Среди множества способов борьбы с накипью, при которых используют термический, реагентный методы, метод ионного обмена, диализ, магнитная обработка или их комбинации, наиболее распространенным в настоящее время является замещение ионов Ca2+ и Mg2+ на безвредные Na+ и H+, получивший название натрийкатионирования. В основе метода лежит способность фильтрующего материалаионита забирать из воды определенные ионы в обмен на эквивалентное количество собственных противоионов. Ионообменная смола состоит из зерен, в состав которых входят функциональные группы (матрицы), удерживающие катионы с более низкой динамической активностью, чем ионы, предполагаемые к удалению из раствора электролита (воды). При попадании в раствор частицы ионита впитывают воду и разбухают, приходя в рабочее состояние. Процесс ионного обмена протекает вследствие разности концентраций воды внутри и снаружи зерна смолы, которое в данном случае выступает в качестве мембраны. Как известно, разница в концентрациях заряженных частиц по разные стороны мембраны приводит к возникновению мембранной разности потенциалов, называемой также потенциалом Доннана. Энергия вхождения различных катионов в катионит и замещения в нем противоионов зависит от их валентности, а при одинаковом заряде — от интенсивности гидратации. Из всего объема химических элементов и соединений, проникающих в зерно, задерживаются в нем только те, которые смогли вступить в прочную связь с функциональной группой. Этим и объясняется многообразие вариантов фильтрационной загрузки и ее специализация, т.е. эффективность использования по отношению к тем или иным примесям. На рис. 1 показан ряд активности некоторых металлов и соединений, участвующих в процессе ионного обмена. Поскольку натрий обладает наименьшими показателями, именно он обычно входит в состав функциональной группы катионита, используемого для умягчения воды. Ионы диффундируют через мембрану до тех пор, пока не установится электрохимическое равновесие. После чего начинается фаза т.н. «проскока» в фильтрат катионов жесткости. Данная стадия продолжается до момента уравнивания жесткости фильтрата с жесткостью исходной воды. На наружной поверхности омываемой частицы ионообменной смолы в процессе фильтрации образуется тонкая водяная пленка. Скорость ионообмена зависит от скорости диффузии катионов жесткости через пленку. Скорость диффузии зависит, в свою очередь, от нескольких факторов: 1. Структура зерна. Важную роль в ионообменном процессе играет отношение площади обменной поверхности к размеру зерна. В компактных частицах ионный обмен протекает на поверхности (экстрамицеллярный обмен), что повышает скорость фильтрации, но ограничивает площадь обменной поверхности. В частицах с развитой структурой и диаметром пор, превышающим размер гидратированных катионов, ионный обмен происходит как на внешней, так и на внутренней поверхностях (интермицеллярный обмен). Это замедляет фильтрацию, зато позволяет обойтись меньшим количеством катионата за счет более полноценного использования. В зависимости от размера пор выделяют следующие виды катионитов: изопористые (смола с однородной структурой), макропористые (представляют собой губчатую структуру с диаметром пор, превышающим молекулярный размер) и гетеропористые (это гелевидная структура с небольшими порами). На основании структуры засыпки определяют рабочую и полную обменную емкости катионита, выражающую количество задержанных катионов [гэкв/л] на 1 м3 катионита в рабочем состоянии до момента проскока в фильтрат катионов жесткости и до уравнивания жесткости фильтрата с жесткостью исходной воды соответственно (рис. 2). Важное значение имеет также насыпная плотность, т.