Ионный обмен в водоподготовке

Введение

Основные проблемы с водой

В большинстве случаев вода, поступающая как из скважины, так зачастую и из муниципальной водопроводной системы, нуждается в предварительной обработке, целью которой является доведение качества воды до действующих нормативов.

Судить о качестве воды и ее соответствии или несоответствии установленным нормам можно только на основании максимально полного химического и бактериологического анализа. Только на основе анализа можно делать окончательный вывод о той проблеме или комплексе проблем, с которыми придется иметь дело.

Наиболее распространенными неприятностями c водой, с которыми приходится сталкиваться следующие:

-Наличие в воде нерастворенных механических частиц: песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ.

-Присутствие в воде растворенного железа и марганца.

-Жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния.

-Наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности.

-Бактериологическая загрязненность.

Естественно, что приведенный выше список не исчерпывает всего многообразия проблем, возникающих с водой, однако знакомит Вас с наиболее распространенными из них.

Методы улучшения качества воды в зависимости от загрязнения

Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. [17]

 В принципе существует два метода улучшения качества воды:

-Метод хим. добавок для связывания нежелательных элементов

-Метод устранения самих примесей из воды

Из названия самих этих методов видно, что метод устранения более предпочтителен, чем ввод дополнительных химических ингредиентов, что может привести к появлению побочных эффектов.

 

Проблема с водой Цветность Мутность   Жесткость Запах Температура воды Водородный показатель pH Аммиак Нитриты Нитраты Свободный хлор Хлориды Фосфор общий Кремний общий Монофосфаты Марганец общий Магний Поташ Электропроводимость Карбонаты Сульфаты Окисляемость Хлор остаточный Органический углерод Кислород Общее железо Общее количество бактерий Фекальный колиформы Общие колиформы

Метод решения   Фильтрация на активированном угле/ коагуляция + фильтрация   Фильтрация на активированном угле/ коагуляция + фильтрация   Ионный обмен/обратный осмос   Фильтрация на активированном угле /озоновая обработка/аэрация   Охлаждение   Регулирование pH/аэрация/нейтрализация/подщелачивание/декорбанизация   Выветривание/ионный обмен/обратный осмос   Озонирование/хлорирование   Ионный обмен/обратный осмос   Фильтрация на активированном угле   Ионный обмен/обратный осмос/фильтрация на активированном угле   Обратный осмос   Обратный осмос   Обратный осмос   Деманганация   Ионный обмен/обратный осмос   Ионный обмен/обратный осмос   Ионный обмен/обратный осмос   Ионный обмен/обратный осмос   Ионный обмен/обратный осмос   Ионный обмен/обратный осмос   Фильтрация на активированном угле   Фильтрация на активированном угле/озонирование + фильтрация на активированном угле   Аэрация (при низком содержании)   Обезжелезивание   Дезинфекция (Озонирование/ хлорирование /УФ обработка)

Необходимость доочистки воды

Поступающая в наш дом вода в большинстве случаев требует доочистки. Это связано с тем, что проходя через трубы, набирает довольно большое количество посторонних примесей, которые вредны для здоровья, а некоторые соли на станциях водоподготовки не удаляются. А для того чтобы все биохимические процессы в организме человека протекали в оптимальном режиме, вода должна иметь определенное качество:

Вода должна быть абсолютно чистая. Она не должна содержать хлора и его органических соединений, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов, пестицидов, ксенобиотиков, бактерий, вирусов, грибков, паразитов, простейших, органических веществ и т.д.

Вода должна быть "жидкой", биологически доступной, легкоусвояемой, т.е. степень поверхностного натяжения между молекулами воды не должна быть слишком большой. Водопроводная вода имеет степень поверхностного натяжения до 73 дин/см, а внутри и внеклеточная вода около 43 дин/см. Клетке требуется большое количество энергии на преодоление поверхностного натяжения воды.

Вода должна быть средней жесткости. Так как и очень жесткая и очень мягкая вода одинаково неприемлема для клеток.

Вода должна быть нейтральной.

Вода должна быть слабоминерализованна для поддержания электролитного состава жидкостей организма.

Каким же образом мы можем изменить физико-химические свойства воды, чтобы сделать ее: чистой, "жидкой", биологически доступной, легкоусвояемой, безопасной, химически активной, именно такой, чтобы она соответствовала потребностям живой клетки?

Мы можем: прокипятить, отстоять, профильтровать, заморозить и разморозить, электроактивировать, минерализовать, изменить рН при помощи химических методов, омагнитить, дистиллировать, воздействовать на нее светом, звуком, биополем и многое многое другое. [17]

Ионный обмен в водоподготовке

ионообмен смола вода очистка

ИОННЫЙ ОБМЕН - это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.

В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения, обессоливания воды, селективного удаления различных ионов и т.д. Подлежащая очистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионитами, подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами других ионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионы называются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса - матрицы и функциональных групп - фиксированных ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами.

В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являются катионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.

Основными характеристиками ионитов являются: селективность, рабочая обменная емкость и кинетика ионного обмена.

