Ионный обмен


Ионный обмен – процесс обмена ионов твердой матрицы (ионита) с ионами раствора.

Ионный обмен является одним из основных методов очистки воды от ионных загрязнений, умягчения воды, обессоливания и глубокого обессоливания. Наличие разнообразных по свойствам ионообменных материалов позволяет решать задачи очистки вод различного химического состава. Это один из немногих технологических приемов, позволяющих селективно извлекать из раствора некоторые компоненты, например, соли жесткости.

Иониты – твердые нерастворимые вещества, имеющие в своем составе функциональные группы, способные к ионизации в растворах и обмену ионами с электролитами.

Иониты делятся по свойствам функциональных групп на несколько видов.

Основные виды ионитов:

— катиониты;

— аниониты;

— селективные иониты.

Ионизация, очистка воды Днепр, Киев, Одесса, Украина, цена
Ионный обмен, очистка воды Днепр, Киев, Украина, цена

Катиониты – иониты с закрепленными на матрице анионообменными группами или анионами, которые обмениваются с внешней средой катионами.

Аниониты – иониты с закрепленными на матрице катионообменными группами или анионами, которые обмениваются с внешней средой анионами.

Реакцию обмена на катионитах (1) и анионитах (2) можно описать следующими уравнениями:

R ̶  H+ + Na+ ↔ R  ̶  Na+ + H+ (1);

R ̶  OH + Cl ↔ R  ̶  Cl + OH (2).

Как правило, эти процессы следуют один за другим и на анионит подается раствор после катионирования. Этот раствор имеет кислую реакцию. В результате анионирования очищенный раствор имеет нейтральную реакцию (3):

R ̶  OH + Cl + H+ ↔ R  ̶  Cl + Н2О (3).

Таким образом можно описать процесс обессоливания воды, который проводится с применением катионитов в Н-форме и анионитов ОН-форме. В результате из воды извлекаются практически все катионы и анионы.

Процесс ионирования протекает до тех пор, пока ионит не истощится – на матрице ионитов не останется способных к обмену функциональных групп.

Для восстановления обменных свойств ионитов необходимо произвести регенерацию. В случае обессоливания воды для регенерации катионитов применяют растворы кислот (соляной, серной), а для регенерации анионитов – раствор гидроксида натрия. Регенерацию катионитов (4) и анионитов (5) можно описать следующими уравнениями:

R ̶  Na+ + HCl ↔ R  ̶  H+ + NaCl (4);

R ̶  Cl + NaOH ↔ R  ̶  OH + NaCl (5).

В результате регенерации иониты переходят в рабочее состояние, а регенерационный раствор представляет собой смесь растворов солей с избытком регенерирующего агента (кислоты и щелочи).

 

В случае умягчения воды ионирование производится на катионите в Na-форме. В процессе из воды извлекаются ионы жесткости, и происходит их замена на ионы натрия. Процесс описывается следующим уравнением (6):

2R ̶  Na+ + Са2+ ↔ R  ̶  Са  ̶ R + 2Nа+ (6).

Для регенерации применяют раствор поваренной соли. Процесс протекает по реакции (7):

R  ̶  Са  ̶ R + 2NаСl ↔2R ̶  Na+ + CaCl2 (7).

Основными характеристиками ионитов являются:

— обменная емкость;

— селективность;

— механическая прочность;

— осмостическая стабильность;

— химическая стабильность;

— температурная устойчивость;

— гранулометрический состав.

Ионообменное оборудование.

Для водоподготовки и обработки стоков чаще всего применяют аппараты периодического действия типа фильтр со сплошным слоем ионита.

По направлению движения очищаемого и регенерирующего растворов они подразделяются на прямоточные (параллельнопоточные) и противоточные (противопоточные).

Преимущества прямоточных фильтров:

— простота конструкции;

— простота эксплуатации;

— возможность отмывка ионита прямо в фильтре.

Недостатки прямоточных фильтров:

— низкое качество воды;

— низкая степень регенерации и, как следствие, увеличение расхода реагентов;

— малая степень использование объема.

Преимущества противоточных фильтров:

— высокое качество воды;

— высокая степень регенерации и уменьшение расхода реагентов;

— высокая степень использования объема фильтра.

Недостатки противоточных фильтров:

— более высокая цена за счет более сложной конструкции;

— высокие требования к предварительной очистке.

Применение ионообменных технологий:

  1. Умягчение воды.
  2. Снижение щелочности и временной жесткости воды.
  3. Обессоливание воды.
  4. Глубокое обессоливание воды (фильтры смешанного действия).
  5. Удаление нитратов из воды.
  6. Удаление органических веществ.