Н–Na – катионирование в процессе умягчения воды

При Н – катионировании ионитовые фильтры загружаются катионитом уже не в Na+ - форме, а в Н+ - форме. Соответственно уравнения ионного обмена наиболее часто содержащихся в воде солей примут следующий вид:

Са(НСО3)2 + 2НR→ СаR2 + 2СО2 + 2Н2О

CaSO4 + 2НR→ СаR2 + Н2SO4

CaCl2 + 2НR→ СаR2 + 2НCl

Mg (HCO3)2 + 2НR→ MgR3 + 2СО2 + Н2О

MgSO4 + 2НR→ MgR2 + Н2SO4

MgCl2 + 2НR→ MgR2 + 2НCl,

NaНСО3 + НCl → NaR + СО2 + 2Н2О

NaSO4 + 2НR→ NаR + Н2SO4

NaCl + НR → NаR + НCl

В первой части приведенных уравнений видно, что не только катионы жесткости (Са+ и Mg2+), но и другие катионы (Na+) оказались поглощенными катионитом. Произошло полное превращение солей в кислоты. В присутствии сильных кислот (NaSO4 и НCl) бикарбонатные ионы не могут существовать: происходит их превращение в углекислый газ и воду, что приводит к полному уничтожению щелочности воды, но вода, содержащая кислоты, непригодна для использования. На практике процессом Н+ -катионирование пользуются в комбинированном процессе Н+-Na+ - катионирования, сущность которого заключается в следующем: часть потока воды обрабатывают по способу Н+-катионирования, а другую по способу Nа+-катионирования. При этом вода от первого процесса приобретает сильные кислоты, которые могут нейтрализовать излишнюю щелочность Na+ катионированной воды.

В процессе Н+-катионирования разрушаются бикарбонаты, выделяется углекислый газ (СО2), и воду необходимо декарбонизировать, т.е. удалить углекислоту в аппаратах с насадкой, называемых декарбонизаторами, путем продувания воды в противотоке воздухом.

Практически комбинированное умягчение проводят по одной из трех возможных к применению схем: параллельной, совместной и последовательной.

При параллельном умягчении вода делится на два потока, один из которых пропускается через Н+ - катионитовые фильтры, а второй – через Na+ - катионитовые фильтры. После этого оба потока объединяются; при этом, подкисленная вода Н+ - катионового фильтра нейтрализует щелочность Na+ - катионированного фильтра по схеме

НХ + NaНСО3→ NaХ + СО2 + Н2О

Вода проходит декарбонизатор, в котором отделяется и эвакуируется углекислый газ путем продувания воздухом. Применение декарбонизатора приводит к разрыву струи, а потому за декарбонизатором устанавливается насос, который прокачивает декарбонизированную и нейтрализованную воду через барьерный Na+ - катионитовый фильтр для улавливания проскока жесткости и для выравнивания колебаний величины рН смешанного потока очищаемой воды. В случае излишне пониженного рН воды происходит удержание на катионите Н+ ионов и обмен их на Na ионы, т.е. повышение рН. При повышенном рН, которое после Na+ - катионирования может быть только за счет NaOH, происходит переход в воду задержанных ранее катионитом Н+ ионов и задержка на ионите Na+ катионов, т.е. происходит ликвидация излишней щелочности.

Совместное Н+ - Na+ катионирование производят без деления воды на два потока; всю воду пропускают через один фильтр, который своеобразно регенерирован, а именно: сначала катионит обрабатывается кислотой, т.е. переводится в Н+ - форму, затем через фильтр пропускается раствор поваренной соли (NaCl) в количестве, недостаточном для перевода всего катионита в Na+ форму. Такое превращение получает лишь часть (верхний слой) загрузки. Тогда процессы, происходящие при параллельном умягчении после смешения двух потоков, завершаются в одном фильтре, как в данном случае. Однако по этому способу происходят колебания величины щелочности вследствие неравномерного (и не одинакового после каждой регенерации) распределения Na+ и Н+ - формы катионита по высоте загрузки.

