Деминерализация воды

Солесодержание воды

Вода из подземных источников содержит растворенные вещества различных видов, большинство из которых являются солями кальция, магния, натрия и калия, которые определяют так называемую «соленость» воды, которая варьируется в зависимости от типов горных пород и минералов, через слои которых проходит вода. Например, дождевая вода не имеет солености, морская вода, наоборот, имеет очень высокую соленость.

Есть также и другие, наиболее часто встречаемые случаи: грунтовые воды, родники, поверхностные воды (реки, озера и т. д.), которые могут иметь чрезвычайно изменчивую соленость (вода из горных источников имеет соленость сравнимую с дождевой водой, скважина рядом с морем может давать солоноватую воду, если есть инфильтрация и т. д.).

Соли, растворенные в воде, находятся в диссоциированной форме, то есть они «разбиты» на 2 части (ионы), одна из которых имеет положительный электрический заряд (называемый катионом), а другая - отрицательным электрическим зарядом (называемым анионом). Присутствие катионов и анионов означает, что вода является электрическим проводником, проводимость которого зависит от количества присутствующих ионов. Следовательно, хотя не все соли диссоциируют в равной степени, измерение электропроводности воды можно использовать в качестве параметра, показывающего с большим приближением общее солесодержание воды. Низкая электропроводность соответствует малой солености, высокая электропроводность указывает на присутствие большого количества растворенных солей.

Для устранения солености исопльзуют различные методы: дистилляцию, обратный осмос и т. д., особенности которых рассмотрены в соответствующих статьях. Этот материал посвящен методу деминерализации с помощью ионообменных смол.

Ионообменная смола для деминерализации

Ионообменная смола – это искусственно созданное органическое вещество, обладающие прерогативой наличия «мобильной» функциональной группы на инструментальной основе, называемой матрицей. Функциональная группа находится в химическом равновесии между матрицей смолы и ионами, растворенными в воде. В частности, смолы, называемые катионными, имеют функциональную группу, находящуюся в равновесии с катионами, а смолы, называемые анионными, имеют группу, находящуюся в равновесии с анионами. Это создает возможность обмена «ионами» между смолами и водой.

Катионная смола способна обмениваться ионами, если ее функциональная группа снабжена ионом натрия или ионом водорода. В первом случае смола способна обмениваться только с ионами кальция и магния, высвобождая ион натрия (Na +), и поэтому может использоваться для умягчения воды (см. RI 22); во втором случае смола может обмениваться со всеми присутствующими катионами, высвобождая ион водорода (H +). Таким образом можно получить декатионизированную воду, т.е. свободную от катионов и содержащую только кислоты (то есть анионы), относящиеся к растворенным солям.

Анионная смола может обмениваться анионами, если ее функциональная группа является гидроксидом (OH–); поэтому, если декатионизированная вода пропускается через анионную смолу, конечным результатом является вода, свободная от анионов и катионов и, следовательно, полностью свободная от солей (деминерализованная вода).

Химические формулы ионного обмена выглядят следующим образом:

Замещенную ионообменную смолу можно регенерировать, то есть восстановить ее первоначальную форму, используя баланс указанных реакций. Например, за счет значительного увеличения концентрации ионов H+ в реакции декатионизации, происходит смещение реакции влево, таким образом воспроизводя смолу в водородной форме и высвобождая катионы, которые присоединились к отработанной смоле. То же самое происходит с анионной смолой, увеличивая концентрацию ионов ОН-.

Поскольку ионы H+ характерны для кислот, а OH- – для щелочей, регенерация смол практически осуществляется путем пропускания раствора соляной кислоты (HCl) или серной кислоты (H₂S0₄) через катионную смолу и раствора каустической соды (NaOH) – через анионную смолу.

На практике процесс деминерализации является более сложным, чем кажется описанным, поскольку вмешиваются многочисленные факторы, прежде всего невозможность полного фиксирования всех катионов и анионов на смоле. Фактически, поскольку реакция обмена является равновесной, очевидно, что всегда будет происходить отрыв некоторых замещенных ионов от смолы и, следовательно, наличие остаточного солесодержания в деминерализованной воде.

Когда есть потребность в деминерализованной воде, необходимо указать ее качество, то есть максимальный предел допустимого солесодержания или электропроводности.

Таким образом, можно выбрать наиболее подходящую систему деминерализации для получения необходимого качества, в зависимости от показателей исходной воды. Фактически существуют различные типы как анионной, так и катионной смолы, с разными структурными, выходными, эксплуатационными характеристиками, которые можно использовать отдельно или в сочетании друг с другом:

Сильнокислотный катионит (CF)
Это смола, которая позволяет удалять любые присутствующие катионы. Она наиболее часто используются при деминерализации. Регенерируется сильной кислотой.

