Іонообмінні технології

Іонний обмін — це одна з найбільш ефективних технологій пом'якшення води. Вона широко застосовується як в побуті, так і в промисловості.

Процес іонного — обміну це оборотна хімічна реакція, під час якої відбувається обмін іонами між середовищем і поверхнею іоніту.

Принцип роботи йонного обміну

Спробуємо показати принцип роботи на прикладі пом'якшення або катіонування води.

В процесі очищення іони, які є у воді (наприклад кальцій і магній) "вибивають" з матриці протиіони (наприклад натрій) і стають на їх місце. Важливо зауважити, що вони закріплюються стехіометрично — один іон Ca²⁺ замінить 2 іони Na⁺.

Після того, як більша частина поверхні іонообмінної смоли зайнята іонами кальцію та магнію потрібно здійснювати регенерацію. Вона полягає в обробці іоніту концентрованим розчином реагентів. У випадку з пом'якшенням води — це концентрований розчин NaCl або HCl. Після промивання розчин з відмитими зі смоли іонами відводиться в каналізацію та вона знову може очищати воду.

Якщо розглядати процес зовсім детально, його можна описати такими стадіями:

У випадку з аніонами процеси відбуваються аналогічно.

Іонообмінні матеріали

Властивості іонітів

1. Робоча обмінна ємність — кількість іонів, яка може бути поглинена певним обсягом смоли, виражену в мг-екв/л до моменту проскоку. Наприклад, для якісних катіонітів може досягати 3000 мг/л.

2. Механічна міцність (на стирання) - характеризує можливість іоніту протистояти стиранню при фільтруванні та промиванні, завантаженні та вивантаженні. Термін служби деяких матеріалів досягає десяти років.

3. Осмотична стабільність — здатність протистояти змінам складу води без розтріскування гранул.

4. Хімічна стійкість — здатність матеріалу протистояти дії окислювачів (хлору, азотної кислоти та ін.), зміні pH середовища.

5. Термічна стійкість — обмеження по температурі, які дозволять завантаженню фільтрів працювати без руйнування гранул. Робоча температура для катіонітів досягає 150 ^оС, для аніонітів — не вище 60 ^оС, максимум 80 ^оС.

Природні іоніти

Як іонітів використовуються, як природні речовини, так і штучно отримані полімери.

Серед природних речовин використовуються:

Цеоліти, деякі глинисті мінерали з силікатною структурою, польові шпати. Дані матеріали мають відносно невелику обмінну ємність. В середньому це 3 - 5 мг-екв/л, рідкісні мінерали 8 - 11 мг-екв/л (це стосується польового шпату). У сучасній водопідготовці цеоліти не використовуються як іоніти, але застосовуються широко як завантаження механічних фільтрів.

Іонообмінні смоли

Іонообмінні смоли — це пористі полімери, які мають гелеву мікро- або макропористу структуру різної щільності. На поверхні пор знаходяться ковалентно пов'язані йоногенні групи з закріпленими на поверхні обмінними іонами.

Гранули зазвичай мають правильну сферичну форму, коли отримані шляхом полімеризації, і неправильну форму, якщо отримані поліконденсацією. Розмір гранул, в залежності від функціональних потреб може коливатися в межах від 10-20 мкм до декількох міліметрів.

Грубо кажучи, вони складаються з каркаса — матриці та функціональних груп (зафіксованих іонів), які жорстко закріплені на матриці та взаємодіють з протиіонами.

Смоли діляться на три основних типи: катіоніти та аніоніти.

Катіоніти — протиіони є катіонами (мають позитивний заряд, наприклад H⁺, Na⁺ );

Сильнокислотні катіоніти — мають в якості функціональних груп сульфогруппу –SO₃ і фосфорну групу –РО₃. Характерні гранули сферичної форми з жовтим або бурштиновим відтінком. Відрізняються високою обмінною ємністю, найвищої осмотичною стійкістю (до 120 ^оС), працюють при будь-якому рівні pH. Вони в більшості випадків застосовуються для пом'якшення води та поставляються в натрієвій формі, завдяки чому добре регенеруються хлоридом натрію або харчовою сіллю.