В соответствии с требованиями необходимо поддерживать щелочность фильтрата на уровне 0,2 – 0,3 мг-экв/л в целях предупреждения коррозии. Средняя щелочность воды, получаемой (за цикл) по этому способу, несколько выше нормы, и находится на уровне ~ 1мг-экв/л. Для завершения умягчения воды, как и по предыдущему способу, вода пропускается через декарбонизатор и Na+ - катионитовый барьерный фильтр.

Последовательное умягчение с помощью Н+ - Na+ -катионирования осуществляется путем пропускания части воды через Н+ - катионитовый фильтр, затем Na+ - катионированную воду смешивают в смесителе с остальной частью воды, при этом, происходит нейтрализация приобретенной при Н+ катионировании кислотности за счет щелочности второй части воды. Как уже известно из предыдущего материала, в этих условиях из воды должен выделится углекислый газ (СО2) и, следовательно, для его отделения воду направляют в декарбонизатор, где воздухом производят отдувку углекислого газа. После этого осуществляется умягчение всей воды на Na+ -катионитовом фильтре, а затем ее пропускают через барьерный Na+ -катионитовый фильтр второй ступени.

Ренегерация Na+ - катионитовых фильтров

Регенерацию Na+ - катионитовых фильтров производят 6 – 8% водным раствором поваренной соли (NaCl). При этом, расход соли при умягчении вод с содержанием сухого остатка до 800 мг/л находится в пределах 2,6 -–3,5 г-экв/г-экв регенерируемой обменной емкости. При умягчении вод с содержанием сухого остатка выше 800 мг/л допускается увеличенный расзод соли на регенерацию от 4,0 – 4,5 г-экв/г-экв.

В целях уменьшения удельного расхода соли при регенерации иногда практикуют первую половину расходного колличества соли пропускать в виде 2 – 3%-го раствора, а вторую половину – в виде 6 – 7%-го раствора. Скорости регенерирующих растворов обычно выдерживают на уровне 7 – 10 м/ч. после регенерации обычно следует отмывка катионита от избытка солевого раствора, оставшегося после регенерации между зернами. Полноту отмывки контролируют по содержанию хлор-ионов в отмывочной воде.

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров (в системе Н+ - Na+ - катионирования) осуществляется 1,5 – 2% водным раствором серной кислоты (наиболее дешевая); более концентрированные растворы могут привести к загипсовыванию загрузки фильтров вследствие отложения кристаллов CaSО4. Удельный расход кислоты может составлять от 1,3 – 3,5 г-экв/г-экв. Скорость пропускания регенерирующего раствора рекомендуется выдерживать в пределах 8 – 10 м/ч. Благоприятной температурой регенерации следует считать 25 – 350С.

После того, как закончится пропускание раствора кислоты, следует начать отмывку катионита водой от избытка кислоты с той же скоростью пропускания отмывочной воды, это приводит к некоторому увеличению времени регенераации, на зато позволяет достичь снижения расхода отмывочной воды. Первые порции отмывочной воды, содержащие соли жесткости, можно спускать в нейтрализатор ии в канализацию (~ 10 мин), остальную воду полезно сбрасывать в бак в целях дальнешего использования для приготовления растворов кислоты в последующие регенерации.

Применение Н+ - катионирования требует сложной аппаратуры, выполненной в кислотостойком исполнении. Кроме того, возникает задача нейтрализации кислотных стоков от избытков кислоты при регенерации.

Влияние магнитного поля в отношении предотвращения накипеобразования следует рассматривать как фактор, влияющий на процесс кристаллизации накипеобразователей, точнее процесс образования затравочных кристаллов – центров кристаллизации. Именно такой же процесс происходит в котловой или сетевой воде, если выполняется обработка воды щелочными реагентами на фосфатной основе. Ускорение кинетики выделения газовых примесей из водного раствора под действием магнитной обработки, оказывает влияние на ход коррозионных процессов в теплообменных контурах. Таким образом, магнитная обработка воды исключает образование накипи и уменьшает коррозийную активность среды

При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение накипеобразователей происходит не на теплопередающей поверхности нагрева или охлаждения, а в объеме воды с образованием вместо твердой накипи тонкодисперсного шлама, легко удаляемого с поверхности теплообменников и трубопроводов. Вода в магнитных аппаратах должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью, которая составляет 1..3 м/с.

