Ионный обмен

Ионный обмен применяют для глубокой очистки сточных вод от ионов цветных и тяжелых металлов; корректировки минерального состава очищенных сточных вод (умягчения, снижения общего солесодержания), повторно используемых в замкнутых системах водоснабжения; удаления ряда органических (фенолов, органических кислот, ароматических и алифатических аминов, ПАВ и др.) и неорганических веществ (цианидов, мышьяка), радиоактивных веществ.

Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при вышкой степени очистки воды, но может применяться при минерализации сточных вод не более 3-4 г/л.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердым веществом — ионитом, обладающим способностью обменивать его ионы на ионы, присутствующие в растворе. Иониты, обладающие кислотными свойствами (катиониты), способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, а щелочными свойствами (аниониты) — анионы. Если иониты обменивают катионы и анионы — их называют амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную обменную, статическую и динамическую емкости.

Иониты подразделяются на природные и искусственные. Практическое значение имеют неорганические иониты — алюмосиликаты, цеолиты, гидроксиды и соли многовалентных металлов, силикагели, пермутиты и др. Из органических природных ионитов используют гуминовые кислоты почв и углей, которые подвергают химической обработке, получая сульфоугли.

Однако из всех ионитов наибольшее распространение получили органические искусственные материалы — ионообменные смолы.

Ионообменные смолы могут быть сильнокислотными катионитами, содержащими сульфогруппы и сильноосновными анионитами, содержащими четвертичные аммониевые основания; слабокислотными катионитами, содержащими карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновными анионитами, содержащими первичные и вторичные аминогруппы, диссоциирующие при рН<7; ионитами смешанного типа, проявляющими свойства смеси сильных и слабых кислот и оснований (полифункцкональные), и с изменяющейся обменной емкостью (амфотерные).

Процесс переноса вещества при ионном обмене может быть представлен в несколько стадий: диффузия ионов из раствора через пограничную пленку жидкости к поверхности ионита; диффузия ионов внутрь зерна ионита; химическая реакция обмена ионов; диффузия вытесненных противоионов из объема зерна к его поверхности; диффузия противоионов от поверхности ионита в раствор.

Скорость ионного обмена определяется самой медленной из этих стадий — диффузией в пленке жидкости и зерне ионита.

Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов и могут быть представлены соответственно для катионов и анионов:

RSO3H + NaCl = RSO3Na + HCl

ROH + NaCl = RCl + NaOH

Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации. Регенерацию катионитов осуществляют промывкой их 2-8 % растворами сильных кислот — соляной, азотной или серной (Н-форма) или концентрированными растворами натриевых солей (Na-форма). Отработанные аниониты регенерируют 2-6 % растворами NаОН, Na2CO3. После регенерации ионитов производят их отмывку.

Слабоосновные аниониты обменивают анионы сильных кислот и не способны к обмену анионов слабых минеральных кислот. Сильноосновные аниониты обменивают анионы слабых кислот только при отсутствии в воде сильных кислот и их солей. Учитывая более высокую их стоимость, их следует применять преимущественно для извлечения анионов слабых кислот.

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощая некоторое количество воды, набухают, становятся гелями с ограниченной набухаемостью. Набухаемость влияет на полноту и скорость обмена ионов, а также на селективность ионита.

Иониты выпускают в виде порошков, зерен, волокнистого материала, листов, плиток.

Процессы ионообменной очистки сточных вод, включающие стадии извлечения примесей и регенерации ионитов, осуществляются в аппаратах периодического (фильтрах) или непрерывного действия.

Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, служащим для равномерного отведения воды по всему сечению фильтра. Высота слоя загрузки ионита 1,5-3,0 м. Сточная вода может подаваться сверху или снизу, а регенерирующий раствор сверху. Скорость фильтрования от 8 до 25 м/ч а зависимости от содержания ионов в очищаемой воде. На продолжительность фильтроцикла больше влияние оказывает наличие взвешенных веществ, поэтому перед подачей воды на установку следует обеспечить их максимальное удаление.

При очистке сточных вод, загрязненных взвешенными веществами, применяют ионообменные колонны с псевдоожиженным слоем ионита, в которых процесс осуществляется непрерывно. При этом уменьшаются затраты смолы, реагентов для регенерации, промывной воды, используемое оборудование более компактно.

К аппаратам непрерывного действия относятся также колонны с движущимся слоем ионита. Сточная вода в них подается снизу, смола – сверху.