Технология ионного обмена

В технологии водоподготовки для удаления определенных ионов из воды применяют два процесса: катионирование – удаление катионов и анионирование – удаление анионов. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты получают названия: Н-катионирование, Н-катионный фильтр; ОН-анионирование, ОН‑анионный фильтр и т.п. Соответственно называется и фильтрат, полученный в этих процесах: Н-катионированная вода; ОН-анионированная вода и т.п. Процессы катионирования воды могут иметь вполне самостоятельное значение (для умягчения воды), в то время как процессы анионирования применяются лишь в комплексе с катионированием (в схемах обессоливания воды). Процессы ионирования осуществляют в различных аппаратах, но наибольшее распространение получили насыпные ионитные фильтры.

Na-катионирование. Этот процесс применяется для умягчения воды и имеет самостоятельное значение при подготовке воды малой щелочности для котлов низкого давления и подпитки воды теплосетей. При Na-катионировании воду пропускают через слой катионита, находящегося в исходном состоянии в Na-форме. При этом процессе происходит удаление из воды ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в обмен на эквивалентное количество ионов Na⁺, согласно следующим реакциям:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Na⁺;

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,

где R обозначает комплекс матрицы и функциональной группы без обменного иона (его принято считать одновалентным).

Из приведенных реакций видно, что анионный состав воды при Na-катионировании остается постоянным, поэтому и суммарная концентрация катионов, участвующих в этом процессе, также остается постоянной. Однако массовая концентрация катионов в растворе несколько возрастает, поскольку эквивалентная масса иона натрия выше эквивалентных масс ионов кальция и магния. Так, при обмене ионов Са²⁺ на ионы Na⁺ солесодержание воды возрастает в 46/40 раз, поскольку вместо одного сорбированного иона Са²⁺ в раствор поступают два иона Na⁺. Тот же пересчет при сорбции ионов магния даст увеличение солесодержания в 46/24 раза.

Таким образом, солесодержание Na-катионированной воды несколько выше солесодержания исходной. Поскольку при Na-катионировании не происходит изменения анионного состава примесей воды, щелочность ее не изменяется. Остаточная жесткость фильтрата определяется условиями регенерации катионита и в лучшем случае составляет не более 5 мкмоль/дм³.

Регенерация истощенного катионита производится пропуском через него раствора поваренной соли. Реакцию регенерации катионита раствором NaCl можно записать в следующей форме:

R₂/Ca²⁺ +nNa⁺ 2R/Na⁺ + Ca²⁺ + (n-2)Na⁺;

R₂/Mg²⁺ + nNa⁺ 2R/Na⁺ + Mg²⁺ + (n-2)Na⁺,

где n – избыток NaCl против его стехиометрического количества.

Н-катионирование. Назначением Н-катионирования является удаление всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Оно применяется в схемах совместно с другими процессами ионирования. Обмен катионов при Н-катионировании протекает согласно реакциям:

2R/Н⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Н⁺;

2R/Н⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Н⁺;

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺.

Выделяющиеся в воду ионы водорода реагируют с бикарбонат-ионом:

.

Таким образом, при Н-катионировании одновременно с основным процессом происходит разрушение бикарбонатной щелочности воды. Фильтрат приобретает кислотность, равную остаточной концентрации ионов Н⁺.

Регенерация Н-катионитного фильтра производится 1–1,5-процентным раствором серной кислоты, как более дешевой и удобной в эксплуатации, согласно реакциям

R₂/Ca²⁺ + nН⁺ 2R/Н⁺ + Ca²⁺ + (n-2)Н⁺;

R₂/Mg²⁺ + nН⁺ 2R/Н⁺ + Mg²⁺ + (n-2)Н⁺;

R/Na⁺ + nН⁺ R/Н⁺ + Na⁺ + (n-1)Н⁺.

Анионирование воды производится с целью удаления из нее анионов; при сочетании анионирования с катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов, т. е. химическое обессоливание воды. При фильтровании через слой анионита происходит сорбция анионов согласно следующим реакциям:

;

+ .

Переход в воду ионов ОН^- приводит к повышению ее рН, что в свою очередь сопровождается диссоциацией слабых кислот Н₂СО₃ и Н₂Si₃ и переводу их в ионное состояние. Следовательно, они также могут участвовать в реакциях обмена, но лишь при использовании высокоосновных анионитов:

;

.

При анионировании кислой воды возможность повышения концентрации ионов ОН^- в воде исключается, так как эти ионы при переходе в воду связываются ионами водорода.

Регенерация анионитных фильтров производится обычно 4-процентным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

;

;

;

;

;

.