Ионообменная очистка сточных вод

Ионнообменные технологии

Наша компания, производит гумированные фильтрационные колонны ФОВ с комплексом автоматики на основе пневматического управления, емкостью от 0,7 м3. Колонна выполняется из стали и гуммируется внутри слоем химически стойкой резины. Колонна оборудована распределительной системой из нержавеющей стали и большим люком для разгрузки отработанной смолы, что весьма выгодно отличает ее от стеклопластиковых изделий.

Немного теоретических знаний, зачем же нужны такие ионообменные колонны и что такое вообще ионный обмен:

Так как для медицинских целей, микроэлектроники или пищевой промышленности необходимо получать мягкую воду или особо чистую воду, то единственным экономически оправданным методом удаления из воды солей жесткости является применение ионообменных смол.

Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х — в 90-х годах. Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленных из специальных полимерных материалов, именуемых для простоты «смолой». Внешне такая смола может напомнить мелкую икру рыбы.

Ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные органические вещества с функциональными ионогенными группами, практически не растворимые и способные к обратному обмену ионов на эквивалентное количество других ионов, находящихся в растворе. Таким образом, осуществляется ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол — «ионообменные» или «иониты».

В зависимости от знака заряда обменивающихся ионов (противоионов) иониты подразделяются на:

  • Катиониты — обменивающие положительные ионы;
  • Аниониты — обменивающие отрицательно заряженные ионы;
  • Амфолиты – обменивающие положительно и отрицательно заряженные ионы.

Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.

Иониты бывают пористые, зернистые, материалы имеющие гелевую, изопористую или макропористую структуру.

  • Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.
  • Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии.

Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Аниониты бывают:

  • Сильноосновные — способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;
  • Слабоосновные — способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6, промежуточной и смешанной активности.
  • Сильнокислотные — обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;
  • Слабокислотные — способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

Иониты подразделяются на:

  • природные — некоторые пески, глинистые минера­лы, цеолиты;
  • синтетические — которые, в зависимости от метода получения, классифицируются на полимеризационные и поликонденсационные.

Ионный обмен является разновидностью жидкостной адсорбции, поэтому при расчете процесса ионного обмена целесообразно использовать приемы и принципы по адсорбции.

Большинство ионитов — это полиэлектролиты аморфной или кристаллической структуры. Ионогенные группы, закреплены на каркасе-матрице и диссоциируют, образуя полиионы (фиксированные ионы) и подвижные противоионы, компенсирующие заряды полиионов.

Ионит содержит химически связанные с матрицей составляющей гранулу ио­ны и диссоциированные ионы, являющиеся, по отношению к первым, противоионами. При исследовании свойств ионитов целесообразно руководствоваться теорией электролитической диссоциации.

Например, катион КУ-2-8 получают сульфированием гранулированного сопо­лимера стирола и дивинилбензола. При сополимеризации стирола и дивинилбензола получают спиральные молекулы с 3 звеньями на виток:

По химической природе катиониты являются кислотами, а аниониты — основа­ниями, поэтому в зависимости от вида функционально активных групп, их раз­граничивают по кислотности или основности на типы:

  • сильнокислотные (КУ-2, КУ-1,Сульфоуголь);
  • слабокислотные (КБ-4-П2);
  • среднекислотные.

Соответственно, их химические свойства существенно различаются. Например, слабоосновными анионитами задерживаются только ионы сильных кислот, а анионы слабых кислот (HCO3-) связываются только сильноосновными анионитами.

Очистка воды на ионообменных смолах:

1. Известкование и коагуляция;

2. Н+ Катионитовый фильтр;

3. Анионитовый фильтр.

Выбор схемы очистки зависит от состава исходной воды и требований к качеству очищенной воды. Например, поверхностные воды часто очищают в соответствии со следующей схемой:

Из-за обратимости реакций ионного обмена не удается полностью извлечь ионы, содержащиеся в воде.

Поэтому при получении особо чистой воды или апирогенной воды используют приемы, способствующие достижению высокого качества очистки.

Одним из них является смешивание ионитов. При этом в одном в одном аппарате в перемешанном состоянии находятся катиониты в Н-форме и аниониты в OH-форме.

В результате очень близкого контакта сильнокислого катионита и слабокислого анионита практически одновременно протекают следующие реакции:

HR + NaCl — NaR + HCl

ROH + NaCl — RCl + NaOH

HR + NaOH — NaR + HOH

NaOH + HCl — NaCl + HOH

В результате протекания этих равновероятных реакций, обеспечивается необратимость процесса с получением практически свободной от растворенных ионов воды.

Эффективность массообмена в смешанном слое будет лимитироваться худшими кинетическими характеристиками одного из ионитов, поэтому следует выбирать сорбенты с близкими кинетическими характеристиками.

