбоксильная группа

- NH₃ OH – ЧАО

- ОН – фенольные группировки

Катиониты сокращенно обозначают R-H или R-Na.

Физические свойства катионитов зависят от:

1. фракционного состава

2. механической прочности зёрен

3. насыпной массы

4. набухаемости

 

Фракционный состав, в свою очередь, характеризует эксплутационные свойства кат-в. Он, как мы знаем по аналогии с песком, определяется ситовым анализом.

При этом учитывается:

1.  d_ср

2.  К_н

3.  Кол-во пылевидных частиц, непригодных к использованию.

 

Следует иметь ввиду, что мелкозернистый кат-т имеет несколько большую обменную ёмкость, чем крупнозернистый.

Однако, с уменьшением d_ср увеличивается гидравлическое сопротивление и расход эл. энергии на фильтрование.

В связи с этим рекомендуются оптимальные размеры зёрен кат-та:

 

0,3 – 1,5 мм и К_н = 2

 

Очень важное значение для устранения износа катионитов в процессе эксплуатации имеют механическая прочность, термическая и химическая стойкость.

В связи с этим правильный выбор марки катионита имеет очень важное значение, т.к. в противном случае, т.е. при неправильном выборе смолы, может произойти измельчение катионита при фильтровании и, в особенности при взрыхлении.

Кроме того, высокая температура обрабатываемой воды, а также повышенное значение кислотности или щёлочности, может привести к тому, что катиониты перейдут в состояние коллоидного раствора, т.е они необратимо потеряют свою обменную способность.

Для случая 2): Вода сначала проходит через 2-2, где происходит сорбция анионов SO₄^2-, Cl^-, HCO₃^-, замещая их на ОН^-. В 2-2 сорбируются из щелочной среды Са²⁺, Mg²⁺,Na⁺.  И затем вода выходит обессоленной.

При обращённом процессе рабочая ёмкость поглощения катионита (2-2) существенно возрастает, т.к. на катионитовый фильтр поступают основания, а противодействующие процессу ионы обмена Н⁺- ионы не образуются. Благодаря этому Уменьшается проскок Na⁺ ионов в фильтрат.

Трудности при осуществлении обращённого процесса связаны с образованием осадков СаСО₃ и Mg(OH)₂ в ан-вом фильтре.

Работу и схему фильтра со смешанной катионитово-анионитовой загрузкой разберём несколько позже.

 

А теперь рассмотрим схему трёхступенчатой ионитовой установки для полного обессоливания воды.

Рис.1. 3-х ступенчатая ионитовая установка.

1-Н-катионит I ступени; 2-анионит слабоосновной I ступени; 3-Н-катионит II ступени; 4-удалитель углекислоты; 5-вентилятор; 6-бак для воды; 7-насос; 8-анионит сильноосновной II ступени в ОН^- форме для удаления Н₂SiO₃; 9-Н-катионит III ступени; 10-анионит III ступени.

 

Фильтр 8 предназначен для удаления из частично обессоленной воды растворённой кремниевой кислоты:

 

[Aн]OH + H₂SiO₃ → [Aн]HsiO₃ + H₂O

 

 

Сильноосновной анионит 8 II-ступени регенерируют раствором NaOH:сначала 2-3%-м, а затем 0,2-0,3%-м р-ром.

Регенерационный раствор после 8 кроме NaOH может содержать силикат или карбонат натрия (Na₂SiO₃, Na₂CO₃).

Этот раствор используется для регенерации анионитового фильтра I ступени 2. Причём силикатные ионы не поглощаются слабоосновным анионитом.

Н-катионитовый фильтр III ступени 9 служит для удаления из воды небольших количеств Na, который может попасть в воду при недостаточно полной отмывке сильноосновного анионита.

Н-катионитовый фильтр III ступени 9 помимо снижения остаточного солесодержания обессоленной воды, позволяет уменьшить расход обессоленной воды на отмывку анионитового фильтра II ступени 8.

Ан-й фильтр III ступени 10 служит для удаления из воды продуктов растворения и разрушения катионитов предыдущих ступеней.

Данные фильтры служат для повышения степени использования анионитов II ступени 8, которые в данном случае можно выключать на регенерацию не по началу проскока в фильтрат кремневой кислоты, а позднее, после достижения её к-ции 0,1-0,2 мг/л.

Причём регенерацию анионитовых фильтров III ступени производят раствором аммиака (2-4%-м).

Т.к. при регенерации их NaOH и при плохой отмывке после регенерации существует опасность попадания Na⁺ в обессоленную воду (в первый после регенерации период работы фильтров).

