Глава девятая

ОБРАБОТКА ПРИРОДНЫХ ВОД И КОНДЕНСАТОВ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

9-1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых практически нерастворимых вво­де веществ, называемых ионообменными материалами, или ионитами, изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Для этого обрабатываемая вода пропуска­ется через фильтры, загруженные ионитами. Просачи­ваясь между зернами ионита, обрабатываемая вода об­менивает часть ионов растворенных в ней электролитов на эквивалентное количество ионов ионита, в результа­те чего изменяется ионный состав как фильтруемой воды, так и самого ионита.

Если в результате обработки воды методом ионного обмена происходит обмен катионов, то такой процесс называется катионированием; если же при этом происходит обмен анионов, то такой процесс называется анионированием. Как катионирование, так и анионирование получили широкое применение на ТЭС для умягчения, обессоливания и обескремнивания добавочной питательной воды парогенераторов, загрязненных конденсатов и подпиточной воды тепловых сетей.

Обработка воды методом ионного обмена принципи­ально отличается от обработки воды методами осажде­ния тем, что удаляемые из нее примеси не образуют осадка, и тем, что такая обработка не требует непрерыв­ного дозирования реагентов. В связи с этим эксплуатация водоподготовительных установок, работающих по методу ионного обмена, значительно проще, габариты аппаратов меньше, а эффект обработки выше, чем установок, рабо­тающих по методу осаждения.

Продолжительность рабочего цикла ионитных филь­тров определяется обменной емкостью ионита, т. е. способностью его к ионному обмену. После исполь­зования до заданного предела обменной емкости ионита необходимо восстановление обменной способности ионита путем удаления задержанных им из обрабаты­ваемой воды ионов и введения взамен их ионов, которые он отдавал воде в период рабочего цикла. Таким обра­зом, восстановление истощенного ионита является про­цессом ионного обмена, проводимого в обратном порядке,

В качестве ионитов в СССР используются сульфоуголь и синтетические смолы, относящиеся к разряду пластических масс (полимеров). Отличитель­ной особенностью синтетических смол являются размеры и структура их молекул, состоящих из тысяч, а иногда десятков тысяч прочно связанных атомов. Вещества, со­стоящие из таких молекул-гигантов, получили название высокомолекулярных веществ. Иониты, относящиеся к высокомолекулярным веществам, характеризуются сле­дующими специфическими свойствами: набухаемостью, нерастворимостью в воде и способностью к реакциям ионного обмена.

При погружении в воду все иониты в большей или меньшей степени разбухают с одновременным увеличе­нием их объема.

Отношение объемов одной и той же массы ионита в набухшем и воздушно-сухом состояниях называется коэффициентом набухания, который равен отношению насыпной плотности воздушно-сухого ионита к насыпной плотности набухшего ионита (без учета веса поглощенной воды), т. е. к массе 1 м³ набухшего ионита после высушивания его до воздушно-сухого состояния:

К= рс / рн

где рс и рн — насыпные плотности ионита в воздушно-сухом и набухшем состояниях, т. е. выраженные в кило­граммах сухого ионита массы 1 м³ воздушно-сухого и набухшего ионитов, кг/м³.

Способность ионитов к ионному обмену объясняется их специфической структурой, состоящей из твердой не­растворимой в воде молекулярной сетки, к отдельным местам которой на поверхности и внутри ее массы при­соединены химически активные функциональные группы атомов ионита. С электрохимической точки зрения каж­дая молекула является своеобразным твердым электро­литом. В результате электролитической диссоциации ионита вокруг нерастворимого в воде ядра образуется ионная атмосфера, представляющая собой ограниченное вокруг молекулы ионита пространство, в котором нахо­дятся подвижные и способные к обмену ионы.

На рис. 9-1 в упрощенном виде изображена схема структуры молекулы ионита. В зависимости от характера активных функциональных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы, могут иметь или положитель­ные заряды (рис. 9-1,а), и тогда такой ионит называют катионитом, или отрицательные заряды (рис. 9-1,6), и тогда такой ионит называют анионитом.

