Классификация и основные понятия

Ионообменные синтетические смолы широко используются в разных областях деятельности человека. Большая часть производимых на сегодняшний день ионитов применяется в разнообразных технологических процессах (технология неорганических и органических веществ, очистка сточных вод и газовых сред, подготовка воды в разных технологических процессах, катализ, радиохимия, медицина и биология). Также иониты нашли применение и в небольших бытовых системах для доочистки питьевой воды. В настоящее время большую часть российского рынка ионообменных смол занимают зарубежные компании Purolite, Rohm & Haas, Dow Chemical, Bayer, Pure Resin Co. Ltd, украинские ОАО "Азот" (г. Черкассы) и ГП "Смолы" (г. Днепродзержинск), а также российские ОАО "Азот" (г. Кемерово), ЗАО "ТОКЕМ" (г. Кемерово). Ассортимент смол, предлагаемый как зарубежными, так и отечественными поставщиками, многообразен и велик. Этот факт затрудняет создание единой терминологии, наиболее точно и полно характеризующей их свойства и ионообменные процессы.

Ионообменными смолами называются искусственные органические высокомолекулярные соединения, обладающие ионообменными свойствами. Существует несколько типов классификации ионообменных смол.

Катиониты проявляют свойства поликислот, а аниониты - полиоснований.

Также выделяют группу смол под общим названием амфотерные иониты или полиамфолиты . Они содержат подвижные кислотные и основные группы и в зависимости от условий могут проявлять себя как катиониты или аниониты.

Ионит состоит из матрицы (каркаса) - высокомолекулярная, практически нерастворимая в воде или других растворителях часть ионообменного материала, обладающая определенным зарядом (у катионитов - отрицательный, у анионитов - положительный). С матрицей связаны подвижные ионы - противоионы . Противоионы обладают зарядом, противоположным заряду ионогенной группы матрицы. В целом зерно ионообменного материала нейтрально. Противоионы подвижны и способны обмениваться на ионы того же знака. Для наглядности ионит можно сравнить с губкой, в порах которой циркулируют противоионы. Если погрузить губку в раствор, противоионы переместятся в раствор, а их место займут ионы того же знака из раствора, чтобы сохранить электронейтральность зерна.

Если ионит, содержащий только противоионы одного типа (на рисунке 1 они изображены синим цветом), поместить в раствор с противоионами другого типа (на рисунке 1 они изображены красным цветом), то ионы первого типа начнут замещаться на ионы второго типа.

а б

Рисунок 1 - схема ионного обмена между ионитом и раствором

а - начальное состояние; б - ионообменное равновесие;

1 - матрица с фиксированными ионами; 2 - противоионы; 3 - коионы.

Этот процесс будет продолжаться да тех пор, пока не установится равновесие: ионит и раствор будут содержать ионы двух видов в определенном соотношении. Такое состояние принято называть ионообменным равновесием. Помимо противоионов в ионит поступают растворитель с растворенными в нем ионами - коионами . Коионы - ионы, обладающие тем же зарядом, что и матрица ионита.

Катиониты

Катиониты представляют собой высокомолекулярные твердые нерастворимые поликислоты, содержащие кислотные группы: сульфогруппы, карбоксильные, фосфиновокислые, селеновокислые и др. Они диссоциируют в воде на малоподвижный макроанион (матрица) и подвижные катионы:

RAn - | Kt +

Катиониты, у которых все подвижные ионы представлены ионами водорода, обозначаются как H-катиониты или H-форма катионита. В тех случаях, когда вместо водорода подвижные ионы представлены катионами металлов (Na + , Ca 2+ и др.), применяется соответствующее обозначение солевой формы Na- или Ca-катионит либо Na- или Ca-форма катионита.

Катиониты можно разделить на сильнокислотные и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты способны обменивать противоионы на внешние ионы в щелочной, нейтральной и кислой средах. Слабокислотные катиониты обменивают противоионы на другие катионы только в щелочной среде. К сильнокислотным относят катионитам с сильно диссоциированными кислотными группами - сульфокислотными. К слабокислотным относят катиониты со слабо диссоциированными кислотными группами - карбоксильными.