Схема позволяет снизить общее солесодержание воды со 100-500 до 0,05-0,1 мг/л.

Вместо 2-х фильтров данной схемы (Н и ОН-ф-в) III ступени установки для полного обессоливания воды может быть применён фильтр со смешанной катионитовой и анионитовой загрузкой, что позволят ещё более углубить очистку воды от растворённых солей.

Кратко остановимся на работе и конструкции фильтра со смешанной загрузкой.

 

Итак, схема фильтра со смешанной катионитово-анионитовой загрузкой.

 

1- корпус фильтра;

2- распределительная система р-ра щёлочи;

3- трубопровод обессоливаемой (исходной) воды;

4- распределительная система р-ра кислоты;

5- распределительная система сжатого воздуха;

6- дренажная система;

7- вантуз.

При наладке фильтра в него сначала загружают слой катионита «предварительно замоченного в растворе соли».

Толщину слоя катионита принимают такой, чтобы распределительная система регенерационного раствора кислоты (4) была покрыта тонким слоем катионита, причём зёрна катионита должны иметь несколько большие размеры, чем зёрна анионита, для удобства их разделения при регенерации. Поверх катионита загружают слой анионита. В качестве загрузки обычно принимают: Сильноосновной анионит АВ-17 и сульфокислотный катионит КУ-2

 

Эксплуатацию фильтра со смешанной загрузкой проводят следующим образом:

Перед пуском фильтр регенерируют. Для этого сначала через верхнюю распределительную систему (2) подают раствор NaOH в количестве:

70-90 г/г-экв рабочей обменной ёмкости анионита этот раствор проходит через слой анионита и затем через слой катионита и сбрасывается в бак для регенерации фильтров I ступени.

Сразу после этого производят отмывку анионита частично обессоленной водой с подачей её сверху вниз через оба ионитовых слоя.

После отмывки водой через распределительную систему, расположенную над слоем катионита начинают подачу раствора H₂SO₄ (3%) или HCl (5% р-ра) в количестве 200-250 г H₂SO₄ на 1 г-экв рабочей обменной ёмкости катионита.

После пропуска всего раствора кислоты начинают отмывку фильтра до исчезновения р-и на сульфат ионов в промывной воде.

Затем катионит и анионит перемешивают в фильтре с помощью сжатого воздуха.

Количество катионита и анионита берут в стеохиметричемском соотношении (т.е.- суммарная ёмкость поглощения катионитом катионитов, выраженная в г-экв, должна равняться суммарной ёмкости поглощения анионитом анионов).

Т.к. ионный обмен на катионите и анионите протекает с большой скоростью то смешанный слой зёрен катионита и анионита представляет собой совокупность большого числа последовательно действующих пор ионита, благодаря чему обеспечивается глубокое обессоливание фильтруемой через смешанный слой воды при сохранении нейтрального значения рН.

При толщине слоя ионитов 2-2,5 м скорость фильтрования может достигать 30-50 м/ч.

Разделение катионита и анионита для регенерации достигается взрыхлением всего слоя ионита с интенсивностью 6-8 л/м²∙с и медленным выключением подаваемой воды для взрыхления с тем, чтобы вначале осели более тяжёлые и крупные зёрна катионита, а затем более лёгкие зёрна анионита.

Правда, расходы реагентов на регенерацию фильтра со смешанной загрузкой больше на 50-60% расходов на регенерацию при раздельных катионитовых и анионитовых фильтрах.

 

Схемы параллельного Н-Na катионирования

 

Параллельное Н-Na катионирование применяют для воды, в которой преобладает карбонатная жёсткость. Как осуществляется:

часть воды пропускается через Н- катионитовый фильтр, а другая часть через Na-катионитовый фильтр.

При этом фильтрат после Н-катионирования содержит свободные кислоты в концентрации, равной содержанию в исх.воде солей сильных кислот.

Фильтрат после Na-катионирования содержит бикарбонат натрия, в концентрации, эквивалентной щёлочности исходной воды. СО₂ удаляется ↑.

После смещения фильтратов Н и Na катионитовых фильтров кислотность 1-го нейтрализуется щёлочностью второго.

В результате можно получить умягчённую воду с весьма малой жёсткостью и близкой к нулевой щёлочности.

Исходная вода 1 подаётся по трубам параллельно на Ф₁ и Ф₂ смешивая в определённой пропорции щелочной 2 и кислый 3 фильтраты можно получить практически полностью умягчённую воду и заданную щёлочность.

В дозаторе 4 вода продувается от низконапорного вентилятора 5, освобождается от углекислоты, стекает в бак 6 и центробежным насосом 7 подаётся потребителю.

