Б) Водород-катионирование

Обработка воды путем водород-катионирования со­стоит в фильтровании ее через слой катионита, содержа­щего в качестве обменных ионов катионы водорода.

При Н-катионировании обрабатываемой воды проте­кают следующие реакции:

Са²⁺ + 2Н⁺ | R^- → Са²⁺ | R^- + 2Н⁺

Mg²⁺ + 2Н⁺| R^- → Mg²⁺| R^- + 2Н⁺

Na⁺ + Н⁺| R^- → Na⁺| R^- +Н⁺

НСО₃^- + Н⁺ → Н₂О +СО₂

В результате приведенных реакций общая жесткость Н-катионированной воды снижается до 10 мкг-экв/кг и ниже, а карбонатная жесткость полностью удаляется, вследствие чего происходит снижение солесодержания и устранение щелочности воды.

Так как в процессе Н-катионирования все катионы в воде заменяются катионами водорода, то присутствующие в растворе сульфаты, хло­риды и нитраты кальция, натрия и других катионов пре­образуются в свободные минеральные кислоты (серную, соляную, азотную, кремниевую).

Общая кислотность Н-катионированной воды при этом равна сумме содержащихся в воде анионов мине­ральных кислот SO₄^2-, С1^-, NO₃^- и др. и для вод, не со­держащих катионы Na⁺, может быть принята равной некарбонатной жесткости воды. Ввиду того, что катионированная вода является кислой, непригодной для пита­ния парогенераторов Н-катионирование всегда сочета­ют с Na-катионированием или анионированием, что дает возможность нейтрали­зовать кислотность и снизить щелочность обработанной воды.

На рис. 9-3 изображен графически процесс Н-катионирования раствора, содер­жащего катионы кальция и натрия (при одноименном анионе с целью исключения влияния его на реакцию катионного обмена). Процесс Н-катионирования в данном случае можно разделить условно на четыре стадии:

1) полное поглощение обоих катионов из фильтруемого раствора (А—Г);

2) проскок в фильтрат катиона натрия и нарастание его концентра­ции в фильтрате до концентрации в исходном растворе (Г—Ж);

3) вытеснение катионом кальция поглощенного ранее катиона натрия в фильтрат (Ж—М—Н);

4) про­скок в фильтрат катиона кальция с увеличением его кон­центрации в

фильтрате до концентрации в исходном рас­творе (И—Р).

Рис. 9-3. Процесс Н-катиони-

рсвания раствора, содержаще-

_ го катионы кальция и натрия.

1 — концентрация катионов натрия в исходном растворе; 2— концен­трация катионов кальция в исход­ном растворе: 3 — концентрация катионов натрия в фильтрате; 4 — концентрация катионов кальция в фильтрате,

Рабочая обменная емкость Н-катионитов зависит также от схемы подготовки воды, что можно установить из дальнейшего рассмотрения рис. 9-3. При глубоком и полном химическом обессоливании, когда требуется от­ключение Н-катионитного фильтра на регенерацию в мо­мент проскока катиона натрия, рабочая обменная ем­кость Н-катионита будет определяться суммой площадей АБВГ и АДЕГ, первая из них эквивалентна количеству катионов натрия, поглощенных Н-катионитом к моменту проскока их в фильтрат, а вторая — количеству катионов кальция, поглощенных Н-катионитом к этому же момен­ту. Если отключение Н-катионитного фильтра на регене­рацию производится в момент, когда содержание катио­нов натрия в фильтрате равно их концентрации в исход­ной воде (один из случаев частичного обессоливания), рабочая обменная емкость Н-катионита эквивалентна сумме площадей АБЖГ и АДЗЛ. При умягчении воды путем комбинированного Н- и Na-катионирования, по­зволяющего отключать Н-катионитные фильтры на реге­нерацию в момент проскока солей жесткости, в частности катиона Са²⁺, рабочая обменная емкость Н-катионита определяется площадью АДКИ.