Схематически диссоциацию ионитов в воде можно представить в следующем виде:

K⁺R ^- ↔ К⁺ I R ^-

R⁺А^- ↔ R⁺ I А^- ,

где K⁺R ^-—катионит, в котором подвижным обменным катионом является К⁺, а неподвижным анионом—высо­комолекулярная часть R ^–

R⁺А^-— анионит, в котором подвижным обменным анионом является А^- , а неподвиж­ным катионом — высокомолекулярная часть R+;

I —условный знак, указывающий на способность твердого электролита к диссоциации в воде без видимого раст­ворения самого электролита.

Характеристикой ионообменной способности ионита является величина его рабочей обменной емкости, которая характеризуется количеством ионов, по­глощенных ионитом, при пропускании раствора солей или кислот определенной концентрации через лаборатор­ный или промышленный фильтр, загруженный испытуе­мым ионитом, до начала «проскока» в фильтрат поглощаемых ионов.

Рабочая обменная емкость ионита выра­жается в грамм-эквивалентах ионов, поглощенных 1 м3 набухшего ионита (г-экв/м³).

Рис. 9-1. Схема структуры молекулы ионита.

1—твердый многоатомный каркас ионита; 2 — связанные с каркасом неподвижные ионы актив­ных групп; 3 — ограниченно подвижные ионы активных групп, способные к обмену.

9-2. ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА ИОНИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

а) Катиониты и их свойства

Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами: сульфогруппу SO₃H, одновалентную карбоксильную группу СООН и однова­лентную фенольную группу ОН. Из них группа SO₃H об­ладает сильнокислотными, а группы СООН и ОН — сла­бокислотными свойствами.

В зависимости от химического состава катиониты делятся на:

сильнокислотные, содержащие активные сульфогруппы, и

слабокислотные, содержащие в основном карбоксильные группы.

Первые способны к обмену катионов в щелочной, ней­тральной и кислой средах, вторые — только в щелочной среде.

Свойства применяемых в технике катионитов таковы, что в их состав могут быть введены разные обменные катионы, однако для практики водоподготовки на ТЭС важными являются только два катиона: натрий (Na⁺) и водород (Н⁺).

В зависимости от того, какой катион в данном катионите является обменным, различают натрий-катионит (Na-катионит, Na⁺R^-) и водород-катионит (Н-катионит, H⁺R^-), где символом R^- обозначен нерастворимый в воде сложный радикал катионита, играющий условно роль одновалентного аниона. Процес­сы обработки воды перечисленными катионитами соот­ветственно называются Na-катионированием и Н-катионированием,

Показателями качества катионитов являются физиче­ские свойства, химическая и термическая стойкость, ра­бочая обменная емкость и др. Показателями физических свойств катионитов являются фракционный состав и ме­ханическая прочность катионита, а также рассмотренная выше насыпная плотность в воздушно-сухом и влажном состояниях, характеризующие набухаемость катио­нита.

Фракционный состав катионитов, определяемый обыч­ным ситовым анализом, позволяет установить количест­венное соотношение отдельных зерновых фракций, сред­ний размер зерен, степень однородности последних и ко­личество пылевидных частиц, непригодных к использо­ванию в фильтре. При прочих одинаковых условиях мелкозернистый катионит имеет более высокую емкость, чем крупнозернистый, так как он обладает относительно бо­лее развитой поверхностью, с которой соприкасается об­рабатываемая вода. С другой стороны, чем мельче зерна катионита, тем больше его гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды. Учиты­вая достигаемые при обычных скоростях фильтрования величины потерь напора в слое ионита и рабочие омен­ные емкости, оптимальные размеры зерен катионита при­нимают в пределах 0,3—1,5 мм.

Кроме размера зерна, имеет значение однородность зернового состава катионита, т. е. соотношение его мел­ких и крупных фракций. Для удобства эксплуатации катионитных установок рекомендуется применять катионит с коэффициентом неоднородности kн = d80 / d 100 не выше 2, где d80 и d 100 — размеры сит, через которые могло бы прой­ти 80 или 10% общей навески.

