Обессоливание и умягчение воды методом ионного обмена

Метод ионного обмена стал применяться в промышленности с начала 60-х годов, но наибольшее распространение получил к концу 80-х годов и до сих пор пользуется хорошим спросом.

Суть метода заключается в способности ионообменных материалов (ионитов) поглощать из воды (раствора электролита) положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

По своему составу иониты разделяют на минеральные и органические, которые, в свою очередь, делят на естественного и искусственного происхождения. В данный момент в промышленности широко применяют органические иониты искусственного происхождения. Далее разговор пойдет только о них.

Иониты представляют собой высокомолекулярные органические соединения, по своим свойствам нерастворимые в воде и органических растворителях. Способность к ионному обмену обусловлена строением ионита, основу которого составляет высокомолекулярный каркас или так называемая матрица (R) с неподвижными функциональными ионногенными группами, несущими положительный (аниониты) или отрицательный (катиониты) заряд, который компенсируется противоположным зарядом обменных ионов (противоионов), находящихся в фазе ионита. Противоионы подвижны в каркасе ионита и в силу этого могут заменяться другими ионами из раствора.

Схематично реакцию ионного обмена можно представить так:
RA + Bn+ → RB + An+
RC + Dn- → RD + Cn-,
Где R – нерастворимая матрица полимера,
An+ и Bn+ – соответственно обменный катион и катион из раствора;
Сn- и Dn- – соответственно обменный анион и анион из раствора.

    По своему строению иониты подразделяются на:

  • Макропористые.
    Характеризуются губчатой стркуктурой и порами, превышающими молекулярный размер. Работа такой смолы возможна даже в не полностью набухшем состоянии.

  • Гетеропористые смолы.
    Имеют гелевидную структуру и небольшие поры. Обменная емкость ионита этого вида выше, чем у макропористого, но по физико-химическим свойствам он уступает макропористому.
  • Изопористые.
    Обладают однородной структурой, имеют высокую обменную емкость, превышающую емкость гетеропористой смолы.

 

    По виду заряда замещаемых ионов иониты подразделяются на:

  • катиониты (катионообменные смолы (умягчение);
  • аниониты (анионообменные смолы (обессоливание);
  • амфолиты;
  • селективные иониты.

  • Катиониты.
    Катионный обмен в основном применяется для удаления из воды ионов Ca2+ , Mg2+, Fe2+, обуславливающих жесткость воды, т.е. для ее умягчения.

    В зависимости от содержащейся функциональной группы катиониты подразделяют на сильнокислотные и слабокислотные.

    Сильнокислотные катиониты обменивают катионы в щелочной, нейтральной и кислой среде.

    Слабокислотные - только в щелочной среде.

    По виду обменного иона подразделяют натрий–катионирование и водород–катионирование.

    При нитрий-катионировании в качестве обменного иона выступает Na+, регенерация такой смолы осуществляется раствором NaCl.

    При водород-катионировании в качестве обменного иона выступает H+, регенерация смолы возможна как серной, так и соляной кислотами. На выходе после ионного обмена вода имеет кислую реакцию.

  • Аниониты.
    Анионный обмен применяется для глубокого опреснения и обессоливания воды. Анионитные фильтры ставят после катионитных фильтров, применяя одно- или несколько-ступенчатую схему, в зависимости от исходного качества воды и степени ее обессоливания. Применяют HCO3-, OH- или CO32—анионитовые фильтры.
  • Амфолиты.
    Такая смола имеет в своей структуре как анионные, так и катионные группы, что позволяет, при соблюдении определенных условий, выступать ей как анионит или катионит. Применяется при обработке разного рода растворов.
  • Селективные иониты.
    Селективные иониты применяются для удаления из воды какого-нибудь одного иона или группе. Такой обмен возможен в силу специальных ионногенных групп, имеющих сродство к какому-то одному или группе ионов.
    • Основные физико-химические свойства ионитов:

    • фракционный (зерновой) состав;
    • механическая прочность;
    • химическая стойкость;
    • термическая стойкость;
    • обменная емкость;
    • селективность;
    • осмотическая стабильность.

    • Фракционный состав.

      Фракционный состав ионита показывает средний размер зерен и степень их однородности.

      К примеру, мелкозернистый ионит имеет более развитую поверхность, тем самым обуславливая большую обменную емкость, нежели крупнозернистый. Но, с уменьшением размеров зерен ионита, гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен ионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3 – 1,5 мм, с коэффициентом неоднородности Kn = 2.

    • Механическая прочность.

      Характеризует износостойкость и истираемость ионита при механическом воздействии. Проверка на механическую прочность осуществляется в аппаратах, где на ионит оказывается механическое воздействие путем перемешивания или давления, что приводит к разрушению частиц. Полимеризационные иониты по степени прочности выше, нежели поликонденсационные. Чем выше степень полимеразационной сшивки, тем меньше скорость ионного обмена.

    • Химическая стойкость.

      При работе иониты подвергаются воздействию кислот, щелочей и растворителей. Химическая стойкость показывает, насколько ионит устойчив к таким растворам. Катиониты имеют более высокую степень стойкости, чем аниониты. Слабоосновные аниониты, в свою очередь, более химически стойки, чем сильноосновные. Полимеразационные иониты стойки, нежели чем поликонденсационные.

    • Термическая стойкость.

      Термическая стойкость показывает степень работоспособности ионитов при эксплуатации в некотором диапазоне температур. Катиониты сохраняют свои характеристики при более высоких температурах, нежели аниониты, и могут работать до 120 0С. Большинство анионитов сохраняют способность к нормальному ионному обмену до 60 0С.

    • Обменная емкость.

      Очень важный показатель в работе ионитов. Различают полную обменную емкость и рабочую обменную емкость.

      Полная обменная емкость показывает то количество ионов, которое способен обменять 1м3 ионита вообще, т.е. до черты своего полного истощения.

      Рабочая обменная емкость показывает то количество ионов, которое способен обменять 1м3 ионита до момента проскока их в фильтрат. В момент начала проскока ионов в фильтрат начинается регенерация ионита, тем самым не допуская дальнейшее увеличение концентрации подлежащих обмену ионов в фильтрате.

    • Селективность.

      Указывает на избирательность ионита к определенному иону или группе ионов. Зависит от свойств ионита и имеющейся функциональной группы. Применяются такие иониты в промышленности для удаления из воды каких-то конкретных ионов, к примеру, нитратов.

    • Осмотическая стабильность.

      Осмотическая стабильность показывает, на сколько устойчив ионит к изменению среды, проходящей через его объем. При изменении солевого состава, pH среды, щелочности происходит набухание или сжатие зернового элемента, но скорости этих процессов во внешнем слое зерна и в его ядре разные. В силу этого образуется напряжение в структуре ионита, происходит его деформация и разрушение. Испытание ионита на величину осмотической стабильности происходит путем резкого изменения среды с кислоты на щелочь с промежуточными регенерациями и промывками. По степени разрушения ионитового зерна определяется величина осмотической стабильности.

    На данный момент на рынке представлен большой выбор фильтрующих ионнообменных материалов - катионитов и анионитов. С некоторыми из них - с их свойствами и областями применения - вы можете ознакомиться в разделе засыпные фильтрующие материалы.

    Статью подготовил:
    Руководитель ПТО
    OOO "CАТ"
    Макаров Василий А.
    8-905-282-32-19