Опыт практической эксплуатации свидетельствует, что из вариантов сочетаний ионитов «сильный — слабый», «слабый — слабый», «слабый — сильный», «сильный — сильный» катионит и анионит наибольшей эффект достигается в последнем случае.

Эффективность последнего варианта, т.е. сочетание сильноосновного анионита и сильнокислотного катионита, как правило, это очищенные формы АВ-17 и КУ-2, AB-17чC и КУ-2-8чС соответственно, подтверждается удалением значительной части кремния, который находится в форме слабой кислоты и соответственно сорбируется только на сильноосновных сорбентах.

Таким образом, физико-химические и технологические отличительные особенности работы фильтров смешанного действия (ФСД) по сравнению с отдельными колоннами заключаются в сдвиге реакций в сторону образования воды, т.е. малодиссоциированного соединения.

Отметим следующие особенности массообмена в смешанном слое:

1. Качество фильтрата не зависит от концентрации солей в исходном растворе, зависит лишь объем полученного фильтрата;

2. Селективность различных ионов сглаживается, т.е. эффективность извлечения ионов из раствора практически одинакова. Последний фактор существенно увеличивает надежность технологических расчетов. Вследствие малой диссоциации воды возрастает скорость обмена, следовательно, можно применять более высокие скорости фильтрования;

3. При смещении ионитов объем слоя превышает суммарный объем при раздельной эксплуатации, что позволяет вести процесс с большей скоростью.

Все отмеченные факторы приводят к тому, что фронт адсорбции становится менее размытым и динамическая общая емкость (ДОЕ) приближается к полной обменной емкости (ПОЕ).

Более того, улучшается отмываемость сильноосновных катионитов от щелочи, оставшейся от регенерации, из-за экранирующего эффекта катионита. Катионит сорбирует оставшуюся щелочь, анионит оставшуюся кислоту.

Практика эксплуатации ФСД показала, что оптимальное соотношение катионита к аниониту составляет 1/(1,5-2).

Регенерация смешанного слоя ионитов.

Регенерация ионитов в смешанном слое может осуществляться непосредственно в фильтре смешанного действия (ФСД), либо вне аппарата.

Регенерация смешанного слоя в аппарате обуславливает его конструктивные особенности и соотношение ионитов (К/А) — 1/(1,5-2). При регенерации вне аппарата соотношение К/А может достигать 1/3.

Рассмотрим последовательность регенерации, осуществляемой непосредственно в аппарате.

3. Подача воды на очистку;

5. Подача Н-катионированной воды для промывки смол;

6. Вывод деминерализованной воды;

8. Подача Н-катионированной воды для экранирования;

9. Подача сжатого воздуха;

10. Слив в канализацию;

11. Подача воды для промыва среднего дренажа.

Перед регенерацией смесь ионитов разделяют путем подачи воды снизу со скоростью, несколько превышающей скорость осаждения. Катионит вследствие большой плотности (

100-200 кг/м3) перемещается в нижнюю часть аппарата. Сепарацию повторяют 2-3 раза.

Регенерацию разделенных слоев осуществляют: катионита в нижней части фильтра осуществляют путем подачи кислоты снизу вверх, а аниониты в верхней части аппарата щелочью, подаваемой сверху вниз, с выходом обоих реагентов в средней части аппарата. При этом реагенты взаимно нейтрализуют друг друга.

Регенерация с отсечкой.

Проводится аналогичным образом..

Навстречу кислоте по трубопроводу 7 осуществляется подача Н-катионированной воды по трубопроводу 5, и навстречу щелочи (4) осуществляется подача Н-катионированной воды (5). Затем приводится отмывка катионита и анионита (с отсечкой).

Расходы отмывной воды: 5 объемов воды/насыпной объем ионита.

Перед пуском аппарата осуществляют смешение смол сжатым воздухом.

Ионообменная очистка сточных вод

Существует множество способов сделать питьевую воду максимально безопасной. Когда-то наши бабушки и дедушки не слышали про системы фильтрации. Сегодняшняя экология усложнила ситуацию с питьевой вода. Постоянная очистка нагревательных приборов от налета накипи заставляет познать жесткость воды и задуматься о качестве питьевой воды.

Удаление солей жесткости, которые откладываются на бытовых приборах, возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для умягчения воды. Рассмотрим более подробно виды смол, их принцип работы и для чего они в системе очистки.

В борьбе с солями кальция и магния отличным вариантом будут безреагентные умягчители воды. Большая часть смягчающих фильтров работает с помощью реагентов. Вода получает нужный состав благодаря фильтрующей массе и реагентам. Последние могут так же восстанавливать фильтрующие среды. Основой фильтра-ионообменника является смола.

Ионообменная смола для смягчения воды используется во многих сферах:

Основой смолы являются иониты – нерастворимые полиэлектролиты. Различают искусственные, природные и синтетические смолы.

