Ионный обмен

Ионный обмен — это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими. Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ — нерастворимых в воде гранулированных веществ, имеющих в составе кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами. В качестве ионообменных материалов, называемых часто смолами, используются природные и синтетические вещества.

В технологии очистки воды ионный обмен обычно используют с целью умягчения воды (выделения из воды солей жесткости — кальция и магния) и обессоливания.

Из природных ионообменных материалов, применяемых для умягчения, наиболее известен глауконитовый песок, а из искусственных — сульфоуголь, катиониты КУ-1, КУ-2, СБС, КБ-4 и др.

Обменная емкость природных катионихов (ионообменных веществ, извлекающих катионы) составляет 125— 150 г-экв/м3. Искусственные катиониты имеют обменную емкость 400—600 г-экв/м3, но есть смолы и с емкостью до 2800 г-экв/м3.

Основная реакция умягчения жесткой воды имеет вид

2NaR + Ca2+ CaR + 2Na+

здесь символом R обозначена нерастворимая часть катионита, условно принятая двухосновным ионом.

Реакция обратима: в прямом направлении она символизирует извлечение из воды ионов жесткости (здесь кальция), а в обратном — регенерацию ионита раствором, например хлорида натрия.

В результате обменных реакций в воде появляются натриевые соли, не являющиеся солями жесткости. В то же время содержание бикарбонат-ионов не изменяется, и поэтому щелочность воды остается без изменений. Общее солесодержание несколько возрастает, так как каждый ион кальция с атомной массой 40,08 заменяется двумя ионами натрия, масса которых больше: 2·22,99 = 45,98; замена магния, если и она проходит по аналогичному уравнению, приводит к еще большему увеличению солесодержания.

После того как обменная емкость катионита исчерпана, катионитовый фильтр подвергают регенерации — восстановлению его обменных свойств. Na-катионит восстанавливают концентрированным раствором NaCl (от 2 до 10%). Если катионит регенерировать раствором кислоты, то получится катионит в Н-форме. Н-катионитовый фильтр позволяет получить воду, лишенную солей кальция и магния, по той же схеме, что и для Na-катионита. При этом в воде появляются кислоты HCl или H2SO4 в количестве, равном концентрации их анионов в исходной воде. Кислотность воды после Н-катионирования возрастает, рН снижается.

На практике нередко совмещают Na и Н-катионирование, что позволяет получить глубоко умягченную воду, лишенную в то же время агрессивных свойств (за счет щелочности после Ка-катионирования и кислотности после Н-катионирования). Процесс Na и Н-катионирования можно выполнять по разным схемам. Одна из них предусматривает обработку одной части воды на Na-катионитовом фильтре, а другой — на Н-катионитовом, после чего оба фильтрата смешиваются. По другой схеме проводится последовательное фильтрование всего объема воды через один и другой фильтры. На ионитовые смолы нельзя подавать воду с содержанием взвешенных веществ более 5—7 мг/л, ибо они, забивая смолу, блокируют полезное ее использование. По тем же соображениям цветность воды также не должна быть высокой.

Общей обменной емкостью ионита называется количество извлекаемых ионов, которое ионит может воспринять, а полезной (или рабочей) емкостью — достигаемое количество извлекаемых ионов. Полезная емкость меньше общей, так как в условиях проведения процесса часть емкости недоиспользуется вследствие равновесного характера основной реакции и ряда технических факторов.

Обработку на ионообменниках можно проводить, преследуя цели двоякого рода, а именно: очистки воды, т.е. извлечения из нее нежелательных ионов (умягчение, обессоливание), или же концентрирования в ионообменном материале одного или нескольких ионов, которые затем при регенерации будут выделены в чистом виде.

На ионите со сложным комплексным ионом можно обеспечить проведение вторичной реакции, например окислительно-восстановительной. Так можно из воды извлечь сульфит- ион на анионитовую смолу в виде R-NH3-HSO3, а затем на этой же смоле пройдет окисление сульфит-иона в сульфат-ион за счет растворенного кислорода.

И, наконец, о регенерации ионитов. Схема регенерации может быть как прямоточной, так и противоточной, т.е. по ходу основной фильтрации и против нее. Противоточная регенерация более эффективна.

Применение анионитов продемонстрируем на примере использования их в процессах обессоливания воды. В этом случае воду последовательно фильтруют через Н- катиониты и ОН-аниониты. При фильтрации через Н- катионит получается вода, содержащая HCl и H2SO4. Эту воду пропускают через анионит [Ан]ОН. В результате происходят обменные реакции:

[Ан]ОН + HCl → [Ан]Cl + H2O;

2[Ан]ОН + H2SO4 → [Ан]Cl2SO4 + 2H2O

Обработку воды Н- и ОН-ионитами проводят последовательно в две-три ступени, при этом обработка воды на ОН-фильтре второй ступени позволяет удалить анионы слабых кислот — угольной и кремниевой. Одноступенчатая установка позволяет получить воду с солесодержанием 2— 10 мг/л, двухступенчатая — 0,1—0,3 мг/л и трехступенчатая — 0,05—0,1 мг/л.

Ионный обмен широко применяется для очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, цианиды и т.п.

www.ovode.net 2011