Аниониты

Синтетические аниониты содержат в макромолекуле функциональные группы основного характера и представляют собой твердые полимерные основания. Аниониты диссоциируют в воде на малоподвижный макрокатиоин (матрица) и подвижные анионы:

RKt + | An -

Слабоосновные аниониты имеют в своем составе первичные, вторичные, третичные и четвертичные аминогруппы, сильноосновные аниониты содержат четвертичные аминогруппы. Сильноосновные аниониты обменивают противоионы в щелочной, нейтральной и кислой средах, а слабоосновные - только в кислой среде. Как уже отмечалось, аниониты могут поставляться в гидроксильной (OH -) или солевой (Cl -) форме. При длительном хранении анионитов в гидроксильной форме их обменная емкость может снижаться, что, скорее всего, связано с окислением этих полимеров. В результате этого число свободных основных групп уменьшается. Поэтому хранить смолы рекомендуется в солевой форме и в увлажненном состоянии.

Физико-химические свойства ионитов

1. Обменная ёмкость

Обменная ёмкость - один из наиболее важных показателей свойств ионитов. Она определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену. Измеряется в единицах массы воздушно-сухого или в единицах объема набухшего ионита и соответственно выражается в мг-экв/г или мг-экв/см 3 . Как правило, российские и зарубежные производители смол чаще указывают обменную ёмкость в единицах объема набухшего ионита (мг-экв/см 3 ).

Различают полную и равновесную обменную емкость. Полная обменная емкость (ПОЕ) соответствует общему количеству функциональных групп в единице объема влажного или единицы массы сухого ионита. ПОЕ величина постоянная для данного образца. Так как ионный процесс - процесс равновесный, то вводится понятие «равновесная объёмная ёмкость» (РОЕ). РОЕ зависит от ряда условий протекания процесса: pH среды, температура, концентрации растворов, технологические условия протекания процесса (скорость подачи раствора, площадь фильтрования, др.). Таким образом, равновесная обменная ёмкость величина переменная, зависящая от различных условий.

Селективность

Селективностью называется способность избирательно поглощать из раствора некоторые ионы или группы ионов. При катионном обмене на слабосшитом (до 8 - 10 % ДВБ) сульфокатионите из разбавленных растворов, в которых нет реакций комплексообразования, имеет место следующий ряд селективности для щелочных и щелочноземельных элементов:

Cs + > Rb + > K + > Na + > Li + ;

Ra 2+ > Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ > Be 2+ .

Сродство ионов щелочных и щелочноземельных металлов к слабосшитому сульфокатиониту уменьшается в ряду в полном соответствии с уменьшением их порядкового номера и размера иона и с увеличением радиуса гидратированного иона.

С увеличением количества сшивающего агента в монофункциональных сульфокатионитах и изменение природы функциональных групп (например, с - SO 3 H на - COOH) приводит к полному обращению рядов селективности.

Для сильноосновных анионитов характерен следующий ряд селективности:

SO > I - > NO> CrO > Br - > CSN - > Cl - > F - .

Слабоосновный аниониты проявляют повышенную избирательность к гидроксил-иону (OH -), другие ионы легко им вытесняются. Ряд селективности имеет вид:

OH - > SO > CrO > NO > Br - > Cl - > F - .

Осмотическая стабильность

Иониты способны к набуханию в воде и органических растворителях, при этом проявляется действие осмотических сил на зерно ионита. Степень набухания ионита в воде зависит от свойств ионита и состава раствора и значений pH раствора. При увеличении степени набухания зерен их размер увеличивается, при уменьшении степени набухания - зерно уменьшается. Этот процесс называют «дыханием» ионита. Циклические процессы растягивания и сжатия зерна приводят к разрыву цепей матрицы и растрескиванию гранул ионита. Особенно остро стоит вопрос о механической прочности анионитов, так как их стоимость выше, а срок службы меньше, чем у катионитов. Полностью исключить воздействие осмотических сил на зерно ионита невозможно, но, благодаря некоторым мерам, можно снизить. Нельзя допускать высыхание ионита, поставляемого во влажном состоянии (как правило, массовая доля влаги составляет 40 - 65%). Воздушно-сухие иониты во избежание осмотического удара предварительно замачивается в концентрированном растворе хлорида натрия.

