Физико-химические основы сатурации воды
Умягчение воды.
Вода с жесткостью, превышающей 6 мг-экв/л, подвергается умягчению. Умягчение производится для изменения солевого состава воды или для ее обессоливания. Прогрессивным способом водоумягчения является ионообменный. Основой этого способа являются реакции ионного обмена между солями воды и ионитами. Иониты - нерастворимые в воде гели органического и неорганического происхождения, предварительно насыщенные ионами, способными к обмену. В зависимости от иона, вступающего в обменные реакции, иониты подразделяются на катиониты и аниониты. В катионитах обменивающимся ионом является катион, в анионитах - анион.
Для водоумягчения используют катиониты, в которых обменивающимся ионом является ион натрия Na+ или ион водорода Н+. При фильтрации жесткой воды через катиониты катионы кальция Са2+ и магния Mg2+ солей жесткости воды обмениваются на ионы натрия или водорода и вода умягчается.
При Na+-катионитовом умягчении солевой состав воды изменяется согласно такой реакции: 
где R - сложный комплексный аннон катионита.
Из приведенного уравнения видно, что при Na+-катионировании все соли кальция и магния превращаются в легкорастворимые соли натрия. Бикарбонаты кальция и магния соответственно превращаются в бикарбонаты натрия, вследствие чего возрастает щелочность воды.
При Н+-катионитовом умягчении воды реакция ионного обмена представляется следующим уравнением: 
При Н-катионировании соли карбонатной жесткости разрушаются: вместо солей некарбонатной жесткости образуются кислоты и соответственно повышается кислотность воды.
Реакции катионирования гетерогенны, обратимы и подчиняются закону действия масс.
В период зарождения ионообменного способа умягчения воды в качестве катионитов использовался природный ферроалюмосиликат-глауконит KMg(FeAl)3Si6O183H2O или искусственный цеолит-пермутит. В настоящее время созданы высокоэффективные искусственные иониты - сульфоуголь и синтетические ионообменные смолы.
Сульфоуголь - продукт обработки дробленых коксующихся каменных углей концентрированной серной кислотой при высокой температуре с последующей промывкой и сушкой. При этом образуются нерастворимые сульфокислоты и сложные карбоновые кислоты. Способность сульфоугля к катионному обмену обусловливает водород групп - SO3H+ и - СOOН+.
Синтетические катионитовые смолы являются высокополимерными органическими веществами типа пластмасс. По своей химической природе это поливалентные кислоты. Они обладают большой реакционной способностью благодаря развитой поверхности и тем активным группам, которые в них вводятся в процессе синтеза. Активность к обмену катионитов проявляют группы - SO3H+, СOOН+ и - ОН+.
Качество ионитов определяется ионообменной способностью, химической и термической стойкостью, механической прочностью, степенью набухания, постоянством гранулометрического состава, отсутствием растворимых примесей.
Основной характеристикой умягчающих свойств ионитов является обменная емкость (емкость поглощения), которая выражается числом грамм-эквивалентов катионов, поглощаемых 1 м3 катионита. Например, при обменной емкости катионита 178,0 г-экв/м3 1 м3 его может умягчить 100 м3 воды с начальной жесткостью 2,14 мг-экв/л до остаточной жесткости 0,36 мг-экв/л; таким образом, при этом 1 м3 катионита поглощает 214 - 36 = 178 г-экв солей, что в пересчете на СаО составит 178 28 = 4984 г (около 5 кг) солей жесткости.
Различают полную и рабочую обменную емкость. Полная обменная емкость соответствует максимально возможному насыщению катионита солями жесткости; рабочая обменная емкость соответствует практически целесообразному насыщению катионита, при котором достигается наиболее высокая степень умягчения воды; при более высоком насыщении катионита солями жесткости степень умягчения воды резко снижается. Обычно катиониты характеризуют рабочей обменной емкостью, равной 75-85% полной емкости.
Обменная емкость катионитов в значительной степени зависит от их способности к набуханию. Набухание способствует проникновению реагирующих веществ в частицы смолы.
В процессе водоумягчения постепенно все Na+ и Н+-ионы катиона замещаются ионами Са2+ и Mg2+. В результате катионит истощается, теряет способность умягчать воду. Для восстановления умягчающей способности катионит подвергают регенерации. Этот процесс основан на обратимости реакций ионного обмена. При Na+-катионитовом умягчении катионит обрабатывается 5-8%-ным раствором поваренной соли, при Н+-катнонировании - 1,5%-ным раствором серной кислоты.
