Метод ионного обмена кратко

Обновлено: 02.07.2024

Ионный обмен (ионообменная сорбция) – метод, при котором происходит рокировка ионов между двумя взаимодействующими структурами. В данном случае речь идёт о воде и о фильтре, очищающем её.

Из школьного курса физики и химии мы знаем, что все вещества имеют ионы. Ион – это положительно или отрицательно заряженная частица, которая образуется в результате присоединения электронов к веществу. Таким образом, ионы способны менять структуру вещества, наделяя его новыми свойствами.

Технология ионного обмена считается одним из самых популярных методов водоподготовки. Её используют в промышленных масштабах: на предприятиях нефтяной, химической, машиностроительной отрасли, а так же в работе реакторов – как тепловых, так и атомных. Так же находится место и для бытового использования, в частности, для облагораживания воды из скважин в частных домах, квартирах, на дачах.

Востребованность легко объяснить относительно доступной стоимостью, высокой эффективностью, простотой эксплуатации и экологически чистым производством. Все эти факторы важны и для крупных заводов, и в личном пользовании, а самое главное – ионообменный принцип очистки воды интуитивно понятен большинству потребителей, поэтому данному виду фильтра оказывается высокий процент доверия.

Так же ионный обмен котируется в процессе очистки сточных вод на особо опасных предприятиях, имеющих дело с вредными химическими элементами. Технология настолько точно воздействует на примеси в воде, что её использование одобрено экологическим контролем!

И даже несмотря на то, что процессы сбора микроэлементов и очистки химических отбросов являются узконаправленными сферами деятельности, технологичность метода является доказательством безопасности и надежности потребления воды, защищенной даже от самых мизерных частиц.

1.2 Виды и характеристики ионообменных смол

Какой фильтр способен на такую тонкую работу? Существует два типа ионообменных фильтров:

Природные в свою очередь делятся на органические и неорганические. Неорганика представлена цеолитами, глинистыми структурами, шпатами, слюдой. Семейство органических фильтров включает в себя слабокислые виды почв и угля. Всех их объединяет высокая пористость и эффективность, но ввиду того, что их запасы в природе ограничены, а ресурсы невозобновляемы, человечеству пришлось сосредоточить внимание на создании синтетических материалов, обладающих теми же сорбционными свойствами.

Существуют и комплексные типа ионообменных смол, имеющих сразу оба заряда, а так же смолы, способные этот заряд менять – но именно в очистке воды чаще всего используются два первых типа.

Как выглядит этот фильтр? Его принято называть ионообменной смолой, хотя на вид она скорее напоминает гранулы оранжевого сахара или рыбьей икры. По своей структуре ионная смола может быть пористой или гелевой. Поры пропускают сквозь себя воду с содержащимися в ней элементами, а гель частично растворяется и набухает в воде, вбирая в себя нежелательные примеси.

Р ис. Вид ионнобменной смолы

Ионообменная смола создана из высокотехнологичного соединения элементов, способных обеспечивать высокие очистные показатели для воды, соответственно, она имеет высокий уровень гигроскопичности и износостойкости, так как способна работать даже с самыми агрессивными элементами.

Этот полимер поистине уникален, его показатели эффективности способны работать не только на определенном отрезке времени, но даже по истечению срока годности – для этого необходимо произвести подпитку смолы. К слову, срок годности напрямую зависит от уровня загрязнения – чем он выше, тем скорее придется реанимировать систему. В среднем, один рабочий цикл составляет 1-3 года, а регенерация может проводиться раз в 1-3 месяца.

2. Правила восстановления ионообменной смолы.

Как понять, что пора провести обработку ионной смолы? Лучше, конечно, проводить эти меры, не дожидаясь сигналов в виде испорченного оборудования и техники, но если вы решили максимально испытать работу фильтра, имейте ввиду – не произведенная вовремя подпитка чревата просачиванием в воду не переработанных элементов. Чтобы продлить срок службы основного ионообменного фильтра, нередко устанавливаются дополнительные методы фильтрации, которые направлены на удержание технического мусора в виде песка или ржавой окалины, а так же более мелких частиц, способных быть выловленными фильтром на стандартной загрузке активированного угля. Этот способ действительно может помочь продлить срок работы системы и избавить потребителя от постоянной нужды проводить следующий ритуал.