Большое значение для эксплуатации имеют механиче­ская прочность катионита, а также его химическая и тер­мическая стойкость. Эти показатели необходимы для установления износа катионитов в процессе их эксплуа­тации и выбора марки катионита применительно к задан­ной температуре обрабатываемой воды и ее активной ре­акции. Невыполнение этих требований приводит к тому, что в процессе эксплуатации катионит частично измель­чается при фильтровании, а также вследствие трения его зерен друг о друга при взрыхлении; кроме того, при вы­соких температурах обрабатываемой воды и повышенных значениях ее кислотности или щелочности он частично пептизирует, т. е. переходит из нерастворимого со­стояния в состояние коллоидного раствора. И то, и дру­гое приводит к постепенному вымыванию образовавшей­ся пылевидной мелочи или коллоидных частиц в процессе взрыхления ионита и в конечном счете к безвозвратной потере некоторого количества его. При практическом ис­пользовании отечественных катионитов годовые потери за счет механического износа и пептизации составляют для сульфоугля 5—7%, а для смолы КУ-2 15—20%.

Рабочая обменная емкость является основной техно­логической характеристикой ионита, так как от нее за­висит объем ионита, необходимый для загрузки филь­тров при заданных условиях их эксплуатации. В отличие от рабочей обменной емкости полная обменная ем­кость ионита характеризуется количеством ионов, ко­торое может быть поглощено ионитом при полной замене всех обменных ионов. Определение ее основано на пол­ной нейтрализации кислотного катионита раствором NaOH, а щелочного анионита — раствором НС1. Величи­на полной обменной емкости данного ионита постоянна и выражается, как и рабочая обменная емкость, в грамм-эквивалентах ионов, поглощенных 1 м³ набухшего ио­нита.

Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида улавливаемых из воды катионов, соотношения солевых компонентов в обрабатываемой воде, значения рН воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитных фильтров и удельного расхо­да регенерирующего реагента.

При больших скоростях фильтрования рабочая обменная емкость катионита снижается вследствие умень­шения продолжительности контакта между водой и катионитом. Однако в катионитных фильтрах первой ступе­ни, где скорость фильтрования обычно не превышает 15— 20 м/ч, а высота загрузки 2,0—2,8 м, влияние скорости на рабочую обменную емкость незначительно. В катио­нитных фильтрах второй ступени скорость фильтрования достигает 30—50 м/ч при высоте слоя катионита 1,5 м; поэтому д,ля них фактор влияния скорости является ощу­тимым и должен учитываться при расчете этих фильтров (см. § 9-3,а).

В табл. 9-1 приведены основные показатели качества отечественных и некоторых зарубежных катионитов, ко­торые применяются в катионитных фильтрах на тепло­вых электростанциях СССР.

Из перечисленных в табл. 9-1 катионитов наиболее широко применяются на отечественных электростанциях

Таблица 9-1 Показатели качества катионитов

Наименование марки катионита	Страна-изготовитель	Функциональная группа	Диаметр зерна, мм
Сульфоуголь СМ-1	СССР	SO3H, ОН, СООН	0,30—0,80
Сульфоуголь СК-1	СССР	То же	0,50—1,10
Катионит КУ-1	СССР	SO3H	0,30—1,50
Катионит КУ-2	СССР	То же	0,30—1.00
Вофатит Р	ГДР	SO3H, ОН	0,30—0,75
Вофатит С	ГДР	То же	0,30—1,50
Амберлайт IR-100	США	» »	0,30—1,00
Цеокарб	США	» »	0,30-1,50

Продолжение табл. 9-1

Наименование марки катионита	Насыпная плотность.		Коэффициент набухания		Объемная емкость г-экв/кг		Допустимая температура
	т/м3
					.
	воздушно- сухого	влажного			При Н-катионировании	При Nа-катионировании
Сульфоуголь СМ-1	0,65	0,55	1,20		250	400	60		60
Сульфоуголь СК-1	0,65	0,55		1,20	200	350	60
Катионит КУ-1	0,63	0,45		1,40	300	300	_
Катионит КУ-2	0,71	0,50		1,42	800	800	120
Вофатит Р	0,62	0,50		1,24	300	ЗСО	100
Вофатит С	0,73	0,55		1,33	150	400	100
Амберлайт IR-100	0,64	0,44		1,45	—	300	120
Цеокарб	0,56	0,53		1,,06	—	300	100

сульфоуголь, получаемый путем обработки коксующегося каменного угля дымящейся серной кислотой, а также вы­пускаемый отечественной промышленностью катионит марки КУ-2, являющийся синтетической смолой и обла­дающий более высокой обменной емкостью, чем суль­фоуголь, а также более высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, органическим растворителям и не­которым окислителям даже при температуре до 120 °С.

