В технологии водоподготовки применяются два основных процесса для удаления из воды ионизированных примесей: катионирование и анионирование. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрий-катионирование, натрий-катионитный фильтр; H (водород)-катионирование, H-катионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитныйт фильтр. Полученная в этих процессах вода соответственно называется: Na-катионированная вода, H-катионированная вода, OH-анионированная вода. Процесс Na-катионирования имеет самостоятельное значение и используется для умягчения воды, в то время как процессы H- и OH-ионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды.

Na-катионирование. - этот процесс применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, обуславливающие жесткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na⁺. Остаточная жесткость фильтра при Na-катионировании может быть получена при надлежащих условиях регенерации фильтра на уровне 5 – 10 мкг-экв/дм³, что является определяющим при реализации этого процесса

Процесс умягчения ухудшается при наступлении проскока жесткости, после чего истощенный катионит в фильтре необходимо регенерировать, восстановить его способность к обмену ионами. Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 – 10 % раствором NaCl. Вследствие относительно большой концентрации ионов Na⁺ в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком NaCl. При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован верхний слой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном растворе ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенеранта ионами Na⁺. Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической NaCl ионами Ca²⁺ и Mg²⁺.

Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора ограничивают пределами 4 - 6 м/ч при высоте слоя катионита 1.5 - 2.0 м. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям работы фильтра.

Процесс регенерации натрий катионитных фильтров состоит из следующих циклов:

Цикл 1 - Взрыхление обратным током воды. Неочищенная вода снизу слоя фильтрующей засыпки в направлении, противоположном току воды, взрыхляет ("поднимает") её и вымывает накопленные механические загрязнения. Загрязненная вода поступает в дренаж.

Цикл 2 - Концентрированный регенерационный раствор поступает через засасывающую линию проходит через фильтрующую засыпку, химически восстанавливает её фильтрующую способность. Далее отработанный регенерирующий раствор поступает в дренаж.

Цикл 3 - Обработка прямая промывка – сброс промывной воды и уплотнение загрузки. Назначение данной промывки - сбросить в дренаж остаток загрязнений и первую порцию чистой воды. Кроме того, прямая промывка за счет большой скорости потока воды несколько уплотняет слой фильтрующей среды.

Цикл 4 - В этом цикле бак для хранения регенерирующего раствора заполняется входной водой, при этом уровень раствора растет заданной или максимальной отметки. Уровень воды в баке задается либо блоком управления фильтра, либо срабатыванием запирающего поплавкового клапана. Сначала раствор имеет малую концентрацию регенерата, но, по мере его растворения, концентрация достигает максимума.

H-катионирование. Обработка воды методом H-катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода Н⁺. Вода за H-катионитными фильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na-катионированием или анионированием.

В работе H-катионитного фильтра можно выделить два основных периода:

1. Полное поглощение всех катионов.

2. Появление нарастающей концентрации иона Na⁺. В этот период концентрация иона Na⁺ постепенно возрастает, а кислотность начинает снижаться за счет уменьшения количества вытесняемых ионов H⁺. К моменту достижения начального содержания иона Na⁺ в исходной воде его поглощение прекращается, но происходит обмен в катионите ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ исходной воды на сорбированный катионитом ион Na⁺ до его полного вытеснения. В этот момент появляется проскок жесткости.

Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов кислотность фильтрата после проскока ионов Na⁺ сначала уменьшается и достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая исходных значений при обмене ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на Na⁺. Эффект умягчения воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Na-катионировании.

Работа фильтра до проскока ионов Na⁺ или ионов жесткости зависит от технологической схемы его использования, соответственно изменяется его рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na⁺ или жесткости.

Для регенерации истощения H-катионита используется H₂SO₄ концентрацией 1.0 - 1.5%, регенерации характеризуется следующими реакциями:

• R2Ca + nH⁺ → 2RH + Ca²⁺ + (n - 2)H⁺.        

• R2Mg + nH⁺ → 2RH + Mg²⁺ + (n - 2)H⁺,      

• RNa + nH⁺ → RH + Na⁺ + (n - 1)H⁺.    

Ограничение концентрации раствора H₂SO₄ связано с возможностью выделения на зернах регенерируемого катионита трудно растворимого CaSO₄. Следующим мероприятием для борьбы с загипсовыванием катионита является ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом, что реализуется на практике увеличением скорости пропуска 1.5% раствора H₂SO₄ до не менее 10 м/ч.

Значения оптимального удельного расхода серной кислоты в зависимости от содержания в исходной воде Cl^- и SO₄^2- ионов, определяющих величину противоионного эффекта, применительно к H-катионитным фильтрам 1 ст. при параллельном токе и противотоке. Помимо экономии серной кислоты, при противотоке снижается содержание ее в сбросных регенерационных водах, что облегчает нейтрализацию сбросов.

Анионирование воды - ведется с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксила ОН^-. При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в обмен на ионы ОН^- и Н⁺, осуществляется химическое (ионитное) обессоливание воды.

Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот H₂CO₃ и H₂SiO₃ и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов:

• ROH + H⁺ + HCO^3- → RHCO³ + H₂O,     

• ROH + H⁺ + HSiO₃ « RHSiO₃ + H₂O.      

С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов, а также способности только последних сорбировать анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный анионит, удаляющие ионы SO₄^2- и Cl^- на второй ступени в фильтры загружается сильноосновный анионит, предназначенный для обескремнивания воды.

Согласно ряду селективности в анионитном фильтре 1 ступени первыми проскакивают в фильтрат ионы Cl^-, поэтому время выхода на регенерацию этого фильтра сопоставляют с концентрацией хлоридов; отключение анионитных фильтров 2 ступени на регенерацию проводят на основании контроля фильтрата по кремнекислоте.

Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

• RCl + nOH^- → ROH + Cl^- + (n - 1)OH^-,   

• R₂SO₄ + nOH^- → 2ROH + SO₄^2- + (n - 2)OH^-,     

• RHCO₃ + nOH^- → ROH + HCO₃^-  + (n - 1)OH^-,  

• RHSiO₃ + nOH^- → ROH + HSiO₃^- + (n - 1)OH^-. 

Избыток щелочи при регенерации слабоосновных анионитов при поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/дм³. Для снижения удельного расхода щелочи регенерацию параллельно-точных анионитных фильтров 2 и 1 ступеней проводят последовательно, либо используют противоточную или ступенчатопротивоточную технологию.

Вода используется практически в каждом промышленном процессе, ее чистота и качество играет важную роль в производстве, поэтому к качеству воды предъявляются высокие требования.

Вода уникальна по составу в зависимости от источника и практически всегда требует обработки.