В финале данной процедуры в фильтр добавляется специальный регенерирующий раствор. В зависимости от анионо-катионного состояния, в роли раствора может играть обычная поваренная соль, минеральные кислоты, щёлочи.

Всё, фильтр снова готов к работе!

3. Умягчение воды с помощью метода ионного обмена.

Магний, калий, кальций, железо, марганец – нет, мы не перечисляем состав, написанный на этикетке витаминов. Мы говорим о составе воды. Казалось бы, замечательно – важнейшие микроэлементы текут из крана сами, зачем тогда вообще нужны витамины и зачем очищать воду?

Всё дело в том, что в воде они содержатся в неправильном, окисленном, виде, то есть пользы для здоровья никакой, а при достаточно интенсивном и продолжительном накоплении будет проявляться даже вред.

Отношения данных элементов с окружающей средой так же неоднозначные: все они являются причиной жесткости воды. О жесткой воде слишком много рассказывать не стоит: все мы знаем о существовании шероховатого белого налета на технике и посуде, о ржавых потеках в ванной и санузле, о том, что из-за этого ломаются стиральные машины, выходят из строя системы водонагрева и трубы, так как известковый налет имеет низкую теплопроводность. Вот и получается, что трубы как бы греют, но в доме всё равно холодно, а поднять градус нагрева нельзя – опять же благодаря накипи, так как она может спровоцировать разрыв системы.

Жесткая вода – это невкусно. Соли жесткости крадут запахи и вкусы у продуктов и напитков, поэтому пища не имеет тех ярко выраженных качеств, которые мы ожидаем от нее.

Жесткая вода – это расточительно. Расход чистящих и моющих средств выше, так как жесткость не позволяет им пениться и в полной мере воздействовать на предмет чистки.

Вода – это риск развития заболеваний. Не так давно Всемирная организация здравоохранения предоставила отчет о том, что соли жесткости влияют на состояние сердца и кровеносной системы, истончают их стенки, провоцируют накопление холестерина. Таким образом, можно установить связь между регулярным потреблением жесткой воды и рисками для здоровья, которые, к слову, занимают первое место в России по числу смертности. Так же соли жесткости способствуют образованию камней в почках.

Словом – плюсов у жесткой воды нет. Конечно, если употребить в качестве утоления жажды стакан такой воды, смертельного случая не произойдет, но тем и опасна жесткая вода, что мы привыкаем к её соседству ежедневно. Нас не коробит её вкус, мы примиряемся с вечным налетом, а следовательно – мы постоянно, постепенно, наращиваем уровень накопления элементов, которых не должно быть в нашем организме.

Не менее опасна жесткая вода и для техники. Работая на высоких температурах, большинство промышленных установок нуждаются в охлаждении и промывке водой. Нередко вода сама по себе является генератором производственных процессов, поэтому к её состоянию приковано очень большое внимание.

Представьте себе известковый налет на многомиллионном оборудовании. Сколько средств и сил будет стоить восстановление технических качеств этой машины? Сколько времени придется потратить на простой производства в связи с помехой в работе? Всё это дорого и трудозатратно, поэтому всегда дешевле потратиться на очистную систему, чем возвращаться к проблеме ремонта снова и снова.

4. Достоинства и недостатки ионообменной очистки воды.

Ионообменная смола – это современный и экологичный продукт, она очень эффективна даже в работе с крайне сложными и опасными элементами, а потому бытовые задачи для неё и вовсе являются элементарными.

Приобретая ионообменный фильтр, вы можете быть уверены в том, что ваш дом покинут такие явления как накипь, налет, ржавчина, а общее состояние организма увеличится в пользу тонуса и энергичности.

Вы сможете экономить на отсутствии таких трат как умягчающие средства для стирки, а так же реже покупать чистящие средства, потому как их расход заметно сократится. Приятная новость для дам – теперь за волосами не нужно будет ухаживать, используя несколько средств защиты и питания, так как агрессивное воздействие на них сойдет к минимуму.

Владельцы частных домов могут использовать один водный поток и для употребления его в пищу, и для бытовых, а так же технических нужд, так как показатели жидкости, прошедшей через ионообменную смолу, подходят для всех представленных задач. Это значительно упрощает систему водоподготовки, а так же позволяет экономить средства.

