Ионообменные технологии

Ионный обмен — это одна из самых эффективных технологий умягчения воды. Она широко применяется как в бытовых условиях, так и в промышленности.

Процесс ионного обмена — это обратимая химическая реакция, во время которой происходит обмен ионами между средой и поверхностью ионита.

Принцип работы ионного обмена

Попробуем показать принцип работы на примере умягчения или катионирования воды.

В процессе очистки ионы, которые есть в воде (например кальций и магний) “выбивают” из матрицы противоионы (например натрий) и становятся на их место. Важно заметить, что они закрепляются стехиометрически — один ион Ca²⁺ заменит 2 иона Na⁺.

После того, как большая часть поверхности ионообменной смолы занята ионами кальция и магния нужно производить регенерацию. Она заключается в обработке ионита концентрированным раствором реагентов. В случае с умягчением воды — это концентрированный рассол NaCl или HCl. После промывки раствор с отмытыми из смолы ионами отводится в канализацию и смола опять может очищать воду.

Если рассматривать процесс совсем детально, его можно описать такими стадиями:

В случае с анионами процессы происходят аналогично.

Ионообменные материалы

Свойства ионитов

1. Рабочая обменная емкость — количество ионов, которое может быть поглощено определенным объемом смолы, выраженное в мг-экв/л до момента проскока. Например, для качественных катионитов может достигать 3000 мг/л.

2. Механическая прочность (на истирание) - характеризует возможность ионита противостоять истиранию при фильтровании и промывке, загрузке и выгрузке. Срок службы некоторых материалов достигает десяти лет.

3. Осмотическая стабильность — способность противостоять изменениям состава воды без растрескивания гранул.

4. Химическая устойчивость — способность материала противостоять воздействию окислителей (хлора, азотной кислоты и пр.), смене pH среды.

5. Термическая устойчивость — ограничения по температуре, которые позволят загрузке фильтров работать без разрушения гранул. Рабочая температура для катионитов достигает 150 ^oС, для анионитов — не выше 60 ^oС, максимум 80 ^oС.

Природные иониты

В качестве ионитов используются, как природные вещества, так и искусственно полученные полимеры.

В качестве природных веществ очень широко используются цеолиты, некоторые глинистые минералы с силикатной структурой, полевые шпаты. Данные материалы имеют относительно небольшую обменную емкость. В среднем это 3 - 5 мг-экв/л, редкие минералы 8 - 11 мг-экв/л (это касается полевых шпатов). В современной водоподготовке цеолиты не используются как иониты, но применяются широко как загрузки механических фильтров.

Ионообменные смолы

Ионообменные смолы — это пористые полимеры, которые имеют гелевую макро- или микропористую структуру разной плотности. На поверхности пор находятся ковалентно связанные ионогенные группы с закрепленными на поверхности обменивающимися ионами.

Гранулы обычно имеют правильную сферическую форму, когда получены путем полимеризации, и неправильную форму, если получены поликонденсацией. Размер гранул, в зависимости от функциональных потребностей может колебаться в пределах от 10-20 мкм до нескольких миллиметров.

Грубо говоря, они состоят из каркаса — матрицы и функциональных групп (зафиксированных ионов), которые жестко закреплены на матрице и взаимодействуют с противоионами.

Смолы делятся на три основных типа: катиониты и аниониты.

Катиониты — противоионы являются катионами (имеют положительный заряд, например H⁺, Na⁺ );

Сильнокислотные катиониты — имеют в качестве функциональных групп сульфогруппу –SO₃ и фосфорную группу –РО₃. Характерны гранулы сферической формы с желтым или янтарным оттенком. Отличаются высокой обменной емкостью, наивысшей осмотической устойчивостью (до 120 ^оС), работают при любом уровне pH. Они в большинстве случаев применяются для умягчения воды и поставляются в натриевой форме, благодаря чему хорошо регенерируются хлоридом натрия или пищевой солью.

Если говорить о рынке, стоит упомянуть такие популярные смолы DOWEX Maraton C (обменная емкость - 2000 мг-экв/л), Dowex HCR-S/S (1900 мг/екв-л). Компания Ecosoft производит качественный украинский аналог Ecolite CК (1800 мг-экв/л).

Слабокислотные катиониты содержат в качестве функциональных карбоксильные группы –СОО, –ОН. Они окрашены в слабо зеленый или белый цвет, хорошо восстанавливаются хлоридной кислотой и также популярны, как компонент смесей.

- аниониты — роль противоиона выполняет анион (OH^-, Cl^-). Используются в основном в промышленных процессах, так как работают только в щелочной среде.

Сильноосновные аниониты имеют в качестве функциональной — четвертичную аммониевую группу. Характерна желтая или светло-желтая окраска. Они часто используются для разделения ионов металлов при любом pH. Используются для удаления разных анионов, в том числе гидрокарбонатов, сульфатов и пр.

Слабоосновные (низкоосновные) аниониты в качестве функциональных групп имеют аминогруппы разной степени замещения: –NH₂⁺, =NH⁺. Они имеют узкое применение, в основном в хроматографическом анализе. Работают только в кислой среде.

- амфотерные — они содержат разные группы, используются в узких сферах.

Важное место в промышленной водоподготовке занимают смеси катионитов. Например смола DOW Amberlite. (На рисунке)

В данном случае, катионит поглощает в основном металлические ионы, заменяя их на водород (H+), а анионит заменяет анионы (сульфаты, органические кислоты, гидрокарбонаты) на гидроксид ионы. Гидроксид и водород взаимно нейтрализуются, образуя воду.

При контакте с водой катионит поглощает положительные ионы металлов и других ионных веществ, содержащихся в воде, выделяя эквивалентное количество ионов водорода. Анионит поглощает отрицательные ионы (гидрокарбонаты, сульфаты, органические кислоты и т.д.), выделяя эквивалентное количество гидроксид ионов. Такие смолы используются для обессоливания воды в качестве второй ступени. Смола не регенерируется и выгружается после исчерпания ресурса или же разделяется и регенерируется по отдельности.

Оборудование

Традиционная система умягчения представляет собой баллон, внутри которого находится фильтрующий материал и бак-солерастворитель.

Фильтр подключается к водопроводу холодной воды. Она проходит через предварительно установленный магистральный картриджный фильтр, который задерживает примеси размером более 5 мкм и поступает в корпус фильтра (1). Вода просачивается сквозь слой смолы (2), которая обменивает определенные катионы или анионы из воды на ионы со своей поверхности. Очищенная вода через нижнее распределительное устройство (4) и центральную трубу (4) подается потребителю.

Когда ресурс смолы заканчивается, еще до проскока загрязнителя, фильтр переводится в режим промывки. В современном оборудовании автоматика способна производить этот процесс в полностью автоматическом режиме с минимальным участием пользователя.

Обычно регенерация предусматривает 4 этапа:

• промывка обратным током воды для удаления механических загрязнений;

• промывка раствором реагентов из бака солерастворителя;

• промывка прямым током воды для удаления излишков реагентов;

• заполнение солевого бака водой.

Еще одной распространенной конструкцией такого фильтра, является компактная установка, которая совмещает в одном корпусе бак с катионитом и солерастворитель. Используется предпочтительно в быту для умягчения воды.

Габаритные размеры фильтров и объемы фильтрующего материала можно найти в этом справочнике.

Применение в водоподготовке

1. Паровые и водогрейные котлы.
2. Производство напитков и продуктов питания.
3. Химическая и фармацевтическая промышленности, гидрометаллургия.
4. Атомные и тепловые электростанции.
5. Бытовое умягчение воды.