Ионный обмен

Ионный обмен является одним из эффективных методов удаления из воды анионов и катионов. Это одна из важнейших стадий очистки, используемая как этап предварительной очистки, так и для получения воды очищенной.

Ионный обмен основан на использовании ионитов – сетчатых полимеров разной степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры, ковалентно связанных с ионогенными группами (рис.1):

Рис. 1. Общий вид ионитов, используемых в ионообменных смолах.

Диссоциация этих групп в воде или в растворах дает ионную пару – фиксированный на полимере ион и подвижный противоион, который обменивается на ионы одноименного заряда (катионы или анионы) из раствора. При химическом обессоливании обмен ионов является обратимым процессом между твердой и жидкой фазами. Включение в состав смол различных функциональных групп приводит к образованию смол избирательного действия.

Ионообменные смолы делятся на анионообменные и катионообменные. Катионообменные смолы содержат функциональные группы, способные к обмену положительных ионов, анионообменные – к обмену отрицательных (рис. 2):

Рис.2. Принцип ионного обмена

Смолы могут быть дополнительно разделены на 4 основные группы: сильнокислотные, слабокислотные катионообменные смолы и сильноосновные и слабоосновные анионообменные смолы.

Существует два типа ионообменных аппаратов, как правило, колоночных:

• С раздельным слоем катионита и анионита;

• Со смешанным слоем.

Аппараты первого типа состоят из двух последовательно расположенных колонн, первая из которых по ходу обрабатываемой воды заполнена катионитом, а вторая – анионитом (рис.3). Аппараты второго типа состоят из одной колонны, заполненной смесью этих ионообменных смол.

рис. 3. Принцип работы ионообменной установки

Примечание: катионит регенерируется хлористоводородной кислотой; анионит – гидроксидом натрия.

Преимуществами ионного обмена являются малые капитальные затраты, простота, отсутствие принципиальных ограничений для достижения больших производительностей.

Использование метода ионного обмена целесообразно при слабой минерализации воды: ниже 100 200 мг/л солей, т.к. уже при умеренной (около 1 г/л содержании солей) для очистки 1 м³ воды будет необходимо затратить 5 л 30% раствора соляной кислоты и 4 л 50% раствора щелочи.

Смолы обладают рядом существенных недостатков, которые затрудняют их использование:

• Большинство ионообменных смол обладает низкой гидрофильностью, что обуславливает малую скорость диффузии ионов внутрь гранул смолы и низкую скорость сорбции и десорбции;

• На практике ионообменные смолы применяются в виде гранул, слеживание которых в колонке во время процесса сорбции вызывает необходимость проведения принудительного взрыхления приводящего к постепенному механическому разрушению гранул в процессе эксплуатации;

• Ионообменные смолы требуют частой регенерации для восстановления обменной способности.

Регенерация ионообменных смол производится как правило растворами кислоты хлористоводородной (для Н⁺ формы) и натрия гидроксида (для ОН^- формы). На качество регенерации влияет выбор регенерирующего раствора, тип ионообменной смолы, скорость, температура, чистота, тип и концентрация регенерирующего раствора, время его контакта с ионитами.

Для приготовления растворов кислоты хлористоводородной и натрия гидроксида, их хранения и защиты персонала от возможных утечек, необходимы специальные емкости.

В процессе регенерации образуется большое количество сильно кислых и сильно щелочных промывочных вод, которые должны подвергаться нейтрализации перед сбросом в систему сточных вод.

Системы ионного обмена требуют предварительной очистки от нерастворимых твердых частиц, химически активных реагентов (хлора в потоке воды во избежание загрязнения смолы и ухудшения ее качества.

Ионообменная технология обеспечивает классическое обессоливание воды и являетсяэкономичной системой при получении воды очищенной. Данная технология позволяет получать воду с очень низким показателем удельной электропроводности. Однако при длительном использовании ионообменников может спонтанно возникнуть проблема роста микроорганизмов. Для снижения микробной контаминации используются УФ-лампы, постоянная рециркуляция воды в петле распределения, сведение к минимуму или вообще исключение перерывов в работе оборудования. Поскольку данный метод не обеспечивает микробиологической чистоты из-за использования ионообменных смол, поэтому его использование для получения воды очищенной целесообразно в сочетании со стерилизующей (0,22 мкм) микрофильтрацией.