Кстати, о средствах. Ионообменная система водоочистки не может считаться ни дешевой, ни дорогой – ценовой диапазон является приемлемым и доступным для основных категорий населения, а потому задача приобретения фильтра не превратится в семейный кошмар. Расходные материалы, в частности ионообменная смола и регенерирующий раствор – так же не представляют обременения.

Ионообменный фильтр – тихий, сравнительно компактный и простой в обслуживании инструмент. Он имеет ёмкость с фильтром, куда поступает вода по специально установленной трубке, а так же бак с регенерирующей смесью, трубку отвода чистой воды и ручной клапан, позволяющий регулировать работу системы. Всё просто и доступно даже для тех, кто не привык взаимодействовать с какими бы то ни было приборами.

Помимо натрия, в употребление человеком идут и активаторы ионообменной смолы, которыми подпитывается фильтр. Ведь когда раствор попадает в нужную среду, он не исчезает сам собой. Куда он девается? Смывается с потоком переработанной воды в кран.

Определенные неудобства имеет и процесс промывки ионообменной соли. Согласитесь, не у всех есть возможность продувать, промывать и сушить фильтрующий агент у себя дома. К тому же надо понимать, что на время отсутствия фильтра, дом будет лишен возможности пользоваться чистой водой.

При этом в деле промышленного производства минусов у ионообменной смолы нет, это действительно эффективный и практичный способ подготовки воды к работе с механикой.

Мы всегда готовы помочь вам выбрать правильный фильтр. Обращаясь к нашим специалистам, вы сможете получить полную и честную консультацию, которая развеет все ваши сомнения и ответит на все вопросы, касающиеся состава вод, сроках обслуживания и методах использования.

Ионный обмен — разновидность обратимой химической реакции, при которой твердое вещество обменивается ионами с раствором электролита. Ионный обмен реализуется на веществах — ионитах, которые представляют собой сетчатые полимеры природного, искусственного или синтетического происхождения.

Иониты состоят из неподвижного каркаса – матрицы, и функциональных групп, которыми они обмениваются с ионами электролита. По знаку заряда обменивающихся противоионов иониты разделяют на:

катиониты, в которых противоионы обмениваются с положительными ионами водорода или металлов;
аниониты, способные обмениваться противоионами с гидроксильными группами или кислотными остатками.

Процесс ионного обмена состоит из следующих стадий:

ионы раствора переносятся к поверхности гранулы ионита;
диффузия ионов внутри гранулы;
непосредственная реакция ионного обмена;
диффузия противоиона, вытесняемого изнутри к поверхности гранулы;
перенос противоиона с поверхности гранулы в объем раствора.

Скорость ионного обмена зависит от следующих факторов:

доступности фиксированных ионов в каркасе ионита;
размера гранул ионита;
температуры;
концентрации раствора и др.

Реакция ионного обмена — совокупность процессов, характерных для раствора и для самого ионита. В реальных условиях водного раствора доминирующим фактором будет диффузия ионов внутри зерна ионита. Поэтому скорость ионного обмена будет расти с уменьшением размера зерна ионита.

В водоочистке под ионным обменом понимают реакции разделения, выделения и очистки веществ, проведенные при помощи ионообменных материалов (ионообменных смол, природных цеолитов и др.).

Происхождение ионообменных смол

Неорганические природные иониты могут иметь кристаллическое или слоистое строение — цеолиты, глины, оксиды графита и др. Природные иониты чаще всего катиониты.

Иониты могут проявлять и амфотерные свойства, то есть в зависимости от условий и кислотности среды проявлять себя как катиониты или аниониты.

Синтетические ионообменные материалы (ионообменные смолы) представляют собой гибкие макромолекулы, скрепленные поперечными связями — углеводородными мостиками. Макромолекула имеет вид трехмерной сетки, в некоторых узлах которой имеются заряженные функциональные группы с нейтрализующими их противоионами.

Синтетические иониты способны к набуханию в воде, что обусловлено присутствием в их составе фиксированных гидрофильных групп. Однако полному растворению в воде препятствуют поперечные связи в составе ионообменной смолы. Стандартные умягчающие ионообменные смолы содержат около 8% сшивающего агента — дивинилбензола (ДВБ).

