Умягчение воды по методу ионного обмена основано на свойстве катионитов обменивать катионы, которыми предварительно «заряже­ны» его активные группы, на содержащиеся в умягчаемой воде катио­ны кальция и магния. В результате реакции катионит отдает в воду взамен поглощенных обменные катионы. В зависимости от того, ка­ким обменным ионом «заряжен» катионит (натрием, водородом или аммонием), различают процессы Nа-, Н- и КН4-катионирования.

Процесс обмена ионов между катионитами и раствором, содержа­щим соли жесткости, зависит от многих факторов: свойств катиони­тов, состава исходной воды, условий происходящего процесса и др. Все эти факторы тесно связаны между собой и, прежде всего, опреде­ляют скорость прохождения ионообменных реакций. Реакция обмена между катионитом и нонами исходной воды обусловливается диф­фузией ионов из раствора внутрь катионита и из катионита в исходную воду.

В качестве катионитов в настоящее время применяют только ис­кусственно получаемые материалы, например сульфоуголь — поли­функциональный катионит, получающийся сульфированием (обра­боткой концентрированной серной кислотой при высокой температуре) природных коксующихся плавких каменных углей.

Особенностью Nа-катионирования является то, что карбонатная жесткость умягчаемой воды, обусловленная бикарбонатами кальция и магния, переходит в бикарбонатную щелочность NаНСО3, т. е. концентрация бикарбонатных ионов не изменяется.

Наибольшее практическое применение нашло сочетание процессов Nа- и Н-катионирования, в результате чего может быть достигнута требуемая щелочность или кислотность благодаря взаимной нейтрали­зации кислой и щелочной воды. Процесс Н— Nа-катионирования может осуществляться по одной из описанных далее схем.

1. Параллельное Н — Nа-катионирование применяют для исход­ной воды с малой некарбонатной жесткостью. При этом часть воды пропускается через Н-катионитный фильтр, а другая часть — через Nа-катиоиитный фильтр, после чего оба фильтрата смешиваются. В результате можно получить воду с весьма малыми жесткостью и ще­лочностью. Выделяющаяся при взаимодействии Nа-катионированной воды с Н-катионироваиной водой углекислота удаляется на специаль­ных дегазаторах.

2. Последовательное Н — Nа-катионированпе обычно применяют для умягчения воды с относительно высокой жесткостью. При этом часть обрабатываемой воды пропускается через Н-катионнтный фильтр, затем смешивается с остальной частью воды, пропускается через удалитель углекислоты (дегазатор) и, наконец, вся смесь про­пускается через Nа-катионитный фильтр.

3. Совместное Н — Nа -катионирование осуществляется в одном фильтре. При этом верхний слой катионита в фильтре отгенерирован для работы по методу Н-катпонирования, а нижний — для работы по методу Nа-катионирования. Для доумягчения фильтрата после Н-Nа-катионирования применяют дополнительный Nа-катионитный фильтр (так называемый Nа-катионитный фильтр второй ступени).

Катионитные методы позволяют достичь весьма глубокого умягче­ния воды — до 0,01 мг-экв/л и снижения щелочности до 0,35 мг-экв/л.

На рис. II.49 представлена наиболее простая технологическая схе­ма установки для умягчения воды методом Nа-катионирования без предварительной обработки воды. В напорные фильтры загружен на­бухший катионообменный материал, например сульфоуголь. Под­лежащая обработке вода подается по трубе 1 на фильтры и проходит сверху вниз через слой сульфоугля со скоростью 10—25 м/ч в зависи­мости от исходной жесткости (15—5 мг-экв/л). Умягченная вода от­водится по трубе 2 к потребителю.

Для регенерации катионита фильтры поочередно выключают из работы. Регенерационный раствор поваренной соли с концентрацией 1,5—8% подается из солерастворителя на фильтр по трубе 3 и сбрасывается в дренаж через спуск 4. Скорость пропускания регенерацион­ного раствора 3—5 м/ч.

Процесс регенерации включает следующие операции: I) взрыхле­ние катионита исходной водой, подаваемой по трубе 5 в фильтр снизу вверх с интенсивностью 3—4 л/ (с • м2); 2) регенерация катионита; 3) отмывка катионита исходной водой (по трубам 1, 4} от продуктов регенерации и неизрасходованного регенерационного раствора со скоростью 10 м/ч. Отмывка Nа-катионитного фильтра заканчивается при снижении жесткости фильтрата до 0,1 мг-экв/л, после чего фильтр включается в рабочий цикл.

 

Рис. II.49. Технологическая схе­ма установки для умягчения воды методом Nа-катионирования: 1 — подача    обрабатываемой    воды; 2 — отвод умягченной воды потребителю; 3 — регенерационный рас­твор; 4 — спуск в дренаж; 5 — фильтры; 6 — подача воды на взрыхление катионита

На рис. II.50 показана принципиальная схема параллельного Н—Nа-катионирования. Фильтр Ф1 загружен катионитом в Nа-форме, а фильтр Ф2 — катионитом в Н-форме. Исходная вода подается по трубам параллельно на Nа- и Н-катионитные фильтры. Смешивая в определенной пропорции щелочной и кислый фильтраты, можно по­лучить практически полностью умягченную воду заданной щелочно­сти. В дегазаторе вода продувается воздухом от низконапорного вен­тилятора, освобождается от углекислоты, стекает в бак 6 и центро­бежным насосом 7 подается потребителю. Для регенерации истощен­ных Nа-катионитных фильтров в баке 2 приготовляется 6—10%-ньй раствор NаСl, подаваемый затем насосом 13 по трубе 3 в фильтр.

 

Рис. II 50. Принципиальная схема парал­лельного Н-Nа -катионирования

Для регенерации истощенных Н-катионитных фильтров в эжек­торе 12 из концентрированной серной кислоты, подаваемой по трубе И, приготовляется 1 —1,5%-ный регенерационный раствор серноп кислоты. Отмывочные воды и первый фильтрат сбрасывают в дренаж через спуск 10. Регенерационный раствор серной кислоты подается в фильтр по трубе 9.