2.9.2.2. Зм’якшення води в катіонітових установках

Зм’якшення освітленої в механічних фільтрах чи водопровідної води здійснюється в катіонітових фільтрах.

Катіонітовий фільтр – це зварний циліндр, що має сферичне верхнє і нижнє дно. Геометричні розміри катіонітових фільтрів залежать від їх продуктивності, збільшуючись зі збільшенням продуктивності. Фільтри мають діаметр корпус 1÷3м, висоту 3,5 – 6,5м.

Катіонітовий фільтр на 2/3 висоти заповнюється зернистою масою катіоніту. Освітлена вода надходить в розподільчу систему, розташовану в верхній частині фільтру, проходить зверху – вниз через катіоніт і виводиться через дренажну систему з фільтру. Остання складається з колекторів та відгалужень з них, які рівномірно розподілені по поперечному перетину фільтра. До них приварені вертикальні штуцери з різьбою, на які нагвинчуються дренажні ковпачки конічної форми з повздовжніми щілинними отворами.

В промислових котельнях як катіоніт використовували сульфовугілля (його робоча температура до 60 ^оС). Зараз в основному використовують як катіоніт синтетичні смоли (робоча температура до 100 – 120 ^оС).

Визначальною характеристикою катіоніту є його іонообмінна здатність. Розрізняють повну і робочу іонообмінну здатність.

Під повною іонообмінною здатністю мають на увазі кількість г-екв Са і Mg, яку може утримати 1м³ катіоніту до моменту, коли жорсткість зм’якшеної води зрівняється з жорсткістю висхідної води.

Під робочою іонообмінною здатністю розуміють кількість г-екв Са і Mg, яку утримує 1м³ катіоніту до моменту початку збільшення жорсткості води на виході з фільтру порівняно з необхідною жорсткістю зм’якшеної води.

Очевидно, що робоча іонообмінна здатність катіоніту менша повної. Повна іонообмінна здатність сульфовугілля складає 500-550 , а синтетичних іонообмінних складає 600 – 1700 .

Робочий цикл катіонітового фільтра включає такі етапи:

• катіонування освітленої води при її русі зверху – вниз зі швидкістю 10-25 м/год, гідравлічний опір фільтра складає 4-15 метрів водяного стовпа;

• відключення фільтру з моменту вичерпання робочої іонообмінної здатності катіоніту;

• спушування катіоніту зворотним потоком хімочищеної води (знизу вверх) з метою рівномірного розподілу катіоніту в робочому об’ємі фільтра;

• регенерація катіонітового фільтру, що полягає у відновленні іонообмінної здатності катіоніту, в процесі якої регенераційний розчин подається в верхню частину фільтра, проходить через катіоніт і зливається в дренаж;

• відмивка фільтра після регенерації для видалення залишку регенераційного розчину (на спушування катіоніту і його відмивку після регенерації витрачають 4-5м³ води на 1м³ катіоніту);

• включення в роботу катіонітового фільтру.

а) Na-катіонування води.

Катіоніт Na – катіонітових фільтрів має формулу Na₂R, де R- складова частина катіоніту, яка приймає участь в катіонному обміні

При проходженні води через катіоніт іони Са і Mg, які є у воді, обмінюються на іони Na.

При цьому протікають такі основні реакції:

Na₂R + CaSO₄→CaR + Na₂SO₄

Na₂R +MgSO₄ →MgR + + Na₂SO_{4 . (2-53)}

а також, по аналогії з іншими солями Са і Mg неорганічних кислот, такими як CaCl₂, MgCl₂, Ca(NO₃)₂, Mg(NO₃)₂, Ca₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)₂, що визначають постійну жорсткість води.

З бікарбонатами Са і Mg, які обумовлюють наявність тимчасової (карбонатної жорсткості води, реакції проходять таким чином:

Na₂R + Ca(НСO₃)₂→CaR +2NaHCO₃;

Na₂R + Mg(НСO₃)₂→MgR + 2NaHCO₃. (2-54)

При Nа-катіонуванні економічно-доцільним є доведення залишкової жорсткості Nа - катіонової води до значення 0,02÷0,01 .

Сумарний солевміст Nа - катіонованої води дещо зростає, оскільки 1 молекула Са молекулярною масою 40 або 1 молекула Мg молекулярною масою 24,32 заміщаються на 2 молекули Nа з загальною молекулярною масою 2∙23=46.

Зростає лужність води, оскільки додатково утворюється бікарбонат Nа→Na(HCO₃) з бікарбонатів Са і Mg (солі карбонатної жорсткості переходять в бікарбонати Nа).

Відновлення іонообмінної здатності катіоніту (регенерація Nа- катіонових фільтрів) здійснюється 5-8% розчином NaCl. В результаті відбувається реакція:

CaR + 2NaCl→CaCl₂ +Na₂R, (2-55)

а утворений СаCl₂ відводиться з водою в дренаж.

Застосовують одно- і двоступеневе Nа-катіонування. Одноступеневе забезпечує залишкову жорсткість води 0,03÷0,05 , а двоступеневе – до 0,01 .

При одноступеневому Nа-катіонуванні швидкість води у фільтрі (швидкість фільтрації) залежить від жорсткості висхідної, сирої води.

При її жорсткості до 5 швидкість фільтрації до 25 м/год, при жорсткості 5÷10 швидкість фільтрації 15 м/год, а при жорсткості 10÷15 - 10 м/год.

У фільтрах 2-ої ступені швидкості фільтрації збільшується до 60 м/год.