Степень набухания иона зависит от количественного содержания ДВБ, содержания гидрофильных ионогенных групп в составе ионита и вида противоинов, находящихся в ионите.

По внешнему виду синтетические ионообменные смолы представляют собой гранулы разных размеров и форм. Если гранулы получены в результате реакции полимеризации, то их форма почти шарообразная. Если в результате реакции поликонденсации — гранулы неправильной формы.

Характеристики ионитов

Иониты характеризуются следующими параметрами:

гранулометрический состав;
механическая прочность;
осмотическая прочность;
химическая стойкость;
селективность;
плотность ионита.

Селективность ионита — важная характеристика, показывающая, насколько эффективно ионит удаляет определенные противоионы в присутствии других, конкурентных противоионов. Селективность зависит от строения матрицы ионита, типов функциональных групп, содержания противоионов в растворе и т.д. [2].

Селективность ионитов растет с увеличением заряда противоиона. Если у ионов один и тот же заряд, то селективность возрастает с увеличением атомного веса. Наибольшую селективность ионит будет проявлять к противоиону с самым большим атомным весом и с наибольшим зарядом.

Типичный ряд селективности ионитов выглядит следующим образом:

В зависимости от противоиона, которым насыщен рабочий раствор, различают H-форму, Na-форму, Ca-форму и для катионитов, и OH-форму, Cl-форму для анионитов.

Метод ионного обмена — один из самых распространенных способов очистки воды — применяют в тех случаях, когда в растворе содержатся небольшие концентрации загрязняющих веществ или на завершающей стадии очистки.

Установки ионообменного обессоливания воды эксплуатируют в системах водоподготовки для получения воды высокой степени чистоты. Такую воду используют для работы котлов высоких параметров на тепловых и атомных электростанциях.

Для очистки сточных вод метод ионного обмена применяют обычно на завершающей стадии и в тех случаях, когда к воде, выходящей из очистных сооружений, предъявляют повышенные требования.

Метод ионного обмена используют для очистки растворов от неорганических соединений, диссоциированных на ионы.

Процесс ионного обмена заключается в извлечении из раствора ионов-примесей и замене их на другие ионы (Н+ или Na+), не влияющие на качество воды. Этот процесс протекает на поверхности материалов, называемых ионообменными.

Ионы, присутствующие в растворе, подходят к поверхности ионообменного материала, в структуре которого имеются легкоподвижные ионы. Происходит замена иона, присутствующею в растворе, на ионную группу, входящую в состав ионообменной смолы. Ионные группы, первоначально входящие в состав смолы, переходят в раствор, а ионы, присутствующие в растворе, хемосорбируются на поверхности полимерного материала.

Существуют два вида ионообменных смол — одни смолы способны к обмену катионами, другие — к обмену анионами.

Смолы, которые способны к обмену катионами, называются катионообменными смолами, а процесс, протекающий с их участием, — катионированием.

Различают две разновидности катионообменных процессов: Н-катионирование (смолы обменивают катионы, которые присутствуют в растворе, на ионы водорода) и Na-катионирование (смолы обменивают ионы, которые присутствуют в растворе, на ионы натрия).

Полимерные материалы, способные к обмену анионами, называют анионообменными смолами, а процесс, протекающий с их участием, — анионированием.

Имеются две разновидности анионообменных смол. Одни смолы обладают способностью к обмену с анионами сильных кислот (в процессе работы они хемосорбируют на своей поверхности СГ, SOI-, N03; в раствор переходят ионы ОН"); другие хемосорбируют анионы слабых кислот — угольной и кремниевой кислот. Независимо от вида применяемой смолы в раствор поступают ионы ОН".

Первыми ионообменными материалами были неорганические алюмосиликаты натрия, которые получали либо синтетическим путем, либо путем переработки природного глауконитового песка — минерала, известного под названием цеолит.

В настоящее время в качестве ионитов применяют синтетические высокомолекулярные вещества, полученные методом полимеризации.

На рис. 5.14 показан процесс образования полимера на основе стирола и дивинилбензола.

Структура ионообменной смолы — пористая и проницаемая, поэтому весь ионит участвует в процессе ионного обмена. Типичная ионообменная смола имеет форму гранул размером 0,3 — 0,8 мм.