б) Аниониты и их свойства

Аниониты содержат следующие химически активные функциональные группы: первичные (—NH₂), вторичные ( = NH), третичные ( = N) аминогруппы и четвертичные аммониевые группы (—N⁺R₃). Введение перечисленных активных групп в синтетические смолы сообщает послед­ним характер оснований. Первичные, вторичные и тре­тичные аминогруппы обладают слабоосновными, а чет­веричные аммониевые группы — сильноосновными свой­ствами. В зависимости от химического состава аниониты делятся на:

а) слабоосновные, содержащие вторич­ные и третичные аминогруппы;

б) сильноосновные, содержащие четверичные аммониевые группы.

Первые способны к обмену анионов только в кислой среде, вто­рые — в кислой, нейтральной и щелочной средах.

В состав анионитов могут быть введены различные об­менные анионы. В практике водоподготовки на электростанциях такими обменными анионами являются ОН^- СОз^2- , НСО₃^-. В зависимости от того, какой анион в дан­ном анионите является обменным, различают следующие виды анионитов: R⁺OH^- , R₂⁺CO₃^2-, R⁺HCO₃^2-, где симво. лом R⁺ обозначен нерастворимый в воде сложный ради­кал, включающий функциональную группу и играющий условно роль одновалентного катиона. При погружении анионита в воду происходит диссоциация его с образо­ванием вокруг нерастворимого в воде ядра ионной атмос­феры, состоящей из подвижных анионов ОН^-, СОз^2- или НСОз^-, способных обмениваться на другие анионы (рис. 9-1,6).

В табл. 9-2 приведены основные показатели качества отечественных и некоторых зарубежных анионитов, при­меняемых в анионитных фильтрах обессоливающих уста­новок на отечественных электростанциях. Качество анионитов определяется теми же показателями, что я катионитов. Из них основным показателем является рабочая обменная емкость. В противоположность катионитам, ра­бочая обменная емкость которых повышается с увеличе­нием рН фильтруемой воды, рабочая обменная емкость анионитов тем больше, чем ниже величина рН, т. е. чем выше кислотность фильтруемой воды.

Так как сильноосновные аниониты в схемах полного химического обессоливания предназначены для обескремнивания, их обменная способность характеризуется ра­бочей кремнеемкостью, выраженной количеством грамм-эквивалентов HSiO₃^-, которое может извлечь из воды 1 м³ набухшего анионита в результате обменной реак­ции. Рабочая кремнеемкость сильноосновных анионитов зависит от величины рН воды, поступающей на анионитный фильтр, концентрации кремниевой кислоты в этой воде, удельного расхода щелочи на регенерацию, кон­центрации регенерирующего раствора, момента отключе­ния фильтра на регенерацию, скорости фильтрования воды, природы обменного иона ( ОН^- , СОз^2- , НСО₃^- ), температуры исходной воды и других факторов.

Из слабоосновных анионитов, выпускаемых отече­ственной промышленностью, наиболее пригоден для обессоливания воды анионит марки АН-18. Из новых сильноосновных анионитов наибольшее распространение получил анионит марки АВ-17. От слабоосновных анио­нитов он отличается тем, что содержит исключительно сильно диссоциированные активные аминогруппы четве­ртичного аммониевого основания. Анионит АВ-17 хорошо сорбирует слабые кислоты, в том числе кремниевую. Анионит АВ-17 механически прочен и химически стоек к кислотам и щелочам. Он применяется в основном для удаления из воды кремниевой кислоты в схемах полного химического обессоливания.

В табл. 9-1 и 9-2 приведены обменные емкости ионитов, которые определены при одинаковых лабораторных условиях. Они служат только для сравнения их между собой, но не могут быть использованы для технологиче­ских расчетов.

При проектировании водоподготовительных устано­вок выбор расчетной обменной емкости следует произво­дить по графикам, приведенным в гл. 13, учитывающим влияние различных факторов на величину обменной ем­кости.