Механическая прочность

Осмотическая устойчивость и механическая прочность ионита зависит от строения матрицы ионита, формы зерна, температуры, свойств среды и других факторов. Разрушение зерна ионита происходит в результате недостаточной осмотической стабильности, при трении гранул друг о друга, о стенки аппаратуры, а также при соприкосновении с движущимися потоками среды. Перепад давления в ионообменных колоннах также может стать причиной растрескивания или полного разрушения гранул ионита. В отечественной литературе для оценки механической прочности ионообменных материалов используют два понятия: истираемость - износ материала вследствие трения зерен друг о друга при промывках (предельное значение - 0,5 %) и измельчаемость - износ в результате растрескивания зерен (до 4 %). Смолы импортного производства характеризуются показателем « cracked» - процентное соотношение целых и треснувших гранул, и показателем « broken» - процентное соотношение целых и полностью разрушенных гранул.

Гранулометрический состав

Скорость всего ионообменного процесса определяется лимитирующей стадией. Для процессов, протекающих в водной среде, это скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через плёнку, пройти через граничную поверхность частицы внутрь смолы. У чистых смол диффузионные пути не загрязнены посторонними примесями и доступ к поверхности зерна не заблокирован. С увеличением скорости потока уменьшается толщина водяной пленки, что облегчает прохождение ионов к поверхности зерна. Повышение температуры воды ведет к уменьшению ее вязкости, что способствует увеличению скорости диффузии и увеличению кинетики ионного обмена. Другим важным фактором является соотношение между объема частицы к ее поверхности. С уменьшением диаметра зерна на каждую функциональную группу приходится большая поверхность обмена.

Существует оптимальное соотношение между размером гранул и толщиной слоя материала, засыпаемого в ионообменные фильтры. Мелкозернистый ионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую ионообменную емкость, чем крупно-зернистый. Однако, с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Исходя из вышесказанного, наибольшее распространение получили смолы с размером зерна 0,3 - 1,5 мм. В технологиях ионирования с противоположными по направлению потоками обрабатываемой воды и регенерирующего раствора большое значение имеет однородность гранул (монодисперсность). Степень однородности размеров зерен существенно влияет на процесс ионного обмена. При промывке вынос мелкой фракции начнется гораздо раньше, чем придут в движение более крупные частицы. Если снизить скорость промывки для предотвращения выноса мелкой фракции, крупные частицы будут промыты недостаточно.

Основные параметры, характеризующие фракционный состав ионообменного материала, определяются ситовым анализом. Навеска материала просеивается через ряд калибровочных сит, остатки на ситах взвешиваются, и определяется процентное соотношение между различными фракциями. На основе полученных результатов высчитывается эквивалентный диаметр зерен d э (эффективный размер), мм.

d э = ,

где p i - процентное содержание зёрен со средним диаметром d k , оставшихся на сите при рассеве. Средний диаметр d k определяется, как размер ячейки сита.

Коэффициент неоднородности загрузки k н

k н = ,

d 80 - калибр сита, через который прошло 80 % при просеивании зерен ионита;

d 10 - калибр сита, через который прошло 10 % при просеивании зерен ионита.

Химическая стойкость

Химическая стойкость ионообменной смолы определяется изменением объёмной ёмкости, типа ионогенных групп, механической прочности и зависит от природы агрессивной среды, строения полимерного каркаса, прочности связи с ним функциональных групп. Химически стойкими являются связи типа C-C, C-P, C-S, связи C-N, C-O легко подвергаются гидролизу. Поэтому химическая стойкость катионитов, как правило, выше, чем анионитов. К разрушающему воздействию кислот и щелочей наиболее устойчивы сульфокатиониты на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. Слабоосновные аниониты меньше подвержены химической деструкции, чем сильноосновные. В связи с этим, в схемах с использованием анионообменных смол на первой ступени используют слабоосновный анионит, а на второй ступени сильноосновные анионит.

Разрушающие действие на смолы оказывают различные окислители (хлор, озон, перекись водорода и др.). При процессах окисления происходит разрушение связей между различными группами в каркасе ионита, структура матрицы нарушается, снижается степень сшивки. Под действием различных химических агентом иониты способны пептизироваться, то есть переходить в коллоидное состояние и утрачивать ионообменную способность.