Применяемые в промышленности ионообменные смолы — это, в основном, синтетические материалы.

Ионообменные материалы с отрицательно заряженными центрами обмена являются катионообменниками (катионитами), так как принимают положительно заряженные ионы. Катиониты получают в процессе взаимодействия смолы с серной кислотой. Суль- фогруппы соединяются с каждым ядром структуры, образуя центры обмена:

(5.9)

где X — двухвалентный катионообменник.

В приведенном примере в ионите происходит замена присутствующих в воде ионов натрия на ионы водорода. Осуществляется процесс водород-катионирования (Н-катионирование).

Умягчение воды с помощью ионообменника Na2X приводит к замене в растворе катионов кальция на катионы натрия:

(5.10)

(5.11)

Анионообменники (аниониты) имеют положительно заряженные центры обмена и принимают отрицательно заряженные ионы. Основу анионообменных смол составляют различные полимерные материалы. Функциональной группой анионообменника является амин, который представляет собой органический эквивалент аммиака.

Слабоосновные анионообменники имеют вторичную или третичную аминогруппу —RR|—NH или RRj—N—R, которая может адсорбировать сильные кислоты.

Сильноосновные анионообменники содержат четвертичный амин, который способен к обмену всех анионов. Наиболее часто применяемый анионит, содержащий четвертичный амин, имеет формулу —R • N(CH3)3 • Cl.

Слабоосновные аниониты позволяют удалять только анионы минеральных кислот — НС1, H2S04, HN03. Типичная реакция:

(5.12)

Сильноосновные иониты применяются для удаления всех анионов, в том числе и слабых кислот.

Основными характеристиками ионитов являются обменная емкость и избирательность. Обменная емкость характеризует количество ионов, выраженное в миллиграммах (мг) или миллиграммах-эквивалентах (мг-экв), которое поглощает 1 м3 ионита. Избирательность ионитов показывает очередность сорбции ионов, присутствующих в растворе, и прочность их связи с ионообменной смолой. Избирательность зависит от структуры смолы и характера обменно-активной группы, а также от ионной валентности адсорбирующихся ионов. Обычно трехвалентные ионы имеют более высокую избирательность, чем двухвалентные. Последние в свою очередь сорбируются на ионите в большей степени, чем одновалентные ионы. Среди ионов одной группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева избирательность меняется в зависимости от порядкового (атомного) номера. Например, Ва gt; Sr gt; Са gt; Mg.

Обменная емкость и избирательность зависят также от радиуса гидратированного иона — чем больше радиус, тем ниже избирательность и обменная емкость.

Порядок избирательности ионов для процесса Н-катионирования для воды, в которой присутствуют различные ионы, следующий:

Наибольшей избирательной способностью обладают ионы, находящиеся в начале перечня (Fe3+, СЮ4). Таким образом, если процесс ионного обмена проводить до истощения ионообменника, то сначала в выходящем потоке будут обнаруживать ионы, расположенные в конце перечня (например, катионы NH4 и анионы F“).

Процесс ионного обмена является периодическим и состоит из нескольких стадий: очистка воды или раствора; промывка ионита; регенерация ионита; окончательная отмывка ионообменника.

Схемы последовательности заполнения слоев ионами на различных стадиях ионного обмена приведены на рис. 5.15 и 5.16. В на-

а — новый ионит для Н-катионирования; б — при истощении ионообменника; в— после обратной промывки водой; г— после регенерации

Рис. 5.16. Изменения в распределении ионов в анионите в процессе проведения анионирования:

а — новый анионит; б— при истощении ионообменника; в— после обратной промывки водой; г— после регенерации

чале процесса ионодбменник готов к работе. Он заполнен смолой, содержащей функциональные группы Н+ (рис. 5.15, а) или ОН” (рис. 5.16, а).

В процессе основного рабочего цикла происходит насыщение смолы ионами, присутствующими в растворе. В процессе Н-катиони- рования нижние слои смолы остаются с активными центрами, содержащими ионы Н+, далее следует слой катионита, содержащий ионы Na+. И, наконец, верхние слои адсорбировали катионы Са2+ (рис. 5.15, б).

