Контроль процесса Н – катионирования воды при помощи значения удельной электропроводности воды

И.А. Тихонов

Н – катионирование воды производится для замещения всех катионов, содержащихся в воде на катионы водорода (Н⁺). В результате на катионообменной смоле в Н — форме происходят следующие реакции:

 

Ca(HCO₃)₂ +2HR <-> CaR₂ + 2H₂CO₃

Mg(HCO₃)₂ + 2HR <-> MgR₂ + 2H₂CO₃

NaHCO₃ + HR <-> NaR + H₂CO₃

 

CaCl₂+ 2HR <-> CaR₂ + 2HCl

MgCl₂+ 2HR <-> MgR₂ + 2HCl

NaCl + HR <-> NaR + HCl

 

CaSO₄ + 2HR <-> CaR₂ + H₂SO₄

MgSO₄ + 2HR <-> MgR₂ + H₂SO₄

Na₂SO₄ + 2HR <-> 2NaR + H₂SO₄

 

Как видно, в результате замещения катионов на водород в воде присутствуют только сильные кислоты. В данном случае серная и соляная кислота. Образующаяся угольная кислота перейдет в газообразный диоксид углерода, т.к. в воде присутствуют сильные кислоты.

Очевидно, что количество ионов в воде после Н-катионирования станет меньше на величину изначального бикарбоната. Т.к. бикарбонат удалится в виде углекислого газа. Но как при этом поведет себя электропроводность воды.

Сразу можно сказать, что электропроводность обработанной воды вырастит, т.к. ион водорода имеет значительно большую подвижность чем все остальные катионы. Но как будет уменьшаться электропроводность обработанной воды, когда в нее будет проскальзывать катион натрия. Именно наличие натрия в обработанной воде говорит о необходимости регенерации катионита.

Проведем реальный эксперимент.

Будем пропускать воду через Н-катионитовый фильтр.

Исходная вода имеет следующий состав:

1. Жесткость – 1,5 ммоль/л (1,5 мг-экв/л)
2. Натрий – 0,98 ммоль/л (0,98 мг-экв/л)
3. Бикарбонат ион – 1,9 ммоль/л (1,9 мг-экв/л)
4. Сульфат ион – 0,72 ммоль/л (1,44 мг-экв/л)
5. Хлорид ион – 0,64 ммоль/л (0,64 мг-экв/л)
6. Электропроводность – 409 µS/cm
7. рН – 7,0

В результате Н-катионирования электропроводность воды определялась только серной Н₂SO₄ и соляной HCl кислотами. При этом концентрация серной кислоты эквивалентно равна концентрации сульфата в исходной воде и соответственно концентрация соляной кислоты равна эквивалентно равна концентрации хлорида.

Получаем, что в обработанной воде содержится:

Н₂SO₄  — 0,72  ммоль/л

HCl – 0,64 ммоль/л.

Измеренная электропроводность обработанной воды получилась равной 839 µS/cm.

Разработанная мной программа расчета значения электропроводности для воды, содержащей несколько ионов показала расчетное значение электропроводности равное 837 µS/cm. Расчетное значение электропроводности для исходной воды равно 410 µS/cm, при том, что измеренное 409 µS/cm.

Принципы расчета электропроводности природной воды изложены в статьях:

https://tiwater.info/en/the-influence-of-ion-composition-of-water-on-its-electrical-conductivity/

https://tiwater.info/en/the-method-of-controlling-the-process-of-ion-exchange-water-softening/

В процессе эксперимента значение электропроводности обработанной воды продолжительное время держалось в диапазоне 841-837 µS/cm. Затем электропроводность воды начала падать. Падение электропроводности воды связано с тем, что в обработанную воду начал попадать натрий, который не успел обменяться на водород ввиду истощения катионита по водороду.

Т.к. натрий имеет гораздо меньшую подвижность чем водород он значительно медленнее переносит электрический заряд и соответственно электропроводность воды падает. Чем больше в обработанной воде натрия, тем меньше ее электропроводность.

Ввиду сложности в определении небольшого количества натрия в обработанной воде мною при помощи разработанной программы расчета была смоделирована зависимость значения электропроводности обработанной воды от концентрации натрия в обработанной воде. Данная зависимость представлена на рисунке 1. На том же рисунке представлена зависимость электропроводности той же обработанной воды от измеренного значения рН. Значения рН измерялись при каждом конкретном значении электропроводности.

Рисунок 1

Для подтверждения правильности работы программы расчета при значении электропроводности воды 374 µS/cm и рН — 6,54 был взят анализ воды на щелочность и жесткость. Программа расчета предсказывала в обработанной воде концентрацию солей жесткости равную 0,2 ммоль/л и концентрацию бикарбоната равную 1,3 ммоль/л. В результате анализа концентрация солей жесткости составила 0,4 ммоль/л и концентрация бикарбоната 1,33 ммоль/л.

Результаты анализов практически полностью подтвердили расчетные данные.

Так же программа расчета предсказывала наименьшую электропроводность воды равную 262 µS/cm. Реальные измерения показали наименьшую электропроводность равную 268 µS/cm. Данные незначительные различия можно отнести к погрешности в определении эквивалентной электропроводности отдельных солей при различных концентрациях, а не к методологии, используемой в программе расчета. Фактически незначительная ошибка возникает из-за отсутствия учета влияния ионных пар на электропроводность, а точнее не влияния. Исследование образования ионных пар есть отдельная, очень интересная тема объясняющая аномальное поведение солей 2:2 при растворении в воде.

Наименьшая электропроводность обработанной воды достигается, когда в воде полностью исчезают сильные кислоты и начинается образование бикарбонатов. Когда начинают образовываться бикарбонаты значение рН воды полностью определяется только углекислотой.

В результате, когда концентрация бикарбоната стала равной начальной концентрации значение рН стало равное начальному значению 7,0, но при этом в качестве катионов преобладал натрий. В этом случае электропроводность воды составила 421 µS/cm. При этом электропроводность исходной воды составляла – 409 µS/cm. Полностью истощенный Н-фильтр начал работать как Na – катионитовый фильтр.

На рисунке 2 представлена расчетная зависимость электропроводности обработанной воды от концентрации натрия в обработанной воде. Эта та же зависимость, что и на рисунке 1 только взятая при более крупном масштабе.

Рисунок 2

Как видно, при концентрации натрия в фильтрате равном 0,01 ммоль/л (0,23 мг/л) значение электропроводности меняется от 837 до 834 µS/cm. Это незначительное изменение может быть воспринято как допустимые колебания при условии незначительного изменения электропроводности исходной воды. Но при концентрации натрия 0,05 ммоль/л электропроводность равна 823 µS/cm. Разница составляет 14 µS/cm, что вполне может быть надежно зафиксировано.

Таким образом, контроль установки Н-катионирования воды используемой в качестве первой ступени подготовки вполне возможен при условии достаточно стабильного ионного состава исходной воды.

Необходимо отметить, что измерения электропроводности исходной и обработанной воды лучше производить одним датчиком электропроводности