Ионный обмен способ очистки

Ионный обмен способ очистки

Ионный обмен (очистка сточных вод)

Метод ионного обмена – один из самых распространенных способов очистки воды. Его применяют:

— при небольших концентрациях загрязняющих веществ в растворе;

— на завершающей стадии очистки, когда к воде, выходящей из очистных сооружений, предъявляют повышенные требования;

— в системах водоподготовки для получения воды высокой степени чистоты (установки ионообменного обессоливания воды). Такую воду используют для работы котлов высоких параметров на тепловых и атомных электростанциях.

Ионный обмен (ионообменная сорбция) – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита). Этот процесс протекает на поверхности материалов, называемых ионообменными. Извлечение из сточных вод загрязнений происходит с помощью ионитовых фильтров.

Метод позволяет извлекать из сточных вод ценные примеси, такие как соединения мышьяка, фосфора, хром, ПАВ, радиоактивные вещества, тяжелые цветные металлы. Метод применяется для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности: металлургической, химической, машиностроительной и других.

Иониты подразделяются на природные и искусственные (синтетические). Природные иониты, в свою очередь, делятся на неорганические и органические. К природным неорганическим ионитам относятся цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты, слюды и др. Они обладают катионообменными свойствами.

К природным органическим ионитам относятся гуминовые кислоты углей и почв, обладающие слабокислотными свойствами. Для усиления кислотных свойств и повышения обменной емкости угли обрабатывают концентрированной серной кислотой, при этом образуются катиониты – сульфоугли.

Наибольшее значение для очистки сточных вод и процессов водоподготовки в настоящее время имеют синтетические иониты, к которым относят ионообменные смолы.

Ионы, присутствующие в растворе, подходят к поверхности ионообменного материала, в структуре которого имеются легкоподвижные ионы. Происходит замена иона, присутствующего в растворе, на ионную группу, входящую в состав ионообменной смолы. Ионные группы, первоначально входящие в состав смолы, переходят в раствор, а ионы, присутствующие в растворе, хемосорбируются на поверхности полимерного материала.

Существует два вида ионообменных смол: одни смолы способны к обмену катионами, другие – к обмену анионами.

Смолы, которые способны к обмену катионами, называются катионообменными смолами, а процесс, протекающий с их участием, — катионированием. Сточные воды, содержащие катионы металлов, проходят через фильтры, при этом происходит обмен ионами, находящимися в растворе и на поверхности твердой фазы. Металлы задерживаются в фильтре.

Различают две разновидности катионобменных процессов:

— Н-катионирование (смолы обменивают катионы, которые присутствуют в растворе, на ионы водорода);

— N а-катионирование (смолы обменивают ионы, которые присутствуют в растворе, на ионы натрия).

Таким образом, процесс ионного обмена заключается в извлечении из раствора ионов-примесей и замене их на другие ионы (Н + или N а + ), не влияющие на качество воды.

Имеются две разновидности анионообменных смол:

— обладающие способностью к обмену с анионами сильных кислот (соляной, серной, азотной), в процессе работы они хемосорбируют на своей поверхности С l — , SO ₄ 2- , NO ₃ — , в раствор переходят ионы ОН — ;

— хемосорбирующие анионы слабых кислот — угольной и кремниевой.

Независимо от вида применяемой смолы в раствор поступают ионы ОН — .

Первыми ионообменными материалами были неорганические алюмосиликаты натрия, которые получали либо синтетическим путем, либо путем переработки природного глауконитового песка – материала, известного под названием цеолит.

В настоящее время в качестве ионитов применяют синтетические высокомолекулярные вещества, полученные методом полимеризации. Применяемые в промышленности ионообменные смолы – это, в основном, синтетические материалы.

Структура ионообменной смолы – пористая и проницаемая, поэтому весь ионит участвует в процессе ионного обмена. Типичная ионообменная смола имеет форму гранул размером 0,3 – 0,8 мм. Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность (обменная емкость). Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации.

Промывка ионитов проводится в целях удаления механических примесей. Часто ей предшествует операция взрыхления смолы воздухом. Регенерацию смолы проводят для удаления сорбированных ионов и подготовки ионообменника к новому рабочему циклу.

Выбор регенерационного раствора зависит от типа ионообменника:

— при N а-катионировании в качестве регенерационного раствора используют раствор поваренной соли NaCl ;

— при Н-катионировании – любую минеральную кислоту (чаще раствор серной кислоты, как наиболее дешевый).

Регенерацию анионитов осуществляют раствором щелочи N аОН.

К достоинствам метода относятся:

— возможность получения на выходе чистой воды с очень низкими остаточными концентрациями примесей (в отдельных случаях остаточная концентрация ионов не превышает нескольких мг/л).