е. отношение величины частицы катионита в сухом (товарном) и разбухшем (рабочем) состоянии, а также абсолютные размеры этих частиц. Мелкозернистый катионит обладает менее развитой поверхностью по сравнению с крупнозернистым, зато с увеличением размеров зерна уменьшается гидравлическое сопротивление и, соответственно, возрастает скорость фильтрации. Оптимальным размером принято считать размеры зерен 0,3–1,5 мм. 2. Химический состав зерна. Ассимиляция различных катионов из электролита функциональной группой ионообменной смолы зависит от фракционного состава загрузки. Катиониты подразделяются на минеральные и органические, которые, в свою очередь, могут иметь естественное или искусственное происхождение. Матрица может содержать амины, оксиды, гидроксиды, карбонаты, силикаты; сульфатные, фосфорные, фенольные, карбоксильные группы; природные минералы и другие соединения. Ионообменная смола состоит из однотипных (монофункциональные) или различных (полифункциональные) матриц. Подвижные заряды групп могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. В первом случае смола обладает катионообенными свойствами, во втором — анионообменными. 3. Температура исходного раствора. С одной стороны, повышение температуры обрабатываемой воды способствует снижению ее вязкости, что улучшает кинетику ионообмена. С другой стороны, нагрев в сочетании с высокой щелочностью или кислотностью может приводить к пептизации (превращении в коллоидный раствор) катионита, в результате чего он теряет способность к ионному обмену. Универсальной рекомендацией в данном случае может служить соблюдение предписаний, касающихся диапазонов температуры и pH фильтруемой среды, поскольку для каждого материала они могут значительно различаться. 4. Содержание механических примесей. Взвешенные частницы, содержащиеся в фильтруемой воде, могут загрязнять и блокировать диффузные пути зерен ионита, снижая его фильтрующую способность. Это накладывает определенные ограничения на качество исходной воды: содержание взвеси не может превышать 8 мг/л, а цветность — 30 °. Поэтому в системе водоподготовки ступень умягчения ставят после механической фильтрации. 5. Скорость протока. Толщина обволакивающей частицу ионита водяной пленки тем тоньше, чем выше скорость протока. А она, в свою очередь, связана с давлением воды на входе, а также размером зерен смолы. Процесс фильтрации Фильтруемая жидкость обычно подается в колбу с ионообменной смолой сверху вниз, при этом ионный обмен между электролитом и катионитом заканчивается на определенной глубине. По мере истощения обменных свойств катионита рабочий слой постепенно смещается вниз, пока не достигнет дна емкости. Все это время жесткость фильтрата сохраняется постоянной. Скорость фильтрования обычно составляет 10–25 м/ч.Процесс ионного обмена в натрий-катионитовых фильтрах описывается следующими уравнениями: где K — функциональная группа. После совмещения нижней границы рабочей зоны с нижней границей засыпки в фильтрат начинают проскакивать неотфильтрованные ионы из исходного раствора, в связи с чем остаточная жесткость повышается и в конце концов достигает значения предельной жесткости фильтрата, что свидетельствует об истощении катионита и необходимости регенерации. Восстановление фильтрующей способности катионита проходит в несколько этапов: взрыхление смолы обратным потоком обработанной воды (10–15 минут, 3–4 л/с?м2), слив излишков воды для предотвращения разбавления реагента, фильтрация регенерирующего раствора прямым потоком через катионит (одиндва часа, 3–5 м/ч), отмывка катионита от реагента нефильтрованной водой (полчаса-час, 8–10 м/ч). Регенерация натрий-катионитовых фильтров-умягчителей проводится обычно 5–8 %м раствором хлористого натрия, получившего широкое распространение вследствие низкой стоимости и хорошей растворимости полученных в результате регенерации солей. Процесс регенерации описывается следующим уравнением: Отмывка катионита после взрыхления происходит до тех пор, пока содержание хлоридов в фильтре не сравняется с отмывочной водой. Удельный вес воды на отмывку составляет около 4–5 м3 на кубометр смолы. При высоких значениях жесткости натрийкатионирование можно проводить в два этапа — первый позволяет умягчать воду до 0,05–0,1 мгэкв/л, второй — до 0,01 мгэкв/л. Отмывку катионита второй ступени производят фильтратом первой ступени. В современной