Лекция 8

Обработка воды методом ионного обмена

Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей и в значительной степени освобождена от коллоидных. Однако основная часть примесей в истинно-растворенном состоянии остается в воде и должна быть удалена из нее. В настоящее время для этого применяют ионный обмен, а также мембранные и термический методы.

Сущность ионного метода заключается в использовании способности некоторых материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. При ионном обмене сорбция из раствора ионов одного вида обязательно сопровождается переходом ранее сорбированных ионов другого вида в раствор. Таким образом, при ионном обмене ионы одного вида заменяются ионами другого. Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твердой основы (матрицы), на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, т.е. возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твердой фазы создается диффузный слой из противоположно заряженных ионов (противоионы). Таким образом, ионит можно представить как твердый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его подвижную часть, а подвижные противоионы - другую. Следовательно, реакции ионного обмена подчиняются правилам, характерным для реакций обратимость процесса обмена ионов является одной из важных закономерностей, позволяющих экономично использовать ионообменный материал в технологических схемах. При истощении ионита можно, повысив в растворе концентрацию первоначальных обменных ионов, сдвинуть реакцию восстановления ионита в исходное состояние, т.е. произвести регенерацию ионита.

Селективность играет очень большую роль в технологии ионного обмена. Физико-химическая сущность селективности при ионном обмене вытекает из закона Кулона. Ясно, что с увеличением заряда иона возрастает и сила притяжения к иониту. При осуществлении ионного обмена путем фильтрования воды через слой в последнем можно выделить три участка: отработавший (а), рабочий (в) и еще не работавший (с) (рис. 4.1).

Протекая через ионит, насыщенный ионами А, обрабатываемый раствор, содержащий ионы В, будет постоянно контактировать с новыми слоями ионита. Со временем верхние слои ионита отдадут все ионы А и потеряют свою ионообменную способность (а). Вследствие этого переходная зона, в которой происходит ионный обмен (в), будет перемещаться вниз по слою до достижения стационарной ширины. Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне называется фронтом фильтрования. В нижних слоях (с) ионит еще полностью насыщен ионами А.

На границе между первым и вторым участками располагается зона исходной концентрации ионов, а на границе между вторым и третьим участками располагается зона нулевой концентрации ионов. В определенный момент времени зона нулевой концентрации достигает нижней границы слоя и происходит проскок ионов в фильтрат. Это обычно служит сигналом для отключения фильтра на регенерацию. К этому времени обменная емкость фильтра использована не полностью и, очевидно, что на степень ее использования будет влиять ширина рабочего участка, т.е. область между исходной и нулевой концентрациями удаляемых ионов. Распределение концентраций на этом участке носит название фронта фильтрования.

В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов может сформироваться острый фронт фильтрования, который переносится параллельно, или размытый (диффузный), расширяющийся при движении по высоте слоя ионита.

в

а

О О О О

о о о о о о о о о о о о

• • • •

с

Рис.4.1. Схема ионообменного процесса в ионитном фильтре:

' - ионит, насыщенный ионами А; О - ионит, насыщенный ионами В

4.2 Ионообменные материалы и их характеристики

Ионообменные материалы характеризуются рядом показателей их качества, из которых основными являются: рабочая емкость поглощения, фракционный состав (размер зерен), насыпной вес и коэффициент набухания. Рабочая емкость является наиболее важным показателем качества и зависит о некоторых свойств ионообменного материала и условий его эксплуатации.

Все известные ионообменные материалы по химическому составу можно разделить на две групп: минеральные и органические. Минеральные практически не применяются на ТЭС из-за малой емкости поглощения и способности к разложению в кислой среде с выделением кремниевой кислоты. В настоящее время на ТЭС находят применение лишь специально синтезированные иониты органического происхождения. При синтезе создается матрица и в нее вводятся функциональные группы. Имеется несколько путей для этого, но в основном это осуществляется введением

функциональных групп в молекулы какого-либо имеющегося нерастворимого в воде органического вещества с последующим введением в его молекулу функциональных групп. По первому пути синтеза получают различные марки сульфоуглей. Для этого фракционированный уголь обрабатывают серной кислотой. Рабочая емкость поглощения сульфоугля при водород-катионировании зависит главным образом от состава исходной воды. В этом случае рабочая емкость сульфоугля увеличивается с ростом удельного содержания иона HCO³³ в исходной воде. Величина рабочей емкости поглощения зависит также от концентрации в умягчаемой воде катионов, одноименных обменному, которые называются противоионами. Увеличение концентрации противоионов обуславливает снижение рабочей емкости.