Термическая стойкость

При нагревании в воде сульфокатионита происходит отщепление сульфогрупп с образованием серной кислоты:

RSO 3 H + H 2 O RH + H 2 SO 4 RSO 3 M + H 2 O RH + MHSO 4 .

Их термический гидролиз протекает с меньшей скоростью, чем гидролиз Н-катионитов.

Аниониты в большей степени, чем катиониты, при термическом гидролизе склонны к необратимым процессам, чем катиониты. Наименьшей химической стойкостью обладают сильноосновные аниониты. Подвергаясь реакциям дезаминирования (отщепление аминогруппы) и деструкции (процесс разрыва химических связей, приводящий к уменьшению степени полимеризации), сильноосновные аниониты превращаются в слабоосновные. В результате таких химических превращений образуются амины и низко- и высокомолекулярные спирты. Также как и катиониты, аниониты проявляют большую устойчивость в солевой форме.

Существует множество способов сделать питьевую воду максимально безопасной. Когда-то наши бабушки и дедушки не слышали про системы фильтрации. Сегодняшняя экология усложнила ситуацию с питьевой вода. Постоянная очистка нагревательных приборов от налета накипи заставляет познать жесткость воды и задуматься о качестве питьевой воды.

Удаление солей жесткости, которые откладываются на бытовых приборах, возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для умягчения воды. Рассмотрим более подробно виды смол, их принцип работы и для чего они в системе очистки.

Классификация ионообменных смол

В борьбе с солями кальция и магния отличным вариантом будут безреагентные умягчители воды. Большая часть смягчающих фильтров работает с помощью реагентов. Вода получает нужный состав благодаря фильтрующей массе и реагентам. Последние могут так же восстанавливать фильтрующие среды. Основой фильтра-ионообменника является смола.

Ионообменная смола для смягчения воды используется во многих сферах:

• очистка;
• деминерализация;
• удаления кремния;
• выборочная фильтрация.

Основой смолы являются иониты – нерастворимые полиэлектролиты. Различают искусственные, природные и синтетические смолы.

Ионит имеют форму заряженного каркаса с ионами противоположного знака. При контакте ионов каркаса с ионами другого знака происходит смена ионитов.

Направление заряда приводит к делению ионов на амфолиты. К ним прибавляются отрицательные катиониты с положительными аонитами. Катионы притягиваются к катионитам, а анионы – к аноитам.

Каркас может иметь различную основу: химическую, нехимическую, минерально-органическую. Она является сочетанием органики и синтетических ионитов. Если каркас гелиевый, то в него макропористые или гелиевые иониты. Они активны в набухшим состоянии при увеличении объема до 3 раз. Однако их ресурс иссякаем. При ликвидации всех мостиков-сшивок смола перестает смягчать воду.

Существуют смолы с равномерным распределением мостиков – изопористые иониты. При большем впитывании они увеличиваются сильно в объеме.

Набухание ионитов гелиевой основы вызвано раскрытием гранул подобно бутону цветка. Гелиевая структура не имеет сплошных стенок и не однородна. Минусом гелиевых смол является их неспособность поглощать большие органические вещества и ионы. При фильтрации может произойти «отравление смолы» — закупорка пор.

Сегодня наиболее применяемыми являются макропористые иониты. Их преимуществами являются малое изменение объема, хорошо адсорбируют, имеют продолжительные обменные реакции, большую скорость фильтрации, прочные и жесткие. Поры в микропористых смолах являются результатом искусственного процесса: добавление жирных кислот, спиртов и гептана.

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

• макропористые иониты прочнее гелиевых структур;
• гелиевые аниониты хуже работают гелиевых катионитов;
• полистирольные аониты слабее акриловых.

Принцип работы ионообменной смолы

Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии)

ИВ - исходная вода; OS - обработанная вода; Р - реагент

Смолы для умягчения начали применять только во второй половине прошлого века и быстро себя изжили. В XX веке было сделано максимальное число открытий в области очистки воды. Пик популярности ионообменных смол был в 80-90-ые годы. Потом их стали вытеснять мембраны и обратный осмос. Сегодня смолы для смягчения воды популярны в системах очистки, но не занимают лидирующие позиции.