Метод не нашел широкого применения по следующим причинам:

— дефицит ионообменных смол;

— необходимость регенерации ионитов;

— большой расход реагентов на регенерацию;

— получение значительного количества отходящих регенерационных растворов.

Источник

Что такое ионообменная очистка воды

Ионный обмен воды относится к методам обессоливания водных растворов. В отличие от обычного фильтрования через зернистые материалы, когда состав водного раствора не меняется, фильтрование ионообменным методом очистки воды основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы — иониты, которыми предварительно заполняют специальные резервуары — ионные фильтры. Полезная работа ионных фильтров, заключаемая в возможности осуществлять требуемый ионный обмен между ионитом и фильтруемым водным раствором, называется обменной емкостью ионитового материала.

Опреснение воды ионным обменом применяется для природных вод с величиной минерализации менее 1,5 — 2 г/л и общей концентрацией сульфатов и хлоридов не выше 5 мг/л, взвешенных примесей — до 8 мг/л, цветности воды — не более 30 град, перманганатной окисляемости — до 7 мг/л О₂.

Ионный обмен как метод очистки воды

В основе механизма деминерализации воды ионным обменом лежит способность ионообменных смол избирательно забирать из электролита ионы металлов взамен на эквивалентное количество ионов ионита. На скорость процесса влияет валентность ионов, их заряд, степень гидратации, радиус иона. Реакция ионного обмена в воде:

Na + 4+ + 2+ 2+ 2+ 3+ 3+

В результате прохождения воды сначала через катионитовые, а затем ОН — , СО 3- или НСО 3- анионитовые фильтры подвижные ионы ионитов замещаются растворенными в воде анионами и катионами. Реакция ионного обмена между веществами и водой:

H[Кат] + NaCL ↔ Na[Кат] + HCL;

На рабочую обменную емкость катионитов существенно влияют анионный состав водного раствора и общее солесодержание, выражающееся отношением концентрации ионов НСО 3– в воде к сумме концентраций ионов НСО 3– , SO₄ 2– , CL – , NO 3– .

Попадая в анионитовые фильтры, анионы образующихся кислот и находящиеся в исходном водном растворе обмениваются на подвижные ионы анионитов:

Ионообменная обработка воды

Наиболее часто используют аниониты, в состав которых входят амино- и амониевые функциональные группы. Аниониты с первичными (-NH₂), вторичными (=NH) и третичными (≡N) аминогруппами характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые группы (-N + R_a) — сильноосновными свойствами. Слабоосновные аниониты проявляют реакционную способность только в кислой среде, сильноосновные — в растворах с любой реакцией.

Катиониты и аниониты делят на моно- и полифункциональные. Монокатиониты, имеющие в составе сульфогруппу, относятся к сильнокислым, диссоциируют полностью и могут осуществлять ионный обмен в растворе с любым рН. Катиониты с карбоксильной и фенольной группами являются слабокислотными и могут активно работать лишь в щелочной среде. Фосфоросодержащие группы имеют среднее значение кислотности. Слабоосновные аниониты чаще бывают полифункциональными. Полезная обменная емкость анионитов повышается с понижением рН раствора.

В качестве ионитов применяют синтетические смолы, полученные путем полимеризации или поликонденсации. На скорость ионного обмена влияет быстрота диффузии ионов к границе раздела ионит — водный раствор. В компактных по структуре фильтрах процесс идет быстро и преимущественно на внешних слоях — экстрамицеллярный ионообмен, но при этом сорбционная емкость ионита задействована не в полном объеме. В пористых фильтрах величина капилляров больше диаметра гидратированных катионов и анионов, ионообмен проходит на внутренней стороне — интермицеллярный процесс. Он медленнее, но характеризуется большим сорбционным потенциалом.

Ионный обмен для очистки воды

Для деминерализации воды водный раствор, избавленный от основных примесей путем предварительной очистки, поступает последовательно в катионобменные и анионообменные фильтры. В катионите связываются ионы металлов, а в раствор уходят соответствующие кислоты. Образующийся СО₂ удаляют дегазацией. Затем в анионите происходит сорбция сильнокислых анионов.

В зависимости от необходимой глубины очистки реализуются одно-, двух- и трехступенчатые ионообменные аппараты. Во всех установках ионообменной очистки воды для связывания катионов металлов из водного раствора применяют сильнокислотные катиониты с хорошей сорбционной способностью.

При непрерывной работе ионообменной установки независимо от количества ступеней очистки каждый цикл должен включать минимум два фильтра. Через ионитовый аппарат пропускают часть водного раствора, затем смешивают его с оставшейся водой и обеспечивают в деминерализованной воде концентрацию солей, отвечающую требованиям потребителя: для питьевого и хозяйственного использования оно должно составлять 0,5 — 1 г/л, при присутствии хлоридов не более 0,35, сульфатов — до 0,5 г/л.