Экспериментально установлено, что при воздействии магнитного поля на нестабильную по карбонату кальция воду, содержащую ферромагнитные примеси, уменьшается уровень отложений на теплопередающих поверхностях.

Скоагулированные за счет процессов ориентации до размеров 0,01...0,04 мкм ферромагнитные коллоидные частицы намагничиваются и увеличиваются до размеров, позволяющих им становиться центрами кристаллизации. На этих центрах происходит кристаллизация из пересыщенных нестабильных растворов (рис. 1). При отсутствии пересыщения частицы ферромагнетиков, образованные при воздействии магнитного поля, недолговечны и распадаются через некоторое время по выходе из магнитного поля. Ферромагнитные оксиды железа обычно присутствуют в воде в концентрации 0,15...0,25 мг/л, что также достаточно для магнитной обработки.

Основными параметрами аппаратов водообработки магнитным полем служат: напряженность магнитного поля в рабочем зазоре аппарата, продолжительность пребывания воды в активной зоне магнитного поля, градиент напряженности; кратность и периодичность воздействия поля на воду; скорость движения воды в аппарате. Эффект магнитной обработки воды зависит также от ее температуры, наличия в ней ферромагнитных оксидов железа, условий нахождения воды после обработки, интервала с момента обработки до ее использования

а).	б).
Рисунок 1 – Форма и размеры кристаллов накипи с увеличением 600Х (а) до магнитной оброботки, (б) после магнитной обработки.

Согласно СНиП II-35-76 «Котельные установки», магнитную обработку воды для водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержание в воде железа не превышает 0,3 мг/л, кислорода - 3 мг/л, хлоридов и сульфатов - 50 мг/л, ее карбонатная жесткость - не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева не должна превышать 95 °С. Для питания паровых котлов - стальных, допускающих внутрикотловую обработку воды, и чугунных секционных - использование магнитной технологии возможно, если карбонатная жесткость воды не превышает 10 мг-экв/л, содержание железа - 0,3 мг/л, а поступает она из водопровода или поверхностного источника. Если эти условия не выполняются, то необходимо предусмотреть дополнительные устройства для предварительного умягчения, обезжелезивания, деаэрации.

В основном магнитную обработку применяют для уменьшения образования накипи в котлах низкого давления, в бойлерах, различных теплообменниках, в тепловых сетях отопительных котлов, в местных системах горячего водоснабжения, в конденсаторах паровых турбин, а также в выпарных установках и дистилляторах.

При воздействии на воду магнитным полем определенной напряженности и полярности в котле из нее выпадают соли жесткости в виде шлама, которые удаляются продувкой из нижних точек котла. На поверхностях нагрева накипные отложения не образуются.

Обычно используют одну из двух схем магнитной обработки воды. Первая

схема предназначена для паровых котлов с температурой среды более 100 °С. В

этом случае соли выделяются в толще воды в виде шлама, который необходимо

непрерывно удалять из нижних слоев во избежание образования вторичной накипи. Поэтому данная схема предусматривает обязательную установку автоматического шламоотделителя после аппарата магнитной обработки воды.

По второй схеме, которая используется для водогрейных котлов с температурой подогрева воды до 95 °С, вода остается прозрачной и осадка в виде шлама не образуется.

Омагниченные свойства воды сохраняются от 8 до 10 часов. Для постоянного поддержания омагниченных свойств воды в схеме (рис. 3.4) предусматривается антирелаксационный контур, через который должно проходить не менее 12...15% объема воды, циркулирующей в системе. Следует заметить, что магнитные аппараты должны иметь биологическую защиту, чтобы устранить вредное воздействие на обслуживающий персонал, и устанавливаются обычно в помещениях, где нет постоянного пребывания людей.