Процесс анионирования происходит аналогичным образом. Очередность расположения слоев, заполненных анионами ОН , сильных и слабых кислот, показана на рис. 5.16, б. Обычно цикл заканчивают в то время, когда остается значительное количество неиспользованной обменной емкости ионита. Это объясняется тем, что при регенерации ионитов расходуются реагенты в количествах, значительно превышающих их стехиометрические значения. Если бы смолы использовались до полною истощения, то это привело бы к значительному перерасходу регенерационных реагентов.

Промывка ионитов проводится в целях удаления механических примесей. Часто ей предшествует операция взрыхления смолы воздухом. После проведения промывки структура заполнения слоев не меняется (рис. 5.15, в и 5.16, в).

Регенерацию смолы проводят для удаления сорбированных ионов и подготовки ионообменника к новому рабочему циклу. Выбор регенерационного раствора зависит от типа ионообменника: при

Na-катионировании в качестве регенерацонного раствора используют раствор поваренной соли NaCl, при Н-катионировании — любую минеральную кислоту (чаще раствор серной кислоты, как наиболее дешевый).

Регенерацию анионитов осуществляют раствором щелочи NaOH.

После проведения регенерации структура слоев ионообменной смолы меняется. В нижней части катионообменника оказывается слой смолы, заполненный катионами Na\ далее следуют слои, содержащие Ca2t и Н+(рис. 5.15, г).

Для анионообменной смолы внизу находятся слои с адсорбированными анионами слабых и сильных кислот, а верхний слой содержит ионы ОН“ (рис. 5.16, г).

Na-катионирование проводят в тех случаях, когда не требуется глубокого умягчения воды. Этот процесс используют для подго-

Рис. 5.17. Ионитовый вертикальный фильтр:

/— верхнее распределительное устройство; 2— люки; 3— нижнее дренажное устройство; 4— слой ионитовой смолы

товки воды в системах горячего теплоснабжения, для получения технической воды на промышленных предприятиях.

Н-катионирование дает возможность получить глубокоочигцен- ную воду. Его применяют в системах подготовки воды для питания котлов высокого давления, для выработки электроэнергии на электростанциях.

В полных схемах водоподготовки используются две ступени ани- онирования. На I ступени проводится очистка воды от анионов сильных кислот, на II ступени — от анионов слабых кислот.

Типовая конструкция ионообменного аппарата приведена на рис. 5.17. Он представляет собой емкость, заполненную ионообменной смолой. В нижней части аппарата находится дренажное устройство, которое обеспечивает распределение смолы. В верхней части расположено распределительное устройство для обеспечения равномерной подачи воды. Вода, подаваемая на очистку, вводится в верхнюю часть аппарата и с помощью дренажного устройства равномерно распределяется по фильтру. Очищенная вода выводится из нижней части аппарата. В фильтре предусмотрены устройства для промывки и регенерации смолы.

Несомненным достоинством иоинообменного метода водоподготовки и водоочистки является возможность получения на выходе чистой воды с очень низкими остаточными концентрациями примесей. В отдельных случаях остаточная концентрация ионов не превышает нескольких микрограммов на литр. Недостаток метода состоит в большом расходе реагентов на регенерацию и получении значительного количества отходящих регенерационных растворов.

В среднем по России расход реагентов для регенерации иони- товых фильтров оценивается в 450 — 500 тыс. т в год, а затраты на их приобретение — в 60 млн долл, (более 1 500 млн р.) в год.

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита. Ионный обмен может происходить как в гомогенной среде (истинный раствор нескольких электролитов), так и в гетерогенной, в которой один из электролитов является твёрдым (при контакте раствора электролита с осадком, ионитом и др.).

Катио́нный обмен — частный случай ионного обмена, под которым в химии понимают обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами.

Основные принципы ионного обмена

Ионный обмен основан на использовании ионитов — сетчатых полимеров разной степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры, ковалентно связанных с ионогенными группами. 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, то они являются катионами (например, ионы водорода Н + или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, то есть являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.

Кинетика ионного обмена

Кинетика ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции. 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.