Для большего понимания принципа работы ионообменную смолу можно сравнить с икрой. Неопытный человек может с первого взгляда перепутать ее с белужьей.

Ранее уже говорилось, что смола для умягчения воды может состоять из трех видов ионитов: аниониты, катиониты и аониты. Наиболее распространенные аониты. Суть разделения в том, что каждый вид может замещать исключительно одноименные иониты.

Аниониты могут иметь сильную или слабую основу, а так же промежуточную и смешанную. Катиониты обладают слабой или сильной кислотностью. Сильная основа анионитов позволяет совершать обмен при любом кислотно-щелочном балансе, слабая – только до 6. Катиониты сильной кислотности могут обмениваться при любом рН, а слабокислотные – до 7.

Таким образом, ионообменная смола умягчает воду, но почти не очищает ее от других примесей. Она может полностью устранить жесткость. Возможно несколько раз прогонять воду через фильтр, что бы сделать ее более мягкой. При каждой очистки увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Иониты могут иметь солевую или смешанную форму. Основу солевой составляют натриевые и хлористые соединения, а смешанной – натрий-хлор или гидроксил-хлорид.

Ионообменные смолы используются в фармакологии, пищевой промышленности, на АЭС для очистки конденсата и т.д.

Иногда дополнительно используют таблетированную соль для умягчения воды. Но обычная столовая соль в таблетках вымывает ионообменные смолы из фильтра. Со временем смола потрескается и утратит свои фильтрующие способности.

Таблетированная солью может восстановить ионнообменную смолу. Продают ее в больших пакетах по 25 кг.

Как выбрать?

Традиционные ионообменные смолы: карбоксильная смола, сульфокатионит

Сегодня во многих магазинах на прилавках легко найти смолу для ионообменного фильтра. Если уже известна марка и зарекомендованной производитель ионообменной смолы, то ее быстро можно найти в интернете.

Основным показателем эффективности работы является влажность, а не поглощение. В смоле присутствует химически связанная влага. Ее удаление ведет к разрушению ионообменной смолы для умягчения воды.

Далее следует обратить внимание на емкость ионов – рабочая, объемная, весовая. Объемная и весовая являются стандартными характеристиками, которые определяются в лабораторных условиях. Они всегда указаны в паспорте продукции.

Рабочую емкость измерить невозможно. Она зависит от формы и глубин фильтрующего слоя смолы. Так же важны и входные параметры очищаемой воды.

Следует обратить внимание на скорость фильтрации, уровень восстановления, размер задерживаемых частиц и т.д.

Ионообменные смолы - это нерастворимые на высокомолекулярном уровне соединения, которые могут показать реакцию при взаимодействии с ионами раствора. Они имеют трехмерную гелевую или макропористую структуры. Их еще называют ионитами.

Разновидности

Эти смолы бывают катионообменными (делятся на сильнокислотные и слабокислотные), анионообменными (сильноосновные, слабоосновные, с промежуточной и смешанной основою) и биполярными. Сильнокислотные соединения - это катиониты, которые могут обмениваться катионами вне зависимости от А вот слабокислотные могут функционировать при значении не ниже семи. Сильноосновные аниониты имеют свойство обмениваться анионами в растворах при любой при любых показателях рН. Этого, в свою очередь, лишены слабоосновные аниониты. В этой ситуации рН должен быть 1-6. Другими словами, смолы могут обменять ионы в воде, впитать одни, а взамен отдать те, которые ранее были запасены. А так как именно H 2 O - многокомпонентная структура, то нужно верно ее подготовить, выбрать химическую реакцию.

Свойства

Ионообменные смолы - полиэлектролиты. Они не растворяются. Многозарядный ион неподвижен, потому что имеет большую молекулярную массу. Он образует основу ионита, связан с небольшими подвижными элементами, которые имеют противоположный знак, и, в свою очередь, может обменивать их в растворе.