Швидкість проходження регенераційного розчину через шар катіоніту дорівнює 3-5 м/год. Витрата солі на регенерацію фільтрів при одноступеневому Nа-катіонуванні 150÷200 г на 1 загальної жорсткості, а при двохступеневому Nа- катіонуванні для фільтрів 1 ступеню – 120÷150 г на 1 , а для фільтрів 2 ступеню – 300÷400 г на 1 жорсткості.

Лише Nа- катіонування води застосовують для зм’якшення води з невеликою карбонатною жорсткістю води ( не більше 15÷20% від загальної жорсткості води).

Якщо ж величина карбонатної жорсткості співмірна з величиною постійної жорсткості, з метою нейтралізації лугу NaOH, який утворюється при розкладі бікарбонату натрію

NaHCО₃→NaOH+ CО₂, (2-56)

Nа-катіонування води доповнюють водень-катіонуванням води.

б) Водень (Н)-катіонування води.

В Н-катіонових фільтрах катіоніт має формулу НR.

При проходженні води через шар катіоніту відбуваються такі реакції.

а) із солями карбонатної жорсткості, як приклад:

2HR+ Ca(HCO₃) → CaR₂ + 2H₂O + CO₂

2HR + Mg(HCO₃)₂→ MgR₂ +2H₂O + CO₂; (2-57)

б) із солями постійної жорсткості, як приклад:

2HR + Ca(SO₄) → CaR₂ + H₂SO₄

2HR + CaSiO₃→ CaR₂ + H₂SiО₃

2HR + CaCl₂→ CaR₂ + 2HCl (2-58)

Кислоти H₂SO₄, HCl, H₂SiО₃ та вуглекислий газ СО₂ залишаються після Н-катіонітових фільтрів у розчині.

Нейтралізація кислот здійснюється лугом NaOH, який утворюється в результаті розкладу NaHCO .

Для цього потоки води після Na- і Н- катіонітових фільтрів необхідно змішати.

Карбонатна жорсткість води видаляється повністю.

Відновлення іонообмінної здатності катіоніту в Н-катіонітових фільтрах здійснюють 1%-м розчином сірчаної кислоти Н₂SO₄. В результаті відбуваються реакції відновлення катіоніту:

CaR₂ + H₂SO₄→CaSO₄ + 2HR,

MgR₂ + H₂SO₄→ MgSO₄ + 2HR. (2-59)

Швидкості фільтрації в Н-атіонітових фільтрах такі ж, як і в Na-катіонітових. Швидкість регенераційного розчину має бути не меншею 10м/год, щоб запобігти гіпсуванню катіоніту (СаSO₄–гіпс).

Витрати кислоти на приготування регенераційного розчину складає 50-150 г/ , залежно від жорсткості і солевмісту висхідної води.

Застосовують послідовне або паралельне одно- чи двоступеневе Н-Na катіонування. Послідовне Н-Na катіонування застосовують при підвищеній жорсткості і солевмісту висхідної води.

в) Амоній катіонування води.

При застосуванні Н-катіонування є обов’язковим обладнання кислотного господарства для зберігання H₂SO₄, приготування регенераційного розчину, його зберігання в кислотостійких баках, наявності кислототривких насосів, трубопроводів і т.п.

Все зазначене збільшує капітальні витрати та ускладнює експлуатацію хімводоочистки. В промислових котельних і ТЕЦ замість Н-катіонування застосовують NH₄ (амоній)- катіонування води.

Катіоніт в NH₄-катіонітних фільтрах має формулу (NH₄)R і при проходженні води через нього відбуваються такі реакції:

а) із солями карбонатної жорсткості:

2(NH₄)R + Ca(HCO₃)₂ → CaR₂ + 2NH₄HCO_3,

2(NH₄)R + Mg(HCO₃)₂ →MgR₂ + 2NH₄HCO_{3; (2-60)}

б) із солями постійної жорсткості (як приклад):

2(NH₄)R + CaSO₄ → CaR₂ + (NH₄)₂SO_4,

2(NH₄)R + MgCl₂ → MgR₂ + 2NH₄Cl,

2(NH₄)R + CaSiO₃ → CaR₂ + (NH₄)₂SiO_{3. (2-61)}

Таким чином у зм’ягченій воді появляються солі амонію і вона не є кислою.

В котлі під дією високої температури відбуваються реакції розкладу утворених в катіонітовому фільтрі солей амонію, а саме:

NH₄HCO₃ → NH₃ + CO₂ + H₂O

(NH₄)₂SO₄ → NH₃ + H₂SO₄

NH₄Cl → NH₃ + HCl (2-62)

Аміак, NH₃, і вуглекислий газ, CO₂, видаляються з котла з парою, а кислоти H₂SO₄ і HCl накопичуються в котловій воді, що приведе до корозії металу елементів котла.

Тому NH₄-катіонування застосовують лише разом з Na-катіонуванням.

Тоді одержаний в результаті розкладу NaHCO₃ луг NaOH та наявна у воді сіль Na₂CO₃ реагують з кислотами, які з'явились у воді в результаті розкладу солей амонію, а саме:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O,

Na₂CO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O + CO_{2. (2-63)}

Утворені в котлі NaCl і Na₂SO₄ у вигляді шламу видаляються з продувною водою з нижніх точок котла (періодична продувка).

Регенерацію NH₄-катіонітових фільтрів здійснюють 2-3% розчином сульфату амонію, (NH₄)₂SO₄. Його витрата складає 200 г/г-екв жорсткості висхідної води.

Обмеженням у застосуванні NH₄-катіонування може стати наявність у парі аміаку, якщо йдеться про використання цієї пари в тепловикористовуючих установках, поверхня нагріву яких виконана з кольорових металів (мідь, латунь).