Ионный обмен воды относится к методам обессоливания водных растворов. В отличие от обычного фильтрования через зернистые материалы, когда состав водного раствора не меняется, фильтрование ионообменным методом очистки воды основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы - иониты, которыми предварительно заполняют специальные резервуары - ионные фильтры. Полезная работа ионных фильтров, заключаемая в возможности осуществлять требуемый ионный обмен между ионитом и фильтруемым водным раствором, называется обменной емкостью ионитового материала.

Опреснение воды ионным обменом применяется для природных вод с величиной минерализации менее 1,5 - 2 г/л и общей концентрацией сульфатов и хлоридов не выше 5 мг/л, взвешенных примесей - до 8 мг/л, цветности воды - не более 30 град, перманганатной окисляемости - до 7 мг/л О₂.

Ионный обмен как метод очистки воды

В основе механизма деминерализации воды ионным обменом лежит способность ионообменных смол избирательно забирать из электролита ионы металлов взамен на эквивалентное количество ионов ионита. На скорость процесса влияет валентность ионов, их заряд, степень гидратации, радиус иона. Реакция ионного обмена в воде:

Na + 4+ + 2+ 2+ 2+ 3+ 3+

В результате прохождения воды сначала через катионитовые, а затем ОН - , СО 3- или НСО 3- анионитовые фильтры подвижные ионы ионитов замещаются растворенными в воде анионами и катионами. Реакция ионного обмена между веществами и водой:

H[Кат] + NaCL ↔ Na[Кат] + HCL;

На рабочую обменную емкость катионитов существенно влияют анионный состав водного раствора и общее солесодержание, выражающееся отношением концентрации ионов НСО 3– в воде к сумме концентраций ионов НСО 3– , SO₄ 2– , CL – , NO 3– .

Попадая в анионитовые фильтры, анионы образующихся кислот и находящиеся в исходном водном растворе обмениваются на подвижные ионы анионитов:

Ионообменная обработка воды

Наиболее часто используют аниониты, в состав которых входят амино- и амониевые функциональные группы. Аниониты с первичными (-NH₂), вторичными (=NH) и третичными (≡N) аминогруппами характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые группы (-N + R_a) - сильноосновными свойствами. Слабоосновные аниониты проявляют реакционную способность только в кислой среде, сильноосновные - в растворах с любой реакцией.

Катиониты и аниониты делят на моно- и полифункциональные. Монокатиониты, имеющие в составе сульфогруппу, относятся к сильнокислым, диссоциируют полностью и могут осуществлять ионный обмен в растворе с любым рН. Катиониты с карбоксильной и фенольной группами являются слабокислотными и могут активно работать лишь в щелочной среде. Фосфоросодержащие группы имеют среднее значение кислотности. Слабоосновные аниониты чаще бывают полифункциональными. Полезная обменная емкость анионитов повышается с понижением рН раствора.

В качестве ионитов применяют синтетические смолы, полученные путем полимеризации или поликонденсации. На скорость ионного обмена влияет быстрота диффузии ионов к границе раздела ионит - водный раствор. В компактных по структуре фильтрах процесс идет быстро и преимущественно на внешних слоях - экстрамицеллярный ионообмен, но при этом сорбционная емкость ионита задействована не в полном объеме. В пористых фильтрах величина капилляров больше диаметра гидратированных катионов и анионов, ионообмен проходит на внутренней стороне - интермицеллярный процесс. Он медленнее, но характеризуется большим сорбционным потенциалом.

Ионный обмен для очистки воды

Для деминерализации воды водный раствор, избавленный от основных примесей путем предварительной очистки, поступает последовательно в катионобменные и анионообменные фильтры. В катионите связываются ионы металлов, а в раствор уходят соответствующие кислоты. Образующийся СО₂ удаляют дегазацией. Затем в анионите происходит сорбция сильнокислых анионов.

В зависимости от необходимой глубины очистки реализуются одно-, двух- и трехступенчатые ионообменные аппараты. Во всех установках ионообменной очистки воды для связывания катионов металлов из водного раствора применяют сильнокислотные катиониты с хорошей сорбционной способностью.

При непрерывной работе ионообменной установки независимо от количества ступеней очистки каждый цикл должен включать минимум два фильтра. Через ионитовый аппарат пропускают часть водного раствора, затем смешивают его с оставшейся водой и обеспечивают в деминерализованной воде концентрацию солей, отвечающую требованиям потребителя: для питьевого и хозяйственного использования оно должно составлять 0,5 - 1 г/л, при присутствии хлоридов не более 0,35, сульфатов - до 0,5 г/л.

