И водоподготовке

Применение метода ионного обмена в очистке сточных вод

Теоретические сведения

Ионный обмен – это процесс извлечения из воды одних ионов и замена их другими.

В технологии очистки сточных вод методы ионного обмена применяют для извлечения ионов токсичных и радиоактивных металлов (Cu²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, ₁₃₇Cs⁺, ₉₀Sr²⁺), ионов, содержащих мышьяк, хром, фосфор и др.(AsO₄^3-, CrO₄^2-,), а также для утилизации ряда ценных химических веществ.

В водоподготовке метод ионный обмена обычно используют для умягчения воды и обессоливания.

Вещества, проявляющие способность к ионному обмену, получили название иониты. Обычно иониты имеют структуру в виде положительно или отрицательно заряженного каркаса. Этот заряд скомпенсирован подвижными противоионами. Именно противоионы участвуют в ионном обмене.

Иониты классифицируют по происхождению на природные и синтетические, по составу - на неорганические и органические, по знаку заряда обменивающихся ионов – на катиониты, аниониты и амфолиты (последние в зависимости от условий могут обмениваться как катионами, так и анионами). К природным неорганическим ионитам относят цеолиты, глинистые минералы. Их каркас представляет правильную сетчатую структуру алюмосиликата, в полостях которой располагаются ионы щелочных или щелочноземельных металлов, являющихся противоионами. К органическим природным ионитам относят гуминовые кислоты почв и углей.

Синтетическими неорганическими ионитами являются силикагели, алюмосиликаты, оксиды и гидроксиды алюминия, хрома, циркония и др., а органическими – ионообменные смолы.

Наибольшее распространение в области водоочистки получили ионообменные смолы – высокомолекулярные соединения, радикалы которых образуют пространственную сетку (каркас) с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами (чаще SO₃H⁺, OH^-).

В общем виде реакции ионного обмена можно представить в виде:

1. при контакте с катионитом: 2RSO₃H^- + MgCl₂ (RSO₃)₂Mg +2HCl;

2. при контакте с анионитом: ROH +NaCl RCl + NaOH.

В воде иониты не растворяются, но набухают, причем размеры их пор увеличиваются от 0,5 – 1,0 нм до 4,0 нм, а объем ионита возрастает в 1,5 – 3 раза. Набухание связано с поглощением молекул воды и влияет на селективность (избирательность) ионита, так как при малом размере его пор крупные ионы не могут достичь внутренних функциональных групп.

Наиболее широкое использование в водоочистке находят следующие марки катионитов: КУ–1, КУ - 2; и анионитов АВ – 17, АН – обменная емкость которых составляет 4 – 10 мг-экв/г.

Процесс ионообменной очистки сточных и природных вод осуществляется в основном на установках периодического действия, работающих в динамическом режиме. Основной характеристикой ионита при этом является его динамическая емкость до проскока или до величины ПДК извлекаемого иона в фильтрате, которая определяется по выходной кривой ионного обмена – зависимости концентрации извлекаемого иона в фильтрате от объема пропущенной с определенной скоростью (мл/мин) сточной воды (рис.1).

Площадь АОВD характеризует динамическую емкость ионита до проскока, площадь OADF – полную ионообменную емкость.

		V
		D

Рис. 1. Выходная кривая ионного обмена

После насыщения, то есть полного исчерпания ионообменной емкости, ионит подвергают регенерации. Для катионитов в качестве регенерирующего агента используют растворы кислот или 30 % раствор хлорида натрия, для анионитов – растворы щелочей.

Метод ионного обмена широко используется для умягчения природных вод. Природная вода содержит растворенные органические и неорганические вещества. Наличие растворенных и взвешенных веществ ограничивает возможность применения воды для бытовых и технологических целей.

Содержание в воде ионов кальция и магния обуславливает жесткость природных вод. Общая жесткость характеризуется суммой концентраций ионов кальция и магния, выраженной в мг–экв/дм³. По величине общей жесткости природные воды делятся на:

- очень мягкие – менее 1,5 мг-экв/л;

- мягкие – 1,5 – 3,0 мг-экв/л;

- средней жесткости – 3,0 – 5,4 мг-экв/л;

- жесткие – 5,4 – 10,7 мг-экв/л;

- очень жесткие – более 10,7мг-экв/л.

В воде ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ связаны с ионами HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^- и др. Жесткость воды, обусловленную содержанием гидрокарбонатов кальция и магния, называют карбонатной или временной жесткостью. При нагревании воды соли временной жесткости разлагаются с выделением менее растворимых карбонатов магния и кальция:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Некарбонатная жесткость (постоянная) обусловлена присутствием в воде сульфатов (растворимость CaSO₄ - 2 г/л), хлоридов, гидроксидов кальция и магния.