Производство

Если полимер, который не имеет свойства ионита, обработать химически, то произойдут изменения - регенерация ионообменной смолы. Это достаточно важный процесс. С помощью полимераналогичных превращений, а еще поликонденсации и полимеризации, получают иониты. Существует солевая и смешанно-солевая формы. Первая подразумевает натриевый и хлористый, а вторая - натрий-водородный, гидроксильно-хлоридный виды. В таких условиях выпускаются иониты. Мало того, в процессе они переводятся в рабочую форму, а именно водородную, гидроксильную и т. д. Такие материалы используют в разных сферах деятельности, например, в медицине и фармацевтике, в пищевой промышленности, на атомных электростанциях для очистки конденсата. Также может применяться ионообменная смола для фильтра смешанного действия.

Применение

Используется ионообменная смола для Кроме того, соединение может и обессолить жидкость. В связи с этим ионообменные смолы часто используют в теплоэнергетике. В гидрометаллургии ими пользуются для цветных и редких металлов, в химической промышленности ими очищают и разделяют разные элементы. Иониты также могут очистить сточные водоемы, а для органического синтеза они - целый катализатор. Таким образом, ионообменные смолы могут быть использованы в разных отраслях.

Промышленная очистка

На теплопередающих поверхностях может появляться накипь, а если она достигнет всего 1 мм, то расход топлива увеличится на 10%. Это все-таки большие потери. Мало того, оборудование быстрее изнашивается. Чтобы это предотвратить, нужно правильно организовывать водоподготовку. Для этого используется фильтр с ионообменной смолой. Именно очистив жидкость, можно избавиться от накипи. Способы бывают разные, но с повышением температуры их вариантов становится меньше.

Обработка H 2 O

Существует несколько способов для того, чтобы очистить воду. Можно воспользоваться магнитной и а можно отретушировать ее комплексонами, комплексонатами, ИОМС-1. Но более популярным вариантом считается фильтрация с помощью обмена ионов. Это заставит изменить состав элементов воды. Когда используют такой метод, H 2 O почти полностью обессоливается, загрязнения пропадают. Следует отметить, что такой очистки достаточно сложно добиться иными способами. Обработка воды с помощью ионообменных смол очень популярна не только в России, а и в других странах. Такая очистка имеет много достоинств и намного эффективнее прочих методов. Те элементы, которые удаляются, никогда не останутся осадком на дне, а дозировать реагенты не нужно постоянно. Сделать эту процедуру очень легко - конструкция фильтров однотипная. При желании можно воспользоваться автоматизацией. После очистки свойства будут сохраняться при любых колебаниях температуры.

Ионообменная смола Purolite A520E. Описание

Чтобы поглощать нитрат-ионы в воде, была создана макропористая смола. Она используется, чтобы очистить H 2 O в разных средах. Специально для этого появилась ионообменная смола Purolite A520E. Она способствует избавлению от нитратов даже при большом количестве сульфатов. Это значит, что, по сравнению с другими ионитами, эта смола наиболее эффективна и имеет лучшие характеристики.

Рабочая емкость

Purolite A520E имеет высокую селективность. Это помогает, вне зависимости от количества сульфатов, удалить нитраты качественно. Такими функциями не могут похвастаться остальные ионообменные смолы. Это обусловлено тем, что при содержании сульфатов в H 2 O снижается обмен элементами. Но благодаря селективности для Purolite A520E такое понижение не имеет особого значения. Хотя соединение имеет низкий, если сравнивать с другими, полный обмен, жидкость в больших количествах очищается достаточно качественно. При этом, если сульфатов будет мало, то справиться с обработкой воды и устранением нитратов смогут различные аниониты - как гелевые, так и макропористые.

Подготовительные операции

Чтобы смола Purolite A520E работала на 100%, она должна быть правильно подготовлена для выполнения функции очищения и подготовки H 2 O для пищевой индустрии. Следует отметить, что перед началом работы используемое соединение обрабатывают 6%-м раствором NaCl. При этом используют в два раза больший объем по сравнению с количеством самой смолы. После этого соединение обмывают пищевой водой (количество H 2 O должно быть в 4 раза больше). Только проведя такую обработку, можно приниматься за очистку.