Селективность ионита показывает, насколько эффективно ионит способен удалять те или иные противоионы в присутствии других конкурирующих противоионов. Селективность ионитов определяется природой матрицы ионита, типом функциональных групп, концентрацией противоионов в растворе и т.д. Как правило, селективность ионитов возрастает с увеличением заряда противоиона, а среди ионов с одним и тем же зарядом - с увеличением атомного веса. Т.е., чем тяжелее противоион и чем выше его заряд, тем большую селективность проявляет к нему ионит. Типичный ряд селективности показан ниже:

 

 

Исключение составляют противоионы, которые образуют малодиссоциирующие соединения с фиксированными группами, например, слабоосновные иониты с анионами слабых кислот (карбонатами), или некоторые цеолиты с аммонием. Кроме того, возможны специфические взаимодействия, основанные на хелатном эффекте или на ситовом эффекте.

Обращение селективности наблюдается при увеличении концентрации раствора. Например, двухзарядные противоионы могут быть вытеснены из ионита однозарядными противоионами при контакте с раствором, содержащим однозарядные противоионы в высокой концентрации. Этим определяется важнейшее свойство ионитов - их способность к регенерации после насыщения ионами, удаляемыми из воды, путем промывки примерно 5-6%-ми растворами кислот (для катионитов) или щелочей (для анионитов) или 10-12%-ыми растворами солей. Именно это свойство позволяет многократно, в течение нескольких лет, использовать загрузку ионитов для очистки воды.

Величина рабочей обменной емкости определяет, как долго может работать ионит в данных условиях до первого проскока поглощаемого иона в фильтрат, а, следовательно, показывает ресурс работы ионита в процессе водоподготовки. Обычно обменную емкость принято выражать в эквивалентах на литр набухшего ионита.

Кинетика ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции и, следовательно, требуемую скорость фильтрования. На скорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрация раствора и т.д.

Общая скорость процесса ионного обмена может быть представлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора):

В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды, доминирующим фактором, определяющим скорость ионного обмена, является диффузия ионов внутри зерна ионита. Следовательно, скорость ионного обмена, прежде всего, зависит от размера зерна ионита и увеличивается с уменьшением размера зерна.

В зависимости от природы матрицы различают неорганические и органические иониты. [17]

Виды ионитов

 

Органические иониты

 

Органические иониты - это в основном синтетические ионообменные смолы. Органическая матрица изготавливается путем поликонденсации мономерных органических молекул, таких как стирол, дивинилбензол, акриламид и т.д. В эту матрицу химическим путем вводятся ионогенные группы (фиксированные ионы) кислотного или основного типа. Традиционно вводимыми группами кислотного типа являются -СООН; -SО3Н; -РО4Н2 и т.п., а основного типа: ≡N; =NH; -NH2; -NR3+ и т.п. Современные ионообменные смолы, как правило, обладают высокой обменной ёмкостью и стабильностью в работе.

Иониты способны к набуханию в воде, что обусловлено присутствием гидрофильных фиксированных групп, способных к гидратации. Однако беспредельному набуханию, т.е. растворению, препятствуют поперечные связи. Степень поперечной связанности задается при синтезе ионитов через количество вводимого сшивающего агента - дивинилбензола (ДВБ). Стандартные смолы, используемые для умягчения, содержат 8% ДВБ. Доступные в настоящее время смолы могут содержать от 2 до 20%. В целом степень набухания ионитов определяется количеством сшивки ДВБ, концентрацией гидрофильных ионогенных групп в объеме зерна ионита и тем, какие противоионы находятся в ионите. Обычно однозарядные ионы, особенно ионы водорода и гидроксила, приводят к наибольшему набуханию; многозарядные противоионы приводят к некоторому сжатию и уменьшению объема зерен.

На данный момент ионообменные смолы выпускаются в двух модификациях: гелевые и макропористые.

Гелевые смолы представляют собой гомогенные поперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены по всему объему полимера. При небольшом содержании сшивки, они обладают высокой обменной емкостью, однако характеризуются невысокой прочностью. При увеличении содержание сшивки повышается прочность, но уменьшается набухание и замедляется скорость обмена.

Макропористые смолы характеризуются фиксированной системой пор и каналов, которая задается во время синтеза, что позволяет вводить большое количество ДВБ для повышения механической устойчивости без замедления кинетики обмена. Однако при этом сокращается обменная емкость, так как доступными для обмена оказываются только фиксированные ионы на стенках пор - это 10-30% всего полимера.

Особого внимания заслуживают монодисперсные смолы, которые в отличие от стандартных полидисперсных смол характеризуются постоянным диаметром гранул с отклонением не более 50 мкм (полидисперсность стандартных смол составляет от 0,3 до 1,2 мм). Монодисперсность обеспечивает увеличение скорости ионного обмена, так как время диффузии ионов во всех гранулах одинаково, что приводит к увеличению рабочей обменной емкости. Кроме того, особый метод синтеза монодисперсных смол обеспечивает увеличение механической прочности. [17]