Для регенерации истощённых Na-катионитовых фильтров в баке 8 приготовляется 6-10% р-р NaCl, подаваемый насосом 9 по трубе 10 в фильтр

Для регенерации истощённых Н-катионитовых фильтров в эжекторе 11 из концентрированной Н₂SO₄, подаваемой по трубе 12, приготавляется 1-1,5% - 5% регенерационный раствор серной кислоты.

Отмывочные воды и первый фильтрат сбрасывают по трубам 13.

Регенерационный р-р серной кислоты подаётся в фильтр по трубе 14

 

Следует отметить, что при регенерации Н-катионита возникают вторичные процессы взаимодействия между ионами Са²⁺, вытесненными из катионита и сульфатными анионами. В результате этих процессов в слое катионита может образовываться труднорастворимый осадок (СaSO₄) гипса, что приведёт к ухудшению эффекта регенерации.

Чтобы этого не произошло применяют прогрессивно-последовательную регенерацию катионита 1-1,5%-5% р-ра серной кислоты ПР гипса при таком методе не достигается.

 

 

Какие преимущества мы имеем при II ступенчатом Na -катионировании:

 

1. Упрощается эксплуатация в целом установки Na-катионирования, т.к. нет необходимости отключения на регенерацию.

Катионитовые фильтры I ступени отключаются на регенерацию не по проскоку Са²⁺ и Mg²⁺ (при этом очень тщательно необходимо контролировать жёсткость фильтрата), а по количеству воды, которая прошла через Na-катионитовые фильтры I ступени.

Естественно, что в таком случае может происходить некоторое повышение количества солей жёсткости после фильтров I ступени. Но это не является опасным т.к. эти соли будут полностью задержаны фильтрами II ступени, которые имеют небольшую нагрузку по солям. Поэтому фильтры II ступени называют ещё барьерными.

 

2. Увеличивается ёмкость поглощения ионов на фильтрах обеих ступеней.

 

3. Значительно возрастает межрегенерационный период фильтров II ступени примерно до 200 часов при высокой скорости фильтрования.

 

Схемы ионитового обессоливания воды.

 

Выбор схемы ионитового обессоливания воды зависит главным образом от

1. качества исходной воды

2. её солесодержания

3. необходимой глубины обессоливания

4. применяемых ионитов

 

Обычно рассматривают 3 основных схемы обессоливания воды:

а) обычную; б) обращённую; в) в фильтрах со смешанным слоем ионитов.

 

а) обычная схама

 

Для данной схемы необходимо отметить так называемый противоионный эффект. Он заключается в следующем:

 

В аппарате 1а появляется и постепенно увеличивается концентрация Н⁺ ионов; которая препятствует протеканию реакции ионного обмена согласно уравнению:

 

2[K]H + Ca^{2+ →}_← [K]₂Ca + 2H⁺  

 

и ион Н⁺(Na⁺) смещает реакцию в обратную сторону.

Такого явления нет при анионном обмене, т.к. выделяющиеся в воду ОН^- ионы сразу же связываются с Н⁺ ионами, образуя воду и это препятствует прохождению реакции ионного обмена в обратном направлении.

 

 

б) обращённая схема

 

 

в) в фильтре со смешанным слоем ионитов

 

.

 

Схема Na-катионирования

 

 

Одно-ступенчатая схема Na-катионирования является наиболее простой. При работе этой схемы отпадает необходимость в применении кислотостойкой арматуры, труб и защитных покрытий фильтров, т.к. отсутствует вода и р-ры с кислой реакцией среды.

 

Недостатки схемы I ступенчатого Na -катионирования

 

1. Невозможность глубокого умягчения воды (до 0,01- 0,02 мг-экв/л);

2. высокий удельный расход соли на регенерацию;

3. неполное использование ёмкости поглощения катионита;

 

Все эти недостатки лимитируют использование схемы I ступенчатого Na катионирования.

В связи с этим применяют 2-х ступенчатое Na-катионирование

т.е. вода при удалении солеё жёсткости подаётся на ионный обмен дважды, причём последовательно.

При этом после I ступени достигается:

 

С ^I _ост ~ 0,1-0,2 мг-экв/л

V _ф-я = 15-25 м/ч

 

После II ступени: жёсткость предварительно умягчённой воды снижается до:

 

С ^II _ост ~ 0,02-0,01 мг-экв/л

т.к. на фильтры II ступени поступает вода предварительно умягчённая, то:

 

V _ф-я = до 40 м/ч Н_сл. ~ 1,5 м

 

Т.о. достигается высокая степень умягчения.