Ионный обмен

Гетерогенный  ионный  обмен,  или  ионообменная  сорбция   - процесс  обмена между  ионами,  находящимися  в  растворе,  и  ионами,  присутствующими  на  поверхности твердой фазы – ионита.

По  знаку  обменивающихся ионов иониты делятся  на  катиониты и  аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Иониты подразделяются на  природные  и  искусственные, или синтетические. Практическое  значение имеют неорганические природные  и искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов;  применяются также  иониты, полученные  химической обработкой угля, целлюлозы, лигнина. Ведущая  роль принадлежит  синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам.

Различают следующие виды ионитов:

1) сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3H и сильноосновные анион, содержащие четвертичные аммониевые основания;

2) cлабокислотные  катиониты, содержащие карбоксильные  СООН  и  фенольные  группы, диссоциирующие  при рН>7, а  также слабоосновные  аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы, диссоциирующие при рН<7;

3) иониты  смешанного  типа, проявляющие свойства  смеси  сильных  и  слабых кислот или оснований.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так называемая обменная емкость.

Полная  емкость  ионита – количество  находящихся  в  сточной  воде  грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м3 ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита – количество находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м3 ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов.

При соприкосновении  ионитов с  водой происходит их набухание вследствие  осмотических явлений; объем  ионитов обычно увеличивается в 1,2-2 раза. На кинетику ионного обмена также влияют температура и концентрация ионов. Характерной  особенностью  ионного  обмена  является  его  обратимость,  что  и лежит в основе регенерации ионитов. Если катиониты находятся в Н- или Na- форме, обмен  катионов будет происходить по реакциям:

Me+ + H[K]⇔Me[K] + H+

Me+ + Na[K]⇔Me[K] + Na+,

где Me+ - катион, находящийся в сточной воде; [K] – сложный комплекс катионита. Регенерация катионита осуществляется кислотой или раствором хлористого натрия.

Очистка  производственных  сточных  вод  методом  ионного  обмена  позволяет извлекать  и  утилизировать  ценные  примеси (соединения  мышьяка, фосфора,  а  также ртуть, свинец, хром, цинк, медь и другие  металлы), ПАВ  и  радиоактивные  вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения. Ионный обмен широко применяется также для очистки природных вод, в частности для ее умягчения на водоумягчительных станциях с целью приготовления воды, используемой  для  нужд  энергетики, для  деманганации  и  обезжелезивания  воды  подземных источников.  Процессы  ионообменной  очистки  сточных  вод  осуществляются  в  аппаратах (фильтрах) периодического или непрерывного действия. Конструкция ионнообменных  аппаратов  аналогична  сорбционным  и  напорным  механическим  фильтрам. Ионнообменное оборудование  загружается ионитом определенной марки, либо  сочетает в себе катионитовые  и анионитовые  смолы, т.е. представляет  фильтры комбинированного действия.  Первая  стадия  фильтра  работающего  в  периодическом  режиме – ионный обмен. Вторая  стадия - регенерация  смолы  соответствующим  регенерирующим  раствором. Третья – промывка от регенерирующего  раствора водой.

Для  умягчения  воды  в  небольших  объемах  потребления ( предприятия  малого бизнеса, загородные коттеджи) можно рекомендовать НВР-фильтр серии SF-А, которые позволяют устранить из воды соли жесткости. В качестве фильтрующего материала используются катионообменные смолы (КУ-2-8, или импортные аналоги), имеющие высокую емкость по солям жесткости. Производительность установки от 0.4 до 2 м3/ч.

Периодическая регенерация смолы  производится  раствором  поваренной соли. Работа установки полностью автоматизирована, единственной операцией производимой вручную 1-2 раза в месяц является загрузка твердой соли в бак-солерастворитель.  Автоматические  фильтры  серии SF  используются  также  и  в  производственных  процессах водоподготовки. Здесь применяют как единичные варианты, так и модули из двух (дуплекс) и трех (триплекс) фильтров. Возможен контроль качества воды по ее остаточной жесткости.