Для получения водного раствора с общей минерализацией до 0,5 мг/л и одновременным обескремниванием его до 1 мг/л применяют установки с двухступенчатой схемой Н + и ОН — ионирования. Если же содержание солей необходимо довести до 0,1 мг/л, а содержание кремниевой кислоты до 0,05 мг/л, используют трехступенчатое ионирование.

Основные цели применения ионообменного метода обессоливания воды

Наибольшее распространение ионообменный метод получил при умягчении водных растворов: избавлении их от растворенных Сa 2+ и Mg 2+ , вызывающих нарастание накипи на оборудовании. Для этого используют Na-катионирование, H-Na катионовый метод, Na-CL ионирование воды. В результате ионообменной реакции Na замещает накипеобразующие Ca, Mg, образуя отлично растворимые в воде соли. Восстановление ионообменной способности смолы проводят хлоридом натрия.

Ионообменная очистка воды от железа

Обезжелезивание воды катионированием используют при необходимости одновременного удаления Fe и солей, обуславливающих жесткость, и когда обрабатываемый водный раствор на пути к катионитовому фильтру не обогащается кислородом. Вода проходит через фильтры, загруженные Na-катионитом. Регенерируют такой катионит NaCl.

На Na и K катионитовых фильтрах эффективно удаляются из водных растворов ионы Mn 2+ путем перевода их в соединения марганца (IV). Mарганец (II) окисляется KMnO₄ до оксида Mn (IV), который пленкой осаждается на зернах катионита. Марганцевый катионит получают обработкой любого катионита в натриевой форме с дисперсностью 0,5 — 1,2 мм последовательным пропусканием 0,5% растворов MnCL₂ и KMnO₄. Формула ионного обмена в воде:

где Ме + — ион К + или Na + .

Подробнее про обработку воды ионным обменом в частных домах вы можете прочитать здесь!

Другое применение ионного обмена для очистки воды

Кроме комплексного удаления ионов, существуют селективные или монофункциональные иониты, направленные на поглощение определенного вида ионов (B — , F — , NO₃ — , редкоземельных и тяжелых металлов). Комплексообразующие ионообменные смолы преимущественно связывают ионы, способные к образованию координационной связи с определенными элементами, входящими в состав селективных ионитов.

Метод ионного обмена для получения воды очищенной

Соединение в одной установке смешанного действия анионита и катионита позволяет достигнуть высокой чистоты раствора: за один цикл удаляются практически все растворенные ионы. Получаем чистую воду с низкой минерализацией и нейтральным рН. Избирательно подобранные по размеру и плотности зерна монодисперсных ионитов в современных фильтрах обеспечивают качественное связывание и стабильность параметров. Такие установки ионного обмена воды не регенерируются и подлежат замене при выработке ионообменной емкости.

Преимущества очистки воды с помощью ионного обмена

Метод ионного обмена при очистке воды — одна из самых востребованных технологий для деминерализации и смягчения природной воды, поскольку позволяет добиться высокой чистоты, соответствующей нормативам промышленных объектов разного назначения. Разнообразие ионитов по составу и конструкционному исполнению позволяет подобрать фильтр как для селективной очистки от определенного иона, так и для комплексного обессоливания водных растворов, исходя из требований производства.

К минусам ионообменной технологии очистки воды можно отнести:

• значительный расход реагентов;
• необходимость восстановления сорбционной способности ионитов;
• большой объем сточных и промывных вод от регенерации;
• стоимость обессоливания воды методом ионного обмена сильно растет с увеличением концентрации солей в водном растворе;
• уменьшение эффективности ионообменного метода опреснения и обессоливания воды с повышением минерализации воды;
• необходимость утилизировать отработанный ионит;
• невысокая скорость фильтрации.

Как выбрать ионообменную установку для воды

Выбирать ионообменные установки для очистки воды нужно, исходя из технических условий на ионообменные материалы, учитывая требования потребителей очищенной воды и экономические показатели. Общие рекомендации при выборе схемы ионообменной очистки воды:

• учитывать температуру очищаемой воды и раствора для регенерации;
• если присутствуют окислители, лучше выбрать макропористый ионит;
• для противоточных установок с большими скоростями рекомендуется применять моносферные иониты с крупными гранулами;
• для предотвращения быстрого загрязнения анионитов органическими веществами обязательна установка предфильтров с поглотителями органики;
• у малокислотных гелевых катионитов ионообменная емкость в равных условиях выше, чем у слабокислотных с макропорами, но они менее прочные.

Источник