Таблица 9-2

Показатели качества анионитов

Наименование марки анионита	Страна-из-готови-тель	Функциональ­ная группа	Диаметр зер­на, мм	Насыпная плот- ность, m/мз		Коэффициент набухания	Обменная емкость, г-экв/м3			Допустимая темпе-ратура, °С
				сухого	влаж­ного		По Сl-	по SO42-	по SiO32-
АН-2Ф	СССР	= N; =NH	0,3—1,50	0,60	0,35	1,72	450	675	__	40
АН-18***	СССР		0,3—1,60	0,68	0,49	1,39	880	1045	—	40
Амберлайт IR-4B	США	—	0,3—0,85	0,57	0,40	1,42	1 140	1780	—	40
Вофатит М/	ГДР	—	0,3—2,00	0,66	0,46	1,43	340	480	—	—
ЭДЭ-10П	СССР	EEN; =NH	0,4—1,60	0,60	0,45	1.71	800	1200	30	40
АВ-17 v-	СССР	—N+R,	0,2—0,85	0,74	0,39	1,90	—	—	420	60
Амберлайт IRA-400	США	-N+R,	0,3—0,85	0,71	0,45	1,58	800	—	400	50
Амберлайт IRA-410	США	-N+R3	0,3—0,85	0,75	0,46	1,63	1050	—	300	50

*При концентрации кислоты в исходном раствоое 1.78 мг-экв/кг

** До проскока 0,1 мг/кг SiO ₃^2-

*** При концентрации кислоты в исходном растворе 1,0 мг-экв/кг.

9-3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ИОННОГО ОБМЕНА

а) Натрий-катионирование

Умягчение воды путем натрий-катионирования за­ключается в фильтровании ее через слой катионита, со­держащего в качестве обменных ионов катионы натрия.

При Na-катионировании жесткой воды происходит следующий катионный обмен:

Са²⁺ + 2Na | R^- → Са²⁺ | R₂^- + 2Na⁺

Mg²⁺ + 2Na | R^- → Mg²⁺ + | R₂^- + 2Na⁺

В результате приведенных реакций происходит более или менее полная замена катионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде катионами натрия, вследствие чего остаточная жесткость натрий-катионированной воды снижается до 10мкг-экв/кг и ниже, щелочность и анионный состав не изменяются, а солесодержание ее несколько возрастает. Последнее объясняется тем, что, как видно из приведенных выше реакций, два катиона Na⁺ заменяют в воде один катион Са²⁺ или один катион Mg^2+, т. е. 23 весовые части натрия заменяют 20 весовых частей кальция или 12,16 весовой части магния, где 23; 20 и 12,16 — эквивалентные веса соответственно натрия, кальция и магния.

Не все катионы извлекаются из растворов катионитами с одинаковой интенсивностью. Для катионитов спра­ведливым является следующий ряд катионов: Са²⁺> Mg²⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺, в котором каждый предыду­щий катион извлекается из воды катионитом в резуль­тате обменной реакции с катионом катионита более интенсивно и в большем количестве, чем последующий. С другой стороны, каждый последующий катион приве­денного выше ряда вытесняется из катионита предыду­щим катионом, если они находятся в растворе в сопо­ставимых концентрациях. Отсюда следует, что при катионировании растворов, содержащих разноименные катионы в концентрациях, соответствующих природным пресным водам, наблюдаются неодновременность про­скока в фильтрат катионов разной природы и способ­ность одних катионов вытеснять другие, поглощенные ранее катионитом.

Основным недостатком натрий-катионирования является превращение карбонатной жесткости воды в би­карбонат натрия, обусловливающий высокую натриевую щелочность котловой воды, так как в парогенераторе бикарбонат натрия превращается в карбонат и гидро­окись натрия:

Са (HCO₃)₂ + 2Na | R^- → Са²⁺ | R₂^- +2 Na HCO₃

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂О

Na₂CO₃ + Н₂О → 2 NaОН + СО₂

Процесс умягчения воды методом катионного обмена изображен графически на рис. 9-2. Линия ГД соответ­ствует величине жесткости исходной воды. Кривая АБД показывает зависимость остаточной жесткости умягчен­ной воды от количества ее, пропущенного через фильтр. При фильтровании воды через катионит от плоскости аб (рис. 9-2,а) до некоторой плоскости а_об₀ происходит ее умягчение. Слой катионита абб₀а₀а , в котором происхо­дит умягчение, называется работающим слоем или зо­ной умягчения. По мере истощения верхние слои катионита перестают умягчать воду. Вместо них всту­пают в работу свежие слои катионита, расположенные под работающим слоем, и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время после начала рабо­ты фильтра в слое катионита образуются три зоны: исто­щенного 1, работающего 2 и свежего 3 катионита

(рис. 9-2,6).