Но основное направление синтеза состоит в получении ионитов на основе искусственных смол. Матрица такого ионита представляет собой пространственную сетчатую структуру из углеводородных цепей, которая может быть получена поликонденсацией или полимеризацией. В последние годы все чаще используют полимеризационные смолы, полученные на основе стирола. При полимеризации стирола образуется линейный полимер, который “сшивается” с молекулами дивинилбензола с образованием трехмерной структуры. Функциональные группы, которые придают материалу смолы ионообменные свойства, присоединяются к бензольным ядрам, замещая в них атомы водорода. Группы, придающие ионитам свойства катионитов: сульфогруппа, карбоксильная, фенольная. При контакте с водой функциональные группы катионитов диссоциируют с отщеплением ионов водорода, которые образуют диффузный слой. Монофункциональные катиониты, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными, а содержащие карбоксильные группы -

слабокислотными. Имеются катиониты, содержащие обе группы, например сульфоуголь.

Функциональными группами, придающими материалу смолы анионообменные свойства, являются различные аминогруппы (-N, -NH, - NH₂) и группы четырехзамещенного аммония (NR3OH). При присоединении первых трех групп образуются слабоосновные аниониты, а последняя группа придает аниониту сильноосновный характер. Аминогруппы сорбируют ионы водорода с образованием комплексов NH₃, и последующим образованием диффузного слоя. Группа NR₃OH диссоциирует с переходом иона ОН в диффузный слой. Слабоосновные аниониты успешно осуществляют ионный обмен лишь в кислых средах, тогда как у высокоосновных обмен происходит в широкой области значений рН.

Качество ионитов определяется рядом физико-химических и технологических свойств, важнейшими из которых являются фракционный состав, насыпная масса, химическая стойкость, механическая прочность, обменная емкость, кислотность или основность.

В технологии ионного обмена применяются иониты с диаметром зерен 0,3 - 1,5 мм. Во влажном состоянии иониты набухают и увеличивают свой объем, что надо учитывать при заполнении фильтров. Степень набухания зависит от материала ионита, ионной формы, рН и других факторов и составляет 1,05 - 2.

При эксплуатации иониты подвергаются механическим нагрузкам (сдавливанию, трению), поэтому они частично истираются, повышается концентрация мелких частиц и как следствие этого возрастает гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя. Механически прочные иониты должны иметь коэффициент истираемости не более 0,5 % в год.

3 3

Насыпная масса ионита, т/м или кг/дм , характеризуется массой единицы его объема. Различают насыпную массу ионита в воздушно-сухом

у_с, а также во влажном у_в состояниях, понимая под этим массу воздушно­сухого ионита в единице объема и массу влажного набухшего материала в единице объема. Значение у_с используется при определении размера склада ионитов, значение у_в - для расчета загрузки фильтра.

Степень набухания к_н определяется следующим отношением:

^кн ^_ Тс/ув?

где к_н и у_в зависят от рН, ионной формы ионита, состава примесей и др.

Химическая стойкость ионитов выражается в их способности противостоять растворяющему действию воды и ее примесей. Под действием среды может происходить пептизация ионитов, т.е. переход в коллоидный раствор. Химическая стойкость ионитов зависит от рН среды, природы и концентрации растворенных в ней ионов, от температуры, с повышением которой стойкость снижается. Это обстоятельство является основным препятствием, не позволяющим повышать температуру на фильтрах более 50 °С.

При нормальных условиях срок службы ионитов может достигать 10 лет и более без ухудшения их химических свойств.

Механическая прочность ионитов - истираемость ионитов, которая влияет на потери материала в течение нескольких лет. Годовой износ отечественных ионитов, используемых в различных установках для очистки природных вод и конденсатов, колеблется от 10 до 35 %. В результате периодически требуется досыпать материалы в фильтры и заменять иониты.

Обменная емкость является важнейшей технологической характеристикой ионитов. Она выражается количеством ионов, поглощенных единицей массы или единицей объема ионита.

Обменная емкость, определенная в момент выравнивания концентрации поглощаемого иона в воде и фильтрате, называется полной.

Примерные значения полных обменных емкостей Е_п для ионитов различных

типов приведены в табл.4.1.

В эксплуатации фильтрование часто прекращается в момент, когда концентрация определенного поглощаемого иона в фильтрате составляет некоторое весьма малое значение - это рабочая емкость. Обменная емкость зависит от условий регенерации, ионной формы, природы поглощаемых ионов, рН среды, скорости потока среды, геометрических характеристик слоя. Процесс ионного обмена циклический. По истощении ионита требуется восстановление его обменной способности - регенерации, при которой используется обратимость процесса обмена ионов.

Тип ионита	-5 Еп, г-экв/м
Сильнокислотный катионит, содержащий 8% ДВБ,	1800
гелевого типа
Слабокислотный катионит гелевого типа	3500
Сульфоуголь	500
Сильноосновный анионит:
типа 1	1000
типа 2	1300
Слабоосновный анионит	2600

Таблица 4.1