Якщо говорити про ринок, варто згадати такі популярні смоли DOWEX Maraton C (обмінна ємність - 2000 мг-екв/л), Dowex HCR-S/S (1900 мг/екв-л). Компанія Ecosoft виробляє якісний український аналог Ecolite СК (1800 мг-екв/л).

Слабокислотні катіоніти містять в якості функціональних карбоксильні групи — СОО, — ОН. Вони пофарбовані в слабо зелений або білий колір, добре відновлюються хлоридною кислотою і також популярні як компонент сумішей.

- аніоніти — роль протиіона виконує аніон (OH^-, Cl^-). Використовуються в основному в промислових процесах, оскільки працюють тільки в лужному середовищі.

Сильноосновні аніоніти мають в якості функціональної — четвертинну амонієву групу. Характерне жовте або світло-жовте забарвлення. Вони часто використовуються для розділення іонів металів при будь-якому pH та видалення різних аніонів, в тому числі гідрокарбонатів, сульфатів тощо.

Слабоосновні (низькоосновні) аніоніти в якості функціональних груп мають аміногрупи різного ступеня заміщення: - NH ₂⁺, = NH ⁺. Вони мають вузьке застосування, в основному в хроматографічному аналізі. Працюють тільки в кислому середовищі.

- амфотерні — містять різні групи, використовуються в вузьких сферах.

Важливе місце в промисловій водопідготовці займають суміші катіонітів. Наприклад, смола DOW Amberlite. (на рисунку)

В даному випадку катіоніт поглинає в основному металеві іони, заміняю їх на водень (H+), а аніоніт замінює аніони (сульфати, органічні кислоти, гідрокарбонати) на гідроксид іони. Гідроксид і водень взаємно нейтралізуються, утворюючи воду.

При контакті з водою, катіоніт поглинає позитивні іони металів та інших іонних речовин, що містяться у воді, виділяючи еквівалентну кількість іонів водню. Аніоніт поглинає негативні іони (гідрокарбонати, сульфати, органічні кислоти та т.д.), виділяючи еквівалентну кількість гідроксид іонів. Такі смоли використовуються для знесолення води в якості другого ступеня. Смола НЕ регенерується і вивантажується після вичерпання ресурсу або ж розділяється і регенерується окремо.

Обладнання

Традиційна система пом'якшення являє собою балон, всередині якого знаходиться фільтруючий матеріал і бак-солерозчинник.

Фільтр підключається до водопроводу холодної води. Вона проходить через попередньо встановлений магістральний картриджний фільтр, який затримує домішки розміром понад 5 мкм і надходить в корпус фільтра (1). Вода просочується крізь шар смоли (2), яка обмінює певні катіони або аніони з води на іони зі своєї поверхні. Очищена вода через нижній розподільний пристрій (4) і центральну трубу (4) подається споживачеві.

Коли ресурс смоли закінчується, ще до проскоку забруднювача, фільтр переводиться в режим промивки. У сучасному обладнанні автоматика здатна виконувати цей процес в повністю автоматичному режимі з мінімальною участю користувача.

Зазвичай регенерація передбачає 4 етапи:

• промивка зворотним потоком води для видалення механічних забруднень;
• промивання розчином реагентів з бака солерозчинника;
• промивання прямим потоком води для видалення надлишку реагентів;
• заповнення сольового бака водою.

Ще однією розповсюдженою конструкцією такого фільтра є компактна установка, яка поєднує в одному корпусі бак з катіонітом і солерозчинник. Використовується переважно в побуті для пом'якшення води.

Габаритні розміри фільтрів та об'єми фільтруючого матеріалу можна знайти в цьому довіднику.

Застосування в водоочищенні

1. Парові та водогрійні котли
2. Виробництво напоїв і харчові продукти
3. Хімічна та фармацевтична промисловості, гідрометалургія
4. Атомні та теплові електростанції
5. Побутове пом'якшення води.