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 + D^n- → RD + C^n-,
Где R – нерастворимая матрица полимера,
Aⁿ⁺ и Bⁿ⁺ – соответственно обменный катион и катион из раствора;
С^n- и D^n- – 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 K_n = 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.