практике при невысокой жесткости или отсутствии необходимости в глубоком умягчении применяют также частичное умягчение, когда фильтрации подвергается лишь часть общего объема, после чего необработанный проток и фильтрат объединяются вновь. Вычисление необходимого объема катионита Основной задачей, которую требуется решить при подборе необходимого фильтра для умягчения — это определение объема загрузки Vк [м3]. Он зависит от качества исходной воды, интенсивности протока, характера работы установки, особенностей выбранного катионита и выражается формулой: где Q — расход воды через фильтр, м3/ч; Жо — общая жесткость исходной воды, гэкв/м3; n — число регенерацийфильтра в течение суток, обычно принимают n ? 3; epNa — рабочая обменная емкость смолы, гэкв/м3, которую можно определить, используя данные из СНиП 2.04.02–84 [1, приложение 7] и технической документации к катиониту: где ?эNa — коэффициент эффективности регенерации, зависящий от расхода реагента; ?Na — коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по Ca2+ и Mg2+ вследствие частичного задержания катионитов Na+; Eп — полная обменная емкость катионита, гэкв/м3; qу — удельный расход воды на отмывку смолы, м3/м3. Подставив (2) в (1), получим общую формулу для расчета объема загрузки: На основании полученных данных происходит подбор корпуса фильтра, объема бака для реагента, а также на определение режима фильтрации. Рассмотрим несколько примеров. Пример 1 Произведем расчет фильтрационной установки для жилого дома с расходом воды 9 м3/мес., что составляет в среднем Q = 0,0125 м3/ч. Общая жесткость исходной воды, согласно анализу, равна 10,2 гэкв/м3.Режим водопотребления — неравномерный, с пиковыми расходами утром и вечером и минимальным расходом в ночное время, поэтому предлагается выполнять регенерацию один раз в сутки (ночью), т.е. n = 1. По [1] вычисляем ?эNa: Значение коэффициента ?Na принимаем как 0,83, значение qу = 6 м3/м3 [1]. В качестве катионита выбираем смолу Lewatit S 1428 (сильнокислотный гелеобразный катионит на основе сшитого полистирола) с общей обменной емкостью по паспорту Eп = 2000 гэкв/м3. Затем подставляем исходные данные в формулу (3): В связи с тем, что самый маленький корпус, комплектуемый блоками управления, вмещает 8 л ионообменной смолы, имеет смысл организовать регенерацию не один раз в сутки, а вдвое реже, т.е. один раз в два дня: n = 0,5. Пересчитываем Vк согласно скорректированным данным: Этому объему смолы соответствует корпус 0817, поэтому можно рекомендовать заказчику установку малогабаритную автоматизированную установку типа «кабинет» Cab…560 с корпусом данного типа (табл. 1). Пример 2 Рассчитаем установку умягчения, способную обеспечить жилой многоквартирный дом с расположенным на первом этаже предприятием общественного питания. Характер водопотребления и расход: 6:00–22:00 — 2,8 м3/ч, в остальное время суток — 1 м3/ч. Жесткость воды — 8,5 гэкв/м3. Так как в ночные часы потребление воды обычно падает в 2,8 раза, для обеспечения беспрерывной работы лучше поставить два корпуса, работающих параллельно, т.е. для каждого из корпусов: Регенерация будет производиться один раз в сутки ночью, сначала у одного фильтра, потом у другого: n = 1. Коэффициент ?эNa = 0,668 вычисляем аналогично первому примеру, коэффициент ?Na = 0,81 [1], параметры qу = 6 м3/м3 и Eп = 2000 гэкв/м3 также возьмем из того же приведенного выше примера 1. Подставляем эти данные в (3): Такому объему смолы соответствует корпус 2469, поэтому рекомендуем клиенту установку на базе этого корпуса (табл. 2, рис. 3). 1. СНиП 2.04.02–84 (изм. 1986, попр. 2000). Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. 2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учеб. пос. для ВУЗов. — М.: Изд-во МГУ, 1996. 3. Интернет-портал www.litwater.ru. 4. Фильтрующие загрузки. Материал с сайта www.ecoservise.ru. 5. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. Учебник химического факультета МГУ. — М.: Химия, 2001. 6. Большая советская энциклопедия нефти и газа: www.ngpedia.ru.