Для получения водного раствора с общей минерализацией до 0,5 мг/л и одновременным обескремниванием его до 1 мг/л применяют установки с двухступенчатой схемой Н + и ОН - ионирования. Если же содержание солей необходимо довести до 0,1 мг/л, а содержание кремниевой кислоты до 0,05 мг/л, используют трехступенчатое ионирование.

Основные цели применения ионообменного метода обессоливания воды

Наибольшее распространение ионообменный метод получил при умягчении водных растворов: избавлении их от растворенных Сa 2+ и Mg 2+ , вызывающих нарастание накипи на оборудовании. Для этого используют Na-катионирование, H-Na катионовый метод, Na-CL ионирование воды. В результате ионообменной реакции Na замещает накипеобразующие Ca, Mg, образуя отлично растворимые в воде соли. Восстановление ионообменной способности смолы проводят хлоридом натрия.

Ионообменная очистка воды от железа

Обезжелезивание воды катионированием используют при необходимости одновременного удаления Fe и солей, обуславливающих жесткость, и когда обрабатываемый водный раствор на пути к катионитовому фильтру не обогащается кислородом. Вода проходит через фильтры, загруженные Na-катионитом. Регенерируют такой катионит NaCl.

На Na и K катионитовых фильтрах эффективно удаляются из водных растворов ионы Mn 2+ путем перевода их в соединения марганца (IV). Mарганец (II) окисляется KMnO₄ до оксида Mn (IV), который пленкой осаждается на зернах катионита. Марганцевый катионит получают обработкой любого катионита в натриевой форме с дисперсностью 0,5 - 1,2 мм последовательным пропусканием 0,5% растворов MnCL₂ и KMnO₄. Формула ионного обмена в воде:

где Ме + - ион К + или Na + .

Подробнее про обработку воды ионным обменом в частных домах вы можете прочитать здесь!

Другое применение ионного обмена для очистки воды

Кроме комплексного удаления ионов, существуют селективные или монофункциональные иониты, направленные на поглощение определенного вида ионов (B - , F - , NO₃ - , редкоземельных и тяжелых металлов). Комплексообразующие ионообменные смолы преимущественно связывают ионы, способные к образованию координационной связи с определенными элементами, входящими в состав селективных ионитов.

Метод ионного обмена для получения воды очищенной

Соединение в одной установке смешанного действия анионита и катионита позволяет достигнуть высокой чистоты раствора: за один цикл удаляются практически все растворенные ионы. Получаем чистую воду с низкой минерализацией и нейтральным рН. Избирательно подобранные по размеру и плотности зерна монодисперсных ионитов в современных фильтрах обеспечивают качественное связывание и стабильность параметров. Такие установки ионного обмена воды не регенерируются и подлежат замене при выработке ионообменной емкости.

Преимущества очистки воды с помощью ионного обмена

Метод ионного обмена при очистке воды - одна из самых востребованных технологий для деминерализации и смягчения природной воды, поскольку позволяет добиться высокой чистоты, соответствующей нормативам промышленных объектов разного назначения. Разнообразие ионитов по составу и конструкционному исполнению позволяет подобрать фильтр как для селективной очистки от определенного иона, так и для комплексного обессоливания водных растворов, исходя из требований производства.

К минусам ионообменной технологии очистки воды можно отнести:

значительный расход реагентов;
необходимость восстановления сорбционной способности ионитов;
большой объем сточных и промывных вод от регенерации;
стоимость обессоливания воды методом ионного обмена сильно растет с увеличением концентрации солей в водном растворе;
уменьшение эффективности ионообменного метода опреснения и обессоливания воды с повышением минерализации воды;
необходимость утилизировать отработанный ионит;
невысокая скорость фильтрации.

Как выбрать ионообменную установку для воды

Выбирать ионообменные установки для очистки воды нужно, исходя из технических условий на ионообменные материалы, учитывая требования потребителей очищенной воды и экономические показатели. Общие рекомендации при выборе схемы ионообменной очистки воды:

Читайте также: