Ионообменная очистка воды

Ионообмен - процесс обмена ионов между раствором электролита (сточной водой) и ионитом. Иониты - это вещества, способные к ионному обмену при контакте с раствором.

Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару «фиксированный ион», который ковалентно связан с каркасом (матрицей) ионита и «противоион», который подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из раствора. Благодаря эквивалентности обмена ионами обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса.

В простейшем случае ионного обмена система содержит два типа обменивающихся ионов и, следовательно, характеризуется четырьмя равновесными концентрациями (для каждого иона в растворе и в ионите).

Во многих реальных ионообменных системах ионный обмен сопровождается побочными явлениями, в первую очередь комплексообразованием, переносом растворителя (воды), неэквивалентным обменом, окислительно-восстановительными реакциями. Поглощение воды ионитами сопровождается увеличением объема зерен и слоя сорбента и зависит от суммарного солесодержания раствора и степени сшивки ионита.

Окислительно-восстановительные реакции для собственно ионообменных сорбентов обычно обусловлены низкомолекулярными примесями в них, удаляемыми предварительной обработкой сорбентов кислотами, щелочами, окислителями.

Процесс ионного обмена включает 5 последовательных стадий:

- перемещение сорбируемого иона к поверхности зерна сорбента;

- перемещение сорбируемого иона внутри сорбента;

- собственно ионный обмен;

- перемещение вытесняемого иона внутри зерна сорбента;

- перемещение вытесняемого иона от поверхности сорбента.

Все стадии, кроме собственно химической реакции обмена, носят диффузионный характер.

Большинство ионообменных процессов проводится в динамических условиях - пропусканием раствора через неподвижный слой сорбента в периодических процессах или противоточным движением раствора и сорбента в непрерывных процессах. Преимущества динамического способа -глубокая очистка раствора от примесей (благодаря контакту со свежими порциями сорбента) и полное использование обменной емкости слоя (вследствие увода потоком раствора продуктов из зоны реакции).

Для характеристики сорбционной способности ионита в динамических условиях используют ур-ние Шилова:

q = kX — t, где q - время защитного действия слоя сорбента, X - длина слоя сорбента, k-коэф. защитного действия слоя, зависящий от величины равновесной адсорбции, концентрации иона в растворе и скорости потока раствора, t -потеря времени защитного действия слоя. Все расчеты динамики ионного обмена базируются на решении системы уравнений для каждого компонента.

Ионный обмен является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов. Этот метод позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (хром, цинк, свинец, медь, ртуть, соединения мышьяка и фосфора).

Процессы ионного обмена используют в аналитической химии и в промышленности. С помощью ионного обмена концентрируют следовые кол-ва определяемых веществ, определяют суммарное солесодержание растворов, удаляют мешающие анализу ионы, количественно разделяют компоненты сложных смесей. Ионный обмен применяют: для получения умягченной и обессоленной воды в тепловой и атомной энергетике, в электронной промышленности; в цветной металлургии - при комплексной гидрометаллургической переработке бедных руд цветных, редких и благородных металлов; в пищевой промышленности - в производстве сахара, при переработке гидролизатов; в медицинской промышленности - при получении антибиотиков и др. лекарственных средств, а также во многих отраслях промышленности - для очистки сточных вод в целях организации оборотного водоснабжения и извлечения ценных компонентов, очистки воздуха. Разрабатываются ионообменные методы комплексного извлечения из океанской воды ценных микрокомпонентов.

Промышленные аппараты для реализации ионного обмена схожи садсорбционными установками и подразделяются на 3 группы: установки типа смесителей-отстойников, фильтры с неподвижным и подвижным слоями сорбента. Аппараты первого типа используют в гидрометаллургии. В фильтрах с неподвижным слоем сорбента исходные и регенерационные растворы подаются в одном направлении (поточные схемы) или в противоположных (противоточные схемы). Такие аппараты используются для ионообменной очистки растворов, напр., при умягчении и обессоливании воды. В непрерывно действующих противоточных аппаратах подвижный сорбент, как правило, перемещается сверху вниз под действием силы тяжести. Конструктивно противоточные аппараты подразделяются на 3 группы: со взвешенным или кипящим слоем ионита, с непрерывным движением плотного слоя, с попеременным движением раствора через неподвижный слой и перемещением слоя при прекращении движения раствора. Для разделения смесей близких по свойствам компонентов (например, изотопов) используют малопроизводительные, но эффективные аппараты с поочередным движением фаз и со сплошным слоем периодически выгружаемого сорбента. Технологическая схема ионного обмена включает: сорбцию извлекаемых или удаляемых элементов, взрыхление слоя ионита (током раствора снизу вверх), регенерацию ионита, промывку слоя ионита от регенерирующего раствора.

Иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Важнейшим свойством ионитов является их обменная емкость - количество грамм-экв. ионов, которое может поглотить 1 м³ ионит до полного насыщения (табл. 11.4.1).

Таблица 11.4.1

Характеристика ионитов

Катионит	Размер зерен, мм	Обменная емкость, г-экв/м3
		Н-катионирования	Na-катионирования
Сульфоуголь СМ-1 Сульфоуголь СК-1	0,3-0,8 0,5-1,1	250 200
Катионит КУ-1 Катионит КУ-2	0,3-1,5 0,3-1,0	300 800	300 800
Анионит	Размер зерен, мм	Обменна емкость	ь по S04-2, г-экв/м
АН-2ФГ	0,3-1,6
АН-18	0,3-1,6
АН-31	0,4-2,0
АВ-18	0,2-0,8
АВ-27	0,4-1,6

Обмен катионов в зависимости от формы (Н, или Na) проходить по реакции:

Ме⁺+H[К] ↔ Ме [К] +Н⁺; (11.4.1)

Me⁺+Na[K] ↔ Me[K]+ Na⁺, (11.4.2)

где К - сложный комплекс катионита; Ме⁺ - катион, находящийся в сточной воде. Регенерация катионита осуществляется промывкой кислотой (Н-катионит) или раствором хлористого натрия (Na-катионит):

2Me[K]+H₂S0₄↔2H[K]+Me₂S0₄; (11.4.3)

Me[K]+NaCI↔Na[K]+MeCl, (l 1.4.4)

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляется в ионообменных колонах периодического или непрерывного действия с псевдожиженным слоем ионита. В аппаратах непрерывного действия ионит движется по замкнутому кругу, пройдя стадии сорбции, регенерации и промывки. Ионообменный метод широко применяется для очистки стока от хромового ангидрида (с последующей утилизацией) в гальванических цехах.