На рабочую обменную емкость катионита оказывают влияние также анионный состав воды и величина его об­щего солесодержания. Влияние этих факторов прояв­ляется в различной степени для одного и того же катио­нита при Н- и Na-катионировании, а также для различ­ных катионитов. Если при Na-катионировании анионный состав не оказывает существенного влияния на рабочую обменную емкость сульфоугля, то при Н- катионировании он приобретает решающее значение. На рис. 9-4 показа­на зависимость величины рабочей обменной емкости сульфоугля и катионитов КУ-1 и КУ-2 при применении их в форме Н-катионитов от общего солесодержания исходной воды и отношения концентрации бикарбонатного иона к общей сумме анионов, т. е. от отношения

С _HCO3- /А , где А = С _HCO3- + С _SO42- + С _С1^- + С _NO3-

При повышении солесодержания исходной воды с 1 до 15 мг-экв/кг рабочая обменная емкость катионита КУ-2 снижается примерно на 14%, а катионита КУ-1 примерно на 27%. Величина отноше­ния С _HCO3- /А не оказывает заметного влияния на ра-

бочую обменную емкость катионитов КУ-1 и КУ-2, но в сильной степени влияет на рабочую обменную емкость сульфоугля. При отсутствии в исходной воде бикарбонатных ионов, т. е. при С _HCO3- /А = 0, рабочая обменная емкость сульфоугля (до момента проскока натрия в фильтрат) невелика, причем при солесодержании исходной воды 1 мг-экв/кг она вдвое больше, чем при солесодержании 15 мг-экв/кг. Когда же в воде содержат­ся только бикарбонатные анионы, т. е. при С _HCO3- /А = 1 рабочая обменная емкость сульфоугля возрастает более чем в 2 раза, причем величина солесодержания воды почти перестает влиять на рабочую обменную емкость сульфоугля.

Регенерация истощенного Н-катионита обычно осу­ществляется фильтрованием через его слой 1,0— 1,5%-ного раствора серной кислоты. При большей кон­центрации серной кислоты появляется опасность обра­стания зерен Н-катионита отложениями сульфата каль­ция из-за сравнительно малой растворимости последнего (загипсование), следствием этого является безвозврат­ная потеря катионитом ионообменной способности.

Протекающие в процессе регенерации реакции могут быть выражены следующими уравнениями:

Са²⁺ | R₂^- + H₂SO₄ → 2Н⁺ | R^- +Са SO₄

Mg²⁺ | R₂^- + H₂SO₄ → 2Н⁺ | R^- +Mg SO₄

2Na+ | R₂^- + H₂SO₄ → 2Н⁺ | R^- + Na SO₄

Для обеспечения большей полноты регенерации Н-катионита применяется расход серной кислоты в количестве, превышающем в 1,25—1,5 раза стехиометрический, что обеспечивает вполне удовлетворительную регенерацию катионита.

При умягчении воды Н-катионитные фильтры выключаются на регенерацию при появлении проскока катионов Са²⁺ и Mg^2+, т. е. при повышении жесткости филь­трата, а при химическом обессоливании—при появле­нии проскока катионов Na⁺, т. е. при снижении кислотно­сти фильтрата.

Иногда применяется «го­лодная» регенерация Н-катионитных фильтров. В этом случае при катионировании происходит не глубо­кое умягчение исходной воды, а разрушение ее карбонат­ной щелочности без образо­вания кислого фильтрата. Это достигается тем, что фильтры регенерируются таким количеством кислоты, ко­торого недостаточно для вытеснения всех катионов, ранее поглощенных из воды. Это приводит к расположению в верхних частях фильтрующего слоя катионита с об­менным катионом водорода, а в нижних — с обменными катионами кальция и магния. Прошедшая через такой фильтр вода не содержит сильных кислот и имеет незна­чительную щелочность (порядка 0,6—0,8 мг-экв/кг). По­следующим фильтрованием Н-катионированной воды после удаления из нее свободной углекислоты через две ступени Na-катионитных фильтров достигается необхо­димая глубина ее умягчения (не больше 5 мкг-экв/кг). Для более полного вытеснения поглощенных катионитом ионов рекомендуется производить ступенчатую ре­генерацию Н-катионита: сначала 1%-ным раствором серной кислоты, а затем, когда основная масса катионов кальция и магния уже вытеснена и опасности «гипсования» уже нет, более крепким (5—6%) раствором ки­слоты.

Обычно для регенерации истощенного Н-катионита применяется серная кислота, так как она дешевле и удобнее при перевозке, хранении и применении, чем со­ляная, хотя последняя также пригодна для регенерации Н-катионита, например, при высоком содержании Na в исходной воде. Концентрация раствора HCI для реге­нерации обычно составляет 5—6% в связи с тем, что она не дает при регенерации соединений, малорастворимых в воде.