Пречистване на вода чрез йонообмен

Йонообмен – процесът на обмен на йони на твърда матрица (йонит ) с водни йони.

Йонният обмен е един от основните методи за пречистване на водата от йонно замърсяване,дълбоко обезсоляване на водата. Наличието на разнообразие от йонообменни материали позволява да се решават проблемите с пречистването на вода от различни химични състави с висока ефективност. Това е единственият метод, който дава възможност за селективно извличане на някои компоненти от разтвор, например соли на твърдост, тежки метали.

Йонообменниците са твърди неразтворими вещества, съдържащи функционални (йоногенни) групи, способни на йонизация в разтвори и обмен на йони с електролити. По време на йонизацията на функционалните групи възникват два вида йони: някои са твърдо фиксирани върху рамката (матрица) R на йонообменника, други са с противоположен знак (контриони), способни да преминат в разтвор в замяна на еквивалентно количество други йони със същия знак от разтвора.

Йонитите се разделят според свойствата на йоногенните групи на четири основни типа:

По естеството на матрицата те се разделят на:

неорганични йонообменници;
органични йонити.

Катионообменници – йонообменници с аниони или анионобменни групи, фиксирани върху матрицата, обменящи катиони с околната среда.

Ако катионобменникът е бил във водородна H + - форма, тогава всички катиони във водата се екстрахират. Пречистеният разтвор е кисел.

Когато разтвор, съдържащ смес от катиони като Na, Ca, Mg, Fe (естествена вода) се движи през катионобменника, в неговия слой се образуват сорбционни фронтове на всеки катион и се получава техният неедновременен пробив във филтрата. Почистването е завършено, когатовъв филтрата на основния извлечен или контролиран йон.

Анионообменници – йонообменници с катиони или катионообменни групи, фиксирани върху матрицата, обменящи аниони с околната среда.

Ако анионобменникът е в хидроксилна ОН - форма, тогава, като правило, разтвор след контакт с катионобменника в Н + - форма, която има кисела реакция, се доставя за пречистване от аниони.

В този случай всички аниони, присъстващи в разтвора, се екстрахират. Пречистеният разтвор е неутрален.

Когато разтвор, съдържащ смес от аниони, като Cl, SO4, PO4, NO3, преминава през анионобменника, в неговия слой се образуват сорбционни фронтове на всеки йон и пробивът им във филтрата не започва едновременно. Пречистването на водата приключва, когато във филтрата се появи екстрахируем йон.

Амфолитите съдържат фиксирани катионобменни и анионобменни групи и при определени условия действат или като катионобменник, или като анионобменник. Използва се за обработка на технологични решения.

Селективните йонообменници съдържат специално подбрани йоногенни групи, които имат висок афинитет към един или група йони. Те могат да се използват за пречистване на вода от определени йони, като бор, тежки метали или радионуклиди.

Основните характеристики на йонообменниците са:

обменен капацитет;
селективност;
механична сила;
осмотична стабилност;
химическа стабилност;
температурна стабилност;
гранулометричен (фракционен) състав.

Обменен капацитет

За количествена характеристика на йонообменните и сорбционните свойства на йонообменниците се използват следните стойности: общ, динамичен и работен обменен капацитет.

Завършенообменен капацитет (POE) се определя от броя на функционалните групи, способни на йонен обмен на единица маса сух на въздух или набъбнал йонит и се изразява в mg-eq/g или mg-eq/l. Това е постоянна стойност, която е посочена в паспорта на йонообменника и не зависи от концентрацията или природата на обменения йон. POE може да се промени (намали) поради термично, химическо или радиационно излагане. При реални работни условия POE намалява с времето поради стареене на йонообменната матрица, необратима абсорбция на отровни йони (органични, желязо и др.), които блокират функционални групи.

Равновесният (статичен) обменен капацитет зависи от концентрацията на йони във водата, pH и съотношението на обемите на йонообменника и разтвора по време на измерванията. Необходим е за извършване на изчисления на технологичните процеси.

Динамичният обменен капацитет (DOE) е най-важният показател в процесите на пречистване на вода. При реални условия на многократно използване на йонообменника в цикъла сорбция-регенерация обменният капацитет не се използва напълно, а само частично. Степента на използване се определя от метода на регенериране и разхода на регенериращия агент, времето за контакт на йонообменника с водата и с регенериращия агент, концентрацията на сол, рН, конструкцията и хидродинамиката на използвания апарат. Фигурата показва, чепроцесът на пречистване на водата се спираспира при определена концентрация на ограничаващия йон, като правило, много преди пълното насищане на йонообменника. Броят на абсорбираните йони в този случай, съответстващ на площта на правоъгълника А, свързан с обема на йонообменника, ще бъде DOE. Броят на абсорбираните йони, съответстващ на пълното насищане, когато пробивът е 1, съответстващ на сумата от DOE и площта на защрихованата фигура над S-образната крива, се нарича общ динамичен обменкапацитет (PDOE). При типични процеси за пречистване на вода DOE обикновено не надвишава 0,4–0,7 PFU.