В начале работы фильтра остаточная жесткость умяг­ченной воды будет весьма малой и постоянной (линия АБ на рис.9-2) до момента совмещения нижних гра­ниц зоны умягчения а₂б₂ и слоя катионита а₃б_3. С момен­та совмещения этих плоскостей начинается «проскок» катионов Са²⁺ и Mg²⁺ и увеличение остаточной жесткости фильтрата (кривая БД) до жесткости исходной воды в точке Д при полном истощении катионита.

б)

Рис. 9-2. График умягчения воды в катионитном фильтре. 1 — истощенный катионит; 2 — зона умягчения; 3 — свежий катионит.

Площадь АБВГ, эквивалентная количеству катионов Са²⁺ и Mg^2+, поглощенных катионитом за рабочий цикл, и равная (Жо—Жум) q₂, является рабочей ем­костью фильтра Ер, т. е. всего объема катионита, загруженного в фильтр, где Жо- жесткость исходной воды, г-экв/м³; Жум — жесткость умягченной воды, г-экв/м³; q₂ — количество умягченной воды, пропущенной через фильтр за рабочий цикл, м³. Так как Жум гораздо меньше, чем Жо. то ею можно пренебречь. Тогда Ер = Жоq₂, г-экв. Если величину Ер разделить на объем за­груженного в фильтр катинонита в набухшем состоянии, равный v = fh , получим формулу для определения рабо­чей обменной емкости катионита ер:

ер = Жоq₂ / fh , г-экв/м³

где f—площадь поперечного сечения фильтра, м²; h — высота загрузки катионита, м.

Площадь АБДГ (рис. 9-2,б) эквивалентна полной обменной емкости катионитного фильтра. Площадь БВД характеризует обменную емкость зоны умягчения, остав­шуюся неиспользованной, которая называется оста­точной. Она минимальна в том случае, когда ограни­чивающие зону умягчения плоскости a1б1 и а2б2 горизон­тальны. В действительности, как показывает опыт экс­плуатации промышленных катионитных фильтров, зона умягчения ограничивается искривленными поверхностя­ми, при которых проскок катионов Са²⁺ и Mg²⁺ начи­нается преждевременно вследствие гидравлического перекоса. На кривой истощения катионита (рис. 9-2,б) этому моменту соответствует точка Б'. В результате это­го величина используемой емкости поглощения (пло­щадь АБ'В'Г) будет меньше, а остаточная емкость (пло­щадь Б'В'Д) будет больше, чем площадки АБВГ и БВД. После того как рабочая обменная емкость ер полностью исчерпана и значительная часть обменных катионов за­менена катионами кальция и магния, катионит исто­щается и теряет способность умягчать воду.

Для восстановления рабочей обменной емкости катионита необходимо извлечь из него задержанные катио­ны, заменив их обменными катионами. Процесс восста­новления обменной емкости истощенного катионита на­зывается его регенерацией. Регенерация истощенно­го Na-катионита достигается фильтрованием через его слой раствора поваренной соли (NaCl). Вследствие относительно большой концентрации катионов натрия в регенерационном растворе происходит замена ими по­глощенных ранее катионов кальция и магния. Протекаю­щие при этом реакции могут быть выражены следующи­ми уравнениями:

Са²⁺ | R₂^- + 2NaCI → 2Na⁺ | R^- + Са CI₂

Mg²⁺ | R₂^- + 2NaCI → 2Na⁺ | R^- + MgCl₂

Поваренная соль применяется для регенерации в основном вследствие ее доступности, а также вслед­ствие того, что получающиеся при этом хорошо раство­римые Са CI₂ и MgCl₂ легко удаляются с регенерационным раствором и отмывочной водой. В процессе регенерации при фильтровании раствора NaCl сверху вниз через исто­щенный катионит наиболее полный обмен катиона натрия на содержащиеся в катионите катионы кальция и маг­ния происходит в верхних слоях загрузки фильтра. При пропускании через фильтр раствора NaCl в последнем возрастает концентрация вытесняемых из катионита ка­тионов Са²⁺ и Mg²⁺ и снижается концентрация катио­нов Na⁺.

