Умягчение воды. Сущность процесса. Основные методы

Умягчение – процесс снижения жесткости, обусловленной наличием солей кальция и магния. Метод снижения жесткости воды выбирают исходя из требований к качеству умягчаемой воды(глубины умягчения) и технико-экономических обоснований. В практике водоподготовки получили распространение следующие методы умягчения воды:

1. Термический. Сущность: вода нагревается до 100 и более градусов, при этом снижается растворимость газов и из воды удаляется СО₂, это нарушает углекислотное равновесие, что приводит к распаду гидрокарбонат иона. Ca(HCO₃)₂→СаСО₃↓+СО₂↑+Н₂О Образуется нерастворимое соединение СаСО3, после удаления которого вода становится мягкой, снижается карбонатная жесткость. При 120 градусах снижается растворимость СаSO₄, он тоже выпадает в осадок и частично можно снизить некарбонатную жесткость. В технике этот метод целесообразно использовать в том случае, когда в дальнейшем эту воду используют горячей или нагревают до более высоких температур. В быту традиционный способ – кипячение.

2. Катионитный. Основан на способности ионообменных материалов (катионитов) обменивать присутствующие в воде катионы кальция и магния на обменные катионы натрия или водорода (не придающие воде св-ва жесткости), которыми предварительно заряжается катионит. Обмен ионов натрия – Na – катионирование, ионов водорода – H – катионирования. Это самый распространенный метод умягчения воды, основанный на ионном обмене. Позволяет получить глубоко умягченную воду с Ж до 0,01 мгэкв/л и Щ до 0,35 мгэкв/л. Обычно все кательные комплектуют катионитовыми установками. Существуют природные (чаще искусственные) материалы, имеющие в составе обменные катионы (материалы-катиониты). Катиониты загружают в фильтры (чаще напорные) и при пропуске воды ч/з катионит происходит обмен активного иона, находящегося в катионите на находящиеся в воде ионы кальция и магния. В результате фильтрат освобождается от ионов кальция и магния и вода становится мягкой. Все катиониты обладают определенной обменной способностью по исчерпанию которой требуется восстановление, т.е. регенерация катионита. Если катионит регенерируют раствором NaCl, то в катионите появляется обменный катион Na⁺, если регенерируют серной кислотой, то появляется H⁺. Сами процессы Na-катионирование и Н-катионирование. Ионообменные процессы осуществляемые на катионитах основаны на типовых реакциях катионного обмена и м.б. представлены следующими схематическими реакциями: пропуск умягчаемой воды ч/з Na-катионит:

[K] – матрица катионита, сложный органический радикал катионита, практически не растворимый в воде и играющий роль неподвижного аниона.

3. Реагентные(химические). Когда ионы кальция и магния связываются химическими веществами в малорастворимые и легкоудаляемые соединения (карбонат кальция и гидроксид магния). Часто этот метод умягчения называют методом осаждения. В зависимости от применяемого реагента:

а. Известковый

б. Содовый

в. Едконатриевый

г. Фосфатный способ умягчения воды.

4. Комбинированные методы. Термохимический и реагенто-катионитовый. Термохимический – реагентное умягчение осуществляют с использованием извести и соды или реже едкого натра и соды при температуре воды более 100 градусов(до 165градусов). Термохимический метод применяют в основном при подготовке воды для питания котлов, только в этом случае утилизируется почти все тепло, затраченное на подогрев воды.

Na-катионирование: щелочность при натрий-катионировании не меняется, Na-катионирование применяют если необходимо умягчение воды, и не требуется снизить щелочность. Солесодержание фильтрата несколько возрастает в результате замещения в растворе одного иона Ca на два иона натрия (с большей атомной массой), концентрация гидрокарбонат ионов не изменяется.

Процесс водород – катионирования:

Так как появляется углекислый газ, его надо удалять, и для этого в схему включают дегазатор. При Н-катионировании из воды удаляются не тока карбонат ионы (НСО3^-), но и все остальные катионы.

Обменная способность катионита – его основная технологическая характеристика, под обменной способностью принимают количество катионов, выраженных в гэкв/м3 за один цикл фильтрования одним метром кубическим катионита в набухшем рабочем состоянии. Т.к. катионит – сухой зернистый материал и работает в воде, набухает в воде и его объем изменяется. Большое влияние на обменную способность катионита оказывает природа поглощаемых катионов. Любой катион может поглощаться катионитом полностью, однако величина рабочей емкости поглощения при этом будет зависеть от того какой именно катион поглощается. Интенсивность поглощения подчиняется определенной закономерности:

Каждый последующий катион поглощается катионитом более интенсивно, чем предыдущий. В качестве катионитов в настоящее время применяют тока искусственно получаемые материалы. Например, сульфоуголь – полифункциональный катионит, получающийся сульфированием природных каменных углей, по внешнему виду – это черный зернистый материал, состоящий из гранул, размером 0,25-1,2мм. Обменная способность сульфоугля – 200-500 мгэкв/л, сульфоуголь применяют для Na и Н – катионирования, благодаря доступности и дешевизне сульфоуголь получил широкое распространение в теплоэнергетике для водоподготовки. Также в настоящее время широко применяют синтетические ионообменные смолы – иониты, представляющие собой высокомолекулярные соединения, которые состоят из молекул-гигантов с огромной молекулярной массой. Ионит – твердое почти не растворимое в воде вещество, механически прочное и химически устойчивое. Из синтетических катионитов наибольшее распространение получили: КБ-4-П-2; КУ-1Г; КУ-2-8; они обладают в несколько раз большей обменной способностью, чем сульфоуголь, например, обменная способность КУ-2-8 при Na-катионировании составляет 800-900 мгэкв/л. В зарубежной практике используют группу «амберлайты», их обменная способность 2000-3000 мгэкв/л. Чем больше обменная способность катионита, тем меньше объем фильтра.