Ионит имеют форму заряженного каркаса с ионами противоположного знака. При контакте ионов каркаса с ионами другого знака происходит смена ионитов.

Направление заряда приводит к делению ионов на амфолиты. К ним прибавляются отрицательные катиониты с положительными аонитами. Катионы притягиваются к катионитам, а анионы – к аноитам.

Каркас может иметь различную основу: химическую, нехимическую, минерально-органическую. Она является сочетанием органики и синтетических ионитов. Если каркас гелиевый, то в него макропористые или гелиевые иониты. Они активны в набухшим состоянии при увеличении объема до 3 раз. Однако их ресурс иссякаем. При ликвидации всех мостиков-сшивок смола перестает смягчать воду.

Существуют смолы с равномерным распределением мостиков – изопористые иониты. При большем впитывании они увеличиваются сильно в объеме.

Набухание ионитов гелиевой основы вызвано раскрытием гранул подобно бутону цветка. Гелиевая структура не имеет сплошных стенок и не однородна. Минусом гелиевых смол является их неспособность поглощать большие органические вещества и ионы. При фильтрации может произойти «отравление смолы» — закупорка пор.

Сегодня наиболее применяемыми являются макропористые иониты. Их преимуществами являются малое изменение объема, хорошо адсорбируют, имеют продолжительные обменные реакции, большую скорость фильтрации, прочные и жесткие. Поры в микропористых смолах являются результатом искусственного процесса: добавление жирных кислот, спиртов и гептана.

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

  • макропористые иониты прочнее гелиевых структур;
  • гелиевые аниониты хуже работают гелиевых катионитов;
  • полистирольные аониты слабее акриловых.

ИВ — исходная вода; OS — обработанная вода; Р — реагент

Смолы для умягчения начали применять только во второй половине прошлого века и быстро себя изжили. В XX веке было сделано максимальное число открытий в области очистки воды. Пик популярности ионообменных смол был в 80-90-ые годы. Потом их стали вытеснять мембраны и обратный осмос. Сегодня смолы для смягчения воды популярны в системах очистки, но не занимают лидирующие позиции.

Для большего понимания принципа работы ионообменную смолу можно сравнить с икрой. Неопытный человек может с первого взгляда перепутать ее с белужьей.

Ранее уже говорилось, что смола для умягчения воды может состоять из трех видов ионитов: аниониты, катиониты и аониты. Наиболее распространенные аониты. Суть разделения в том, что каждый вид может замещать исключительно одноименные иониты.

Аниониты могут иметь сильную или слабую основу, а так же промежуточную и смешанную. Катиониты обладают слабой или сильной кислотностью. Сильная основа анионитов позволяет совершать обмен при любом кислотно-щелочном балансе, слабая – только до 6. Катиониты сильной кислотности могут обмениваться при любом рН, а слабокислотные – до 7.

Таким образом, ионообменная смола умягчает воду, но почти не очищает ее от других примесей. Она может полностью устранить жесткость. Возможно несколько раз прогонять воду через фильтр, что бы сделать ее более мягкой. При каждой очистки увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Иониты могут иметь солевую или смешанную форму. Основу солевой составляют натриевые и хлористые соединения, а смешанной – натрий-хлор или гидроксил-хлорид.

Ионообменные смолы используются в фармакологии, пищевой промышленности, на АЭС для очистки конденсата и т.д.

Иногда дополнительно используют таблетированную соль для умягчения воды. Но обычная столовая соль в таблетках вымывает ионообменные смолы из фильтра. Со временем смола потрескается и утратит свои фильтрующие способности.

Таблетированная солью может восстановить ионнообменную смолу. Продают ее в больших пакетах по 25 кг.

Сегодня во многих магазинах на прилавках легко найти смолу для ионообменного фильтра. Если уже известна марка и зарекомендованной производитель ионообменной смолы, то ее быстро можно найти в интернете.

Основным показателем эффективности работы является влажность, а не поглощение. В смоле присутствует химически связанная влага. Ее удаление ведет к разрушению ионообменной смолы для умягчения воды.

Далее следует обратить внимание на емкость ионов – рабочая, объемная, весовая. Объемная и весовая являются стандартными характеристиками, которые определяются в лабораторных условиях. Они всегда указаны в паспорте продукции.

Рабочую емкость измерить невозможно. Она зависит от формы и глубин фильтрующего слоя смолы. Так же важны и входные параметры очищаемой воды.

Следует обратить внимание на скорость фильтрации, уровень восстановления, размер задерживаемых частиц и т.д.

Источники:
Ионнообменные технологии
Применение ионообменных процессов в очистке сточных вод и водоподготовке
http://me-system.ru/tehnologii/ionnyi-obmen/
Ионообменная смола для умягчения воды
Удаление солей жесткости возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для смягчения воды.
http://vse-o-vode.ru/materials/ionoobmennaya-smola-dlya-umyagcheniya-vody/

COMMENTS