Ионообменные процессы

Общие сведения. В ионообменных процессах осуществляется избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с помощью ионитов.

Отличие ионообменных процессов от обычных адсорбционных состоит в том, что обмен ионами, происходящий между ионитами и раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитом и химическими соединениями, находящимися в водном растворе.

В процессе ионного обмена, по аналогии с адсорбцией, происходит перемещение вытесняющих ионов из раствора к поверхности ионита и вытесняемых ионов — от этой поверхности в раствор (внешняя диффузия), а также перемещение тех же ионов внутри зерен ионита (внутренняя диффузия).

Однако иногда гетерогенная химическая реакция двойного обмена, протекающая на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, является наиболее медленной стадией ионообменного процесса, лимитирующей скорость процесса в целом.

В настоящее время процессы ионообменной сорбции находят все более широкое применение в промышленности. В частности, путем ионного обмена производятся умягчение и обессоливание воды, очистка различных растворов, улавливание и концентрирование ценных металлов из разбав­ленных растворов, разделение смесей веществ и т.д. В ряде случаев ионный обмен может успешно кон­курировать по технико-экономиче­ским показателям с процессами рек­тификации, экстракции и др. Этому способствует простота аппаратурного оформления процессов ионного об­мена.

Устройство ионообменников и схе­мы ионообменных установок. В про­изводственной практике широко рас­пространены ионообменные установ­ки периодического дей­ствия с неподвижным слоем иони­та (рис. XVII-7). Ионообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 и опорной решетки 2, на которой расположен слой гранули­рованного ионита 3. Для более рав­номерного распределения раствора по площади поперечного сечения аппарата и предотвращения уноса мелких частиц ионита имеются рас­пределительные устройства 4 и 5 в виде труб, снабженных колпачками или щелями для прохода раствора. Иногда в качестве распределитель­ного устройства используют подушку (высотой не более 200 мм) из инерт­ного зернистого материала, например гравия, насыпаемого на решетку 2.

Полный цикл работы аппарата складывается из следующих стадий:

1) собственно ионообмена;

2) отмывки ионита от механических примесей,

3) регенерации ионита;

4) отмывки ионита от регенерирующего раствора.

На первой стадии обрабатываемый раствор поступает через распреде­лительное устройство 4, проходит сквозь слой ионита сверху вниз и уда­ляется через распределительное устройство 5. На второй стадии через устройство 5 подается под давлением промывная вода, которая проходит сквозь слой ионита снизу вверх и удаляется через распределительное устройство 4. Для регенерации отработанного ионита через распредели­тельное устройство 6 (насосом 7 из бака 8) в аппарат поступает регенери­рующий раствор, который движется, таким образом, сквозь слой ионита в том же направлении, что и обрабатываемый раствор на первой стадии процесса.

В качестве регенерирующих растворов при очистке воды используют растворы солей (например, хлористого натрия), а также растворы различ­ных кислот и щелочей (серной кислоты, едкого натра и др.), причем в неко­торых ионообменных аппаратах исходный и регенерирующий растворы движутся в противоположных направлениях. При этом степень очистки повышается, так как обрабатываемый раствор, приближаясь к выходу из слоя ионита, взаимодействует с лучше отрегенерированной частью этого слоя.

По окончании стадии регенерации производят тщательную отмывку ионита от регенерирующего раствора водой, которая проходит сквозь слой в направлении сверху вниз. После этой завершающей стадии цикл работы аппарата начинается снова.

Работа ионообменных установок в ряде случаев может быть интенси­фицирована при использовании движущегося или кипящего слоя ионита, способствующего повышению скорости сорбции и лучшему использованию ем­кости ионита.

Ионообменные колонны периодическо­го действия с неподвижным и взвешен­ным слоем могут применяться (как и обычные адсорберы) в виде батареи колонн в ионообменных установках непрерыв­ного действия.

Ионообменные колонны непрерывного действия могут работать с движущимся и кипящим слоем ионита. Для проведе­ния непрерывных процессов ионообмена в кипящем слое возможно использование ступенчатопротивоточных аппаратов с ситчатыми тарелками и переливными устрой­ствами по типу адсорбера, показанного на рис. XVII-5. В этом аппарате жидкость протекает снизу вверх со скоростью, большей скорости начала псевдоожижения частиц ионита. На каждой тарелке ионит находится во взвешенном состоянии, через переливные патрубки он "перетекает" на нижерасположенные тарелки и с нижней тарелки непрерывно отводится на регенерацию.

При проведении непрерывного процесса становится возможным отдель­ные его стадии (ионообмен, регенерацию и отмывку ионита) осуществлять в отдельных аппаратах.

В промышленной практике непрерывную ионообменную сорбцию из пульп в кипящем слое ионита проводят с помощью нескольких после-до­вательно соединенных полых колонн с пневматическим перемешиванием (рис XVII-8). В каждой колонне осуществляется интенсивная циркуляция пульпы посредством сжатого воздуха, подавае­мого в центральную трубу 1, которая работает по принципу эрлифта. Эрлифтное устройство 2 прилагается также для транспорти­рования ионита от ступени к ступени. Унос мелких зерен ионита с пуль­пой предотвращается с помощью сетки 3. Хотя каждый из аппаратов работает в режиме, близком к идеальному смешению, при достаточном числе последовательных ступеней (колонн) в установке достигается высо­кая степень насыщения ионита. Установки такого типа отличаются про­стотой устройства.

Ионообменные аппараты при работе установок с химически активными средами снабжают внутренними антикоррозионными покрытиями (гумми­рование, различные полимерные материалы, перхлорвиниловые лаки и др.).