Слабокислотный катионит (Cf)
Данная смола обладает прерогативой задерживать только некоторые типы катионов, точнее бикарбонатных. Представляет интерес при обработке воды, содержащей значительные количества бикарбонатов, а так же в качестве буферной смолы, чтобы блокировать выход ионов натрия из прочной катионной смолы. Потребность в регенерации намного ниже, чем у сильнокислотного катионита.

Слабоосновной анионит (Af)
Обладает прерогативой удерживать только определенные типы анионов и поэтому используются в качестве промежуточной или конечной стадии, если удаление кремния и бикарбонатов не требуется. Его потребность в регенерации намного ниже, чем у сильноосновного анионита.

Сильноосновной анионит (AF)
Эта смола способна удерживать любой тип анионов, поэтому используется на заключительном этапе деминерализации.

Смешанный слой (LM)
это не что иное, как однородная смесь сильной катионной смолы и сильной анионной смолы, которая ведет себя как множество отдельных слоев, соединенных последовательно.

Линии деминерализации

Существует множество компоновочных вариантов установок ионного обмена, мы рассмотрим самые распространенные из них:

Линия CF +AF

Базовая линия состоит из слоя сильнокислотного катионита, за которым следует слой сильноосновного анионита (стандартная линия деминерализации с разделенными слоями), которые работают в соответствии с ранее описанным основным принципом.

На практике обычно получают воду, имеющую удельную электропроводность от 3 до 10 мкСм/см, содержание диоксида кремния от 0.05 до 0.5 мг/л и величину pH ≈ 7-9.
Такая линия наиболее проста и она позволяет получать деминерализованную воду, пригодную по самым разным назначениям.

Линия CF+AF +Cf

Вода, очищенная на линии с разделенными слоями, может быть дополнительно деминерализована для улучшения ее качества. Например, заключительный проход по слою слабокислотного катионита Cf позволит остановить практически все остаточные ионы натрия (таким образом, получив воду с нейтральным pH).

Смешанные слои LM

В отличие от линий с разделенными слоями ионита, смешанный слой отличается тем, что два сильных ионита (катионит и анионит) помещены в один баллон и тщательно перемешаны. Зерна смолы, лежащие друг с другом, могут рассматриваться как бесконечное множество последовательно соединенных катионов и анионов.

Для осуществления регенерации иониты повергаются гидравлическому разделению в ходе взрыхления ионообменного слоя. Более лёгкая анионообменная смола оказывается наверху, в то время как более тяжелый катионит опускается вниз.
После регенерации каждого слоя по-отдельности (каустический содой и сильной кислотой соответственно) слои промываются и заново перемешиваются сжатым воздухом.

В результате прохода через смешанный слой вода получатся очень высокой чистоты (удельная электропроводность менее 0,1 мкСм/см, содержание диоксида кремния – менее 0,01 мг/л) с нейтральным pH.

Недостатки метода смешанного слоя состоят в более низкой ионообменной способности и высокой сложности процесса. Поэтому линии со смешанным слоем могут использоваться для прямой обработки воды при условии невысокого уровня ее минерализации, но в основном используются в для последнего прохода воды в качестве ее доочистки.

Часто бывает, что вода, подлежащая деминерализации, содержит большое количество бикарбонатов по сравнению с общим количеством анионов, поэтому их удобно удалить химико-физическим методом, а не пропуская через анионную смолу. Фактически бикарбонаты находятся в равновесии с диоксидом углерода, который представляет собой газ, плохо растворимый в кислой среде. На выходе из слоя катионной смолы вода имеет явно кислый pH, и поэтому из нее легко удалить углекислый газ.

Удаление осуществляется в так называемой декарбонизационной колонне, в которой сверху подается вода, а снизу воздух. Декарбонизированная вода, которая теперь содержит лишь небольшую часть общего количества двуокиси углерода, собирается в резервуар в основании колонны и оттуда повторно запускается насосом на слой анионной смолы. Более высокая стоимость установки из-за колонны и вспомогательного оборудования (насосы, резервуар и т. Д.) Компенсируется меньшим количеством требуемой анионной смолы и, со временем, меньшим расходом регенеранта для нее.

Описанные линии деминерализации можно изменить, добавив колонны слабых смол (как анионных, так и катионных) в дополнение к стандартным колоннам. Они используются, когда требуется большое количество деминерализованной воды, поскольку более высокие затраты на установку легко окупаются за счет экономии регенерантов.