Ионообменный способ устранения жесткости

ИОНООБМЕННЫЙ МЕТОД УСТРАНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ

Ионитами называют органические и неорганические вещества, прак­тически нерастворимые в воде, содержащие группы с подвижными иона­ми, способные обменивать их на ионы, содержащиеся в воде, включая ио­ны жесткости.

Существуют, в основном, два типа ионитов: катиониты (обмени­вающие катионы) и аниониты (обменивающие анионы).

В настоящее время известны следующие иониты:

1. Неорганической природы — катиониты, например, цеолиты. Это
алюмосиликаты, т.е. минералы состава Ме₂О; Al₂O_3*SiO_2*nH₂O,

где Me — Na (реже — К); иногда имеются примеси CaO, BaO, SrO; m=l-2;

n-от2до 14. К ним относятся:

а) глины, одной из разновидностей которых является каолинит —
Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O;

б) искусственные алюмосиликаты, или пермутиты, общей формулы
K₂O*Al₂O₃*2SiO_2*nH₂O.

2.Органической природы — катиониты, например, целлюлоза, сульфированные угли, гудроны; синтетические ионообменные смолы — катио­ниты и аниониты; гумусовые вещества почвы — амфотерные иониты.

3.Искусственные иониты специального назначения (в основном,
мембраны). К ним относят фторорганические полимеры или нафионы, по-
лисилоксановые полимеры, металлические газоразделительные мембраны.

Катиониты имеют в макромолекуле полимера группы с подвижными атомами водорода — кислотные группы, которые различаются по типу на группы с сильно выраженными кислотными свойствами:

-SO₃H (сульфогруппа), -РО_зН₂ (фосфогруппа) и слабо выраженными кислотными свойствами:

-СООН (карбоксильная группа),

-ОН (фенольный гидроксил )

Катиониты можно представить общей формулой — R-H,

где R — высокомолекулярный радикал (фрагмент полимерной цепи), свя­занный с кислотной группой.

Такая форма катионита называется Н-катионитом.

Однако на практике выпускаемые промышленностью Н-катиониты часто переводят в их натриевые соли (чем это вызвано, поясним ниже). Та­кой Na катионит можно представить формулой R-Na.

Процесс устранения жесткости воды методом ионитной очистки можно описать следующими уравнениями:

В последнем случае устранение жесткости сопровождается образо­ванием сильной соляной кислоты, которая будет вызывать коррозию труб и других металлических конструкций. Чтобы избежать этого, лучше ис­пользовать Na-катионит:

Можно добиться полного обессоливания воды, применяя, наряду с катионитами, аниониты. Аниониты можно представить общей формулой -R-OH, где R — высокомолекулярный радикал. Аниониты имеют основной характер и обменивают входящие в их состав гидроксил-ионы -ОН на анионы кислот, например, на СГ, SO₄ 2- , HCO ₃. К анионитам с сильно вы­раженными основными свойствами следует отнести полимеры на основе алифатических четвертичных аммониевых оснований — [R₄N]OH.

Для полного обессоливания воду пропускают сначала через катионит, а затем — через анионит. Протекающие при этом процессы ионного обмена можно представить уравнениями:

Пройдя через катионит, вода освободилась от ионов Са 2+ и Mg 2+ , a затем — ионный обмен с анионитом и освобождение от кислотных остатков:

Очищенную воду собирают вемкость или подают непосредственно в производство.

В процессе работы ионитыпостепенно теряют свою активность, и их необходимо регенерировать. Для этого через отработанный катионит про­пускают (в зависимости от используемой формы) концентрированный рас­твор НС1 или NaCl:

При этом ионы Са 2+ и Mg 2+ выходят в раствор, а катионит вновь насыщает­ся ионами H — или Na + .

Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щелочи или соды (раствор соды вследствие гидролиза имеет щелочную реакцию):

Источник

Ионообменное умягчение воды

Одной из острейших проблем централизованного водоснабжения является наличие солей жесткости в водопроводной воде. Владельцы коттеджей тоже сталкиваются с этой проблемой. Повышенная жесткость воды приводит в негодность бытовую технику, образуя накипь на стенках, снижает эффективность отопительных приборов и негативно действует на здоровье человека. Для решения этой проблемы используют специализированные фильтры — ионообменные умягчители. Ионный обмен как метод умягчения воды появился в 20 веке и пользуется большой популярностью.

Что такое ионообменное умягчение и где оно применяется

Снижение жесткости воды при помощи ионообменных процессов происходит по принципу замещения ионов растворенных солей более безвредными ионами натрия. Они не образуют твердых отложений и не вызывают проблем с кожей у пользователей. Подобные ионообменные фильтры для умягчения воды используются в энергетике, цветной металлургии, пищевой и электронной промышленности. Население применяет преимущественно в частных домах и коттеджах, в которых отсутствует централизованное водоснабжение. Так как вода в них подается из скважины и не подвергается никакой предварительной очистке, то часто нуждается в умягчении ионным обменом.

Ионообменный метод умягчения воды

Одним из самых эффективных методов водоподготовки (фильтрации) считается ионный обмен. Умягчение методом ионного обмена заключается в замене ионов солей жесткости (кальций и магний) из раствора на ионы, находящиеся на поверхности ионитов. Обмен регулирует концентрацию минеральных солей и снижает жесткость воды. Иониты находятся в составе ионообменного материала, который засыпается в емкость фильтра.

