Умягчение воды методом ионного – обмена (катионно –обменная очистка воды)

Для того,чтобы происходил обмен катионов на ионно-обменный материал необходимо пропустить через катиониты реакторы NaCl, H₂SO₄, NH₄Cl,вследствие чего на катионитах образуются соответсвенно Na⁺, H⁺, NH₄⁺ -форма которой условно обозначается Na[K⁺], H[K⁺], NH₄ [K⁺]. Такая форма обозначения говорит о том какой катион будет обмениваться с катионами находящихся в очищенной воде.

Процесс обработки воды, основан на пропуске её через натриевую форму катионита для чего предварительно катионит обрабатывается поваренной солью NaCl, называют Na- катионирование.

Если через катионит пропускается серная кислота, то процесс умягчения называется Н-катионирование.

При пропуске обрабатываемой воды, содержание катионов Ca²⁺и Mg²⁺через катионит, находящихся в Na-форме протекают реакциями обмена ионов Ca²⁺и Mg²⁺на Na⁺.

2Na[Kat]+CaCl₂→Ca[Kat]+2NaCl (1)

Na[K]+MgCl₂<=> Mg[K]+NaCl (2)

2Na[K]+MgSO₄<=>Mg[K]+Na₂ SO₄ (3)

Ca(HCO₃)₂+Na[K]<=>Ca[K]+2NaHCO₃ (4)

Если в воде много ионов Nа⁺,то реакция пойдет в обратном направлении и она проходит тем полнее, чем выше концентрация Na в растворе и это так называемый противоионный эффект.

↓исходная вода

Са2+,Mg2+

Na[K]-

Са,Mg,Na

↓Na⁺

Энергия вхождения различных катионов в катионит зависит от их заряда, чем выше заряд катиона, тем больше его энергия вхождения.

H⁺>Ca ²⁺>Mg²⁺ >Fe ³⁺>Al ³⁺>K ⁺>NH₄⁺ >Na⁺

Причем энергия вхождения иона водорода в катионит в 17 раз больше, чем у Na и в 4 раза больше, чем у Са²⁺.

Как видно из уравнения (1)-(4) удаляются катиониты Ca²⁺ Mg²⁺ и поступают обрабатываемую воду ионы Na. Анионный состав воды при этом не изменяется, причем обмен ионов Са и Mg на ион Na происходит в эквивалентном отношении.

2,0 3,0 1,5

Ca2+	Mg2+	Na+K
HCO3	Cl-	SO42+

Ca,Mg	Na+
HCO7-	Cl-	SO42-

2,5 3,0

До Na[K] 0,01 6,49

2,5 3,0 1,0

После Na[K]

При H[K] воды происходит следующие реакции.

2 H[K]+Ca(HCO₃)₂<=>Ca [K]+H₂CO₃→(H₂O и CO₂) (5)

2 H[K]+ CaCl→ Ca[K]+2HCl (6)

2 H[K]+MgSO₄→ Mg[K]+H₂SO₄ (7)

2 H[K]+NaHCO₃→Na [K]+H₂CO₃→(H₂O и CO₂) (8)

При Н-катионирование природных вод в воде содержаться только кислоты, при этом кислотность получается равной суммарной концентрации Cl^- и SO₄²⁺ в обработанной воде. Такой метод в умягчении воды используется редко и чаще в виде процесса с Н-«голодной» регенерации.