Ориз. Сравнение на пълен динамичен PDOE и динамичен обменен капацитет на DOE. Защрихованата зона A съответства на DOE, а цялата област над кривата, като се вземе предвид пробивът на соли, съответства на PDOE

Селективност. Под селективност се разбира способността за селективно сорбиране на йони от разтвори със сложен състав. Селективността се определя от вида на йоногенните групи, броя на напречните връзки на йонообменната матрица, размера на порите и състава на разтвора. За повечето йонообменници селективността е ниска, но са разработени специални проби, които имат висока способност да извличат определени йони.

Механична якост показва способността на йонообменника да издържа на механични натоварвания. Йонитите се тестват за абразия в специални мелници или чрез теглото на товар, който разрушава определен брой частици. Всички полимеризационни йонообменници имат висока якост. При поликондензацията тя е значително по-ниска. Увеличаването на степента на омрежване на полимера увеличава неговата якост, но влошава скоростта на йонен обмен.

Осмотична стабилност. Най-голямото разрушаване на йонообменните частици се получава при промяна на характеристиките на средата, в която се намират. Тъй като всички йонити са структурирани гелове, техният обем зависи от съдържанието на сол, pH на средата и йонната форма на йонита. Когато тези характеристики се променят, обемът на зърното се променя. Поради осмотичния ефект обемът на зърната в концентрираните разтвори е по-малък, отколкото в разредените. Тази промяна обаче не настъпва едновременно, а когато концентрациите на "новия" разтвор се изравнят по обема на зърното. Следователно външният слой се свива или разширява по-бързо от ядрото на частицата; възникват големи вътрешни напрежения иотчупване на горния слой или разцепване на цялото зърно. Това явление се нарича "осмотичен шок". Всеки йонообменник е в състояние да издържи определен брой цикли на такива промени в характеристиките на средата. Това се нарича неговата осмотична сила или стабилност. Най-голяма промяна в обема настъпва при слабо киселинни катионобменници. Наличието на макропори в структурата на йонитните зърна увеличава работната му повърхност, ускорява пренабъбването и дава възможност за "дишане" на отделните слоеве. Следователно, силно киселинните катионообменници с макропореста структура са най-осмотично стабилни, докато слабо киселинните катионообменници са най-малко осмотично стабилни. Осмотичната стабилност се определя като броя на цели зърна, свързани с общия им първоначален брой, след многократно (150 пъти) третиране на проба от йонообменника последователно в киселинен и алкален разтвор с междинно промиване с деминерализирана вода.

Химична стабилност. Всички йонообменници имат определена устойчивост на разтвори на киселини, основи и окислители. Всички полимеризационни йонообменници имат по-голяма химическа устойчивост от поликондензационните. Катионните смоли са по-стабилни от анионните смоли. Сред анионообменниците слабо базичните са по-устойчиви на киселини, основи и окислители, отколкото силно базичните.

Температурната стабилност на катионните обменници е по-висока от тази на анионните обменници. Слабокиселинните катионообменници са ефективни при температури до 130 ° C, силно киселинният тип KU-2-8 - до 100–120 ° C, а повечето анионобменници - не по-високи от 60, максимум 80 ° C. В същото време, като правило, H- или OH-формите на йонообменниците са по-малко стабилни от солните.

Фракционен състав. Синтетичните йонообменници от полимеризационен тип се произвеждат под формата на сферични частици с размер от 0,3 до 2,0 mm. Поликондензационните йонообменници се произвеждат под формата на натрошени частици с неправилна форма с размер 0,4–2,0 mm.Стандартните йонообменници от тип полимеризация са с размер от 0,3 до 1,2 mm. Средният размер на полимеризационните йонообменници е от 0,5 до 0,7 mm (фиг.). Коефициентът на хетерогенност е не повече от 1,9. Това осигурява приемлива хидравлична устойчивост на слоя. За процеси, когато йонообменниците се използват в кипящ слой, в СССР те се произвеждат под формата на 2 класа по размер: клас А с размер 0,6–2,0 mm и клас B с размер 0,3–1,2 mm.

В чужбина, използвайки специални технологии, се произвеждат йонообменници от моносферен тип Purofine, Amberjet, Marat h on, имащи частици с много малък разпределение на размера: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (фиг.). Такива йонообменници имат по-висок обменен капацитет, осмотична и механична стабилност. Слоевете от моносферни йонообменници имат по-ниско хидравлично съпротивление, смесените слоеве от такава катионобменна смола и анионобменна смола са много по-добре разделени.