Увеличение концентрации противоионов (в данном случае Са²⁺ и Mg²⁺⁾ в регенерационном растворе подав­ляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена. Возникающий при этом противоионный эффект тормозит реакцию регенера­ции, в результате чего по мере движения регенерирую­щего раствора в нижние слои катионита регенерация последнего протекает менее полно и некоторое количе­ство катионов Са²⁺ и Mg²⁺ остается невытесненным из нижних слоев катионита. Для устранения этого недо­статка можно пропускать через катионит все новые све­жие порции раствора реагента. Но это вызовет значи­тельное увеличение удельного расхода поваренной соли и повышение стоимости обработки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропуском регенерационного раствора с количеством соли, превышающим в 3,0—3,5 раза стехиометрический расход, что обеспечивает отно­сительно удовлетворительную регенерацию катионита.

При пропускании через такой отрегенерированный фильтр сверху вниз умягчаемой жесткой воды, содержа­щей катионы Са²⁺ и Mg²⁺, она сначала приходит в со­прикосновение с наиболее хорошо отрегенерированными слоями катионита, молекулы которого содержат в своей атмосфере почти исключительно катионы натрия. Поэто­му в верхних слоях катионита катионный обмен протекает достаточно полно и умягчаемая вода содержит мини­мальное остаточное количество катионов Са²⁺ и Mg²⁺. Однако по мере продвижения в нижние слои Na-катионита умягчаемая вода в результате обменных реакций обогащается катионами натрия. В этих условиях в ре­зультате противоионного эффекта процесс умягчения воды тормозится, и некоторое количество катионов каль­ция и магния остается в умягченной воде, которая вследствие этого имеет некоторую остаточную жесткость.

Этот противоионный эффект, мало ощутимый для мягких вод, становится заметным препятствием для глубокого умягчения сильно минерализованных вод, у которых вследствие замены катионов кальция и магния катиона­ми натрия создаются высокие концентрации этого противоиона, снижающие эффект умягчения воды.

Следовательно, как полнота регенерации катионита снижается по направлению движения регенерационного раствора, так снижается и глубина умягчения воды, фильтруемой в том же направлении. Если же регенерационный раствор и умягчаемую воду пропускать в раз­ных направлениях, последняя перед выходом из фильтра соприкасается с наиболее хорошо отрегенерироваиными слоями катнонита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Такой метод противоточного катионирования позволяет значительно снизить расход реагентов на регенерацию катионита, приближаясь к стехиометрическим соотношениям обменивающихся катионитов, не снижая при этом глубины умягчения воды.

Умягчение воды путем Na-катионирования примени­мо для вод с относительно малой карбонатной жесткостью, превращение которой в бикарбонат натрия не вызывает чрезмерного увеличения продувки парогенераторов, а также не создает опасной для парогенерато­ров повышенной относительной щелочности котловой воды.

Для более глубокого умягчения воды, а также в це­лях экономии соли и увеличения продолжительности фильтроцикла применяется двухступенчатое Na-катиони-рование. В этом случае в фильтрах первой ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,05— 0,2 мг-экв/кг при обычных скоростях фильтрования (15—20 м/ч). Затем умягченная вода пропускается через фильтры второй ступени катионитовой установки, в ко­торой жесткость предварительно умягченной воды уда­ется снизить до 0,03—0,01 мг-экв/кг.

Незначительное содержание удаляемых катионов в воде, поступающей на фильтры второй ступени, позво­ляет осуществлять фильтрование через них воды с боль­шей скоростью фильтрования (30—50 м/ч). Кроме ука­занных выше достоинств двухступенчатого Na-катиони­рования, наличие фильтров второй ступени создает своего рода барьер, препятствующий «проскоку» удаляе­мых катионов при различного рода случайных отклоне­ниях в условиях работы фильтров первой ступени (не­своевременное отключение на регенерацию, недостаточ­ная отмывка после регенерации, нарушение гидравличе­ского режима, приводящее к гидравлическому перекосу и увеличенному проскоку удаляемых катионов в фильтрат первой ступени). Поэтому Na-катионитные фильтры вто­рой ступени часто называют барьерными филь­трами.

При наличии барьерных фильтров упрощается экс­плуатация установки, так как катионитные фильтры пер­вой ступени могут отключаться на регенерацию не по проскоку ионов Са²⁺ и Mg^2+, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а но ко­личеству воды, пропущенной через них. Небольшое по­вышение жесткости воды после фильтров первой ступени неопасно, так как она будет задержана барьерными фильтрами.