При данном методе ионного обмена для умягчения воды изменяется химическая структура очищаемой жидкости и ионитов из фильтрующего материала (смолы). Следует знать, что смола при работе в фильтре постепенно утрачивает свои очищающие свойства. Правда, используемые материалы можно восстанавливать, но своего первоначального состояния после регенерации они не достигают. В зависимости от интенсивности использования и вида смолы срок её службы колеблется от трех до восьми лет.

Ионообменные системы умягчения воды имеют неоспоримые преимущества перед другими методами фильтрации:

• умягчение воды ионным обменом не образует осадка, который необходимо удалять при помощи дополнительных устройств;
• технология ионообменного умягчения используется при высоких уровнях жесткости (100-200 мг/л), обеспечивая очистку от минеральных солей и умягчение воды;
• ионообменный метод умягчения устраняет не только соли жесткости, но и другие вредные соединения;
• эффективное функционирование в автоматическом режиме и простое обслуживание ионообменных умягчителей воды.

Не стоит забывать и про имеющиеся недостатки ионообменных установок для умягчения воды:

• периодические затраты на регенерацию химических реагентов;
• жесткие требования экологов к утилизации отработанной смолы.

Ионообменные умягчители для воды

Выделяют два вида ионообменных фильтров умягчения:

1. Стандартные ионообменные фильтры для смягчения воды. Используемый в фильтрах умягчения натрий-катионный метод очистки воды считается доступным, недорогим в обслуживании и имеющим простую утилизацию регенерируемых химикатов;
2. Ионообменные фильтры с многокомпонентной смолой для обезжелезивания и умягчения. Фильтры с комплексной загрузкой способны удалять из жидкости растворенное железо, марганец и органические вещества, но весьма дороги в обслуживании.

Из чего состоят умягчители воды ионообменного типа

Основанные на одинаковом принципе работы, ионообменные фильтры умягчения воды имеют существенные различия в габаритах, которые зависят от качества и объема фильтруемой воды. Если для умягчения воды ионообменные колонны делают большого размера, то бытовые устройства для частного дома весьма компакты и практически бесшумны. Чаще всего они представляют собой небольшие стационарные устройства с заменяемыми картриджами.

В состав стандартного ионообменного фильтра-умягчителя входят:

• пластиковые баллоны/колонны с фильтрующим материалом (ионообменной смолой);
• клапан с электронным управлением, регулирующий подачу воды;
• солевой бак, выполняющий функции емкости для восстановительного материала.

Промышленные ионообменные установки умягчения воды работают в автоматическом режиме. Клапан, управляемый процессором, пропускает очищаемую воду в колонну, наполненную ионообменной смолой. Там происходит замена ионов солей жесткости на ионы смолы. После этого, чистая воды по шлангу направляется к потребителям (точкам водоразбора). Когда реагент (смола) истощает свои очищающие свойства, клапан направляет немного воды в солевой бак, где она насыщается солью. Направленная в колонну, эта жидкость частично восстанавливает очищающие свойства ионообменного материала. Эта циркуляция продолжается до тех пор, пока реагент не будет готов снова фильтровать и умягчать воду.

Ионообменный умягчитель воды для коттеджа

В отличие от габаритных промышленных ионообменных колонн на умягчение, компактные бытовые устройства располагаются прямо в доме и умягчают воду на всех точках водоразбора. Умягчение воды в ионообменных фильтрах производительностью 1,5 — 2 м 3 /ч — наилучшее решение для загородного дома.

Также на рынке вы можете купить ионообменные умягчители воды картриджного типа. Они снабжены картриджами, в которых восстановление очищающих и умягчающих свойств происходит в ручном режиме. Сначала перекрывается вода и открытием крана сбрасывается имеющееся в трубах давление. Следом отсоединяется картридж и промывается проточной водой. Смола из него высыпается (при возможности) в подходящую по размеру емкость и покрывается раствором соли (0,1 кг на 1 литр воды).

При не разборном картридже, он целиком погружается в соляной раствор на 7-8 часов. После этого, смола/картридж несколько раз промываются чистой водой. Затем в пустой картридж засыпается восстановленная смола и он устанавливается на свое место в фильтре. Система снова готова к умягчению воды ионообменным способом.

Метод ионного обмена для умягчения воды от компании Diasel

Жесткая вода из скважины или из водопровода наносит вред бытовой технике и здоровью человека. Чтобы решить этот вопрос, используют ионообменный фильтры-умягчители воды. Наиболее рекомендуемыми являются ионообменные установки. Они отлично очищают воду от минеральных солей, подлежат частичной регенерации и недороги в обслуживании.

Наша компания предлагает широкий выбор ионообменных фильтров. У нас вы можете купить отдельно ионообменные материалы для умягчения воды: баллоны разного типоразмера, клапаны управления, ионообменные смолы Lewatit, Pure Resin, Экотар. Специалисты помогут с выбором модели под конкретную ситуацию, учитывая и уровень жесткости воды, и имеющийся бюджет. Получить консультацию и купить ионообменный фильтр для умягчения воды вы можете по телефону, электронной почте или заполнив заявку на сайте.

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