Заключение

Благодаря свойствам, которыми обладают ионообменные смолы, ими можно пользоваться в пищевой индустрии не только для очистки воды, но и для обработки продуктов, различных напитков и прочего. На вид аниониты - это маленькие шарики. Именно к ним прилипают ионы кальция и магния, а они, в свою очередь, отдают ионы натрия в воду. В процессе промывки гранулы отпускают эти прилипшие элементы. Следует помнить о том, что в ионообменной смоле может упасть давление. Это скажется на ее полезных свойствах. На те или иные изменения влияют внешние факторы: температура, высота столбца и размер частиц, их скорость. Поэтому при обработке следует поддерживать оптимальное состояние среды. Часто пользуются анионитами в очистке воды для аквариума - они способствуют формированию хороших условий для жизни рыб и растений. Итак, ионообменные смолы нужны в разных индустриях, даже в домашних условиях, так как могут качественно очистить воду для дальнейшего ее использования.

Ионный обмен – процесс обмена между теми ионами, которые находится в растворе, и ионами, находящимися на поверхностях твердой фазы материалов (ионитов). Сущность метода ионообменной очистки воды определяется областью его применения.

Самым эффективным способом водоподготовки и умягчения воды сегодня считается именно ионный обмен. Данная методика широко применяется и в промышленности, и в быту. Жесткость воде придают растворенные в ней соли магния и кальция, а ионный обмен регулирует их содержание и, соответственно, нормализует состав. В итоге минеральные соли жесткости заменяются на другие химические структуры, и вода сохраняет нужные свойства. Для проведения водоподготовки путем ионного обмена используются специальные фильтрующие устройства – сначала их заполняют ионитами, а потом запускают воду.

Вода просачивается сквозь ионообменный материал, в результате чего в ней большая часть ионов электролитов заменяется на иониты, изменяется химическая структура и жидкости, и реагента, уходит жесткость. В отличие от аэрации, ионная очистка не приводит к выпадению солей жесткости в осадок, а значит, устанавливать дополнительные фильтрующие устройства не требуется.

Принципы и технология работы ионных умягчителей

Самый популярный химический реагент, используемый для водоподготовки ионным способом – это специальная смола. Она представляет собой твердое вещество неорганического происхождения с пористой структурой. В состав смолы входят различные функциональные добавки, которые и отвечают за протекание реакций ионного обмена. Форма выпуска – гранулы разных размеров (они являются произвольными). Если смола была получена в ходе полимеризации, она будет шаровидной, а если путем поликонденсации, то неправильной формы. При взаимодействии с водой смола набухает.

Смола в процессе замены ионов солей жесткости постепенно утрачивает первоначальный состав, рабочие характеристики в ходе эксплуатации безвозвратно изменяются. Чтобы восстановить работоспособность реагента, обычно используется раствор обычной поваренной соли, реже, но тоже может применяться лимонная кислота. Учтите, что восстановление солью не вернет смоле все первоначальные качества, поэтому со временем ионные фильтры меняют. Если все делать правильно и регулярно очищать вещество, оно прослужит вам около трех лет.

Ионообменный метод очистки воды: плюсы и минусы

К очистке ионообменным способом обычно прибегают в том случае, если нужно подготовить воду с высокой минерализацией – то есть около 100-200 мг солей на один литр. Ионообменные умягчители могут эффективно работать с очень высоким уровнем жесткости. Есть у них минусы? Да, как и у любых других систем, поэтому давайте рассмотрим преимущества и недостатки ионообменной технологии водоподготовки более подробно.

Достоинства:

• Очень высокое качество очистки и умягчения воды.
• Снижение содержания в жидкости не только солей жесткости, но и других вредных веществ.
• Простота эксплуатации и обслуживания.

Недостатки:

• Высокие расходы на восстановление химических реагентов.
• Необходимость правильной утилизации использованных реагентов.
• Низкий показатель гидрофильности смолы.

Впрочем, в передовых системах все минусы являются практически незаметными – расход реагентов в них медленный, а за счет специальных катализаторов процесс обработки воды возрастает в разы.

Технология умягчения воды с помощью ионов: необходимое для работы оборудование

Технические особенности оборудования и его стоимость определяются с учетом сферы применения – фильтры для стоков бывают очень габаритными, в то время как бытовые устройства максимально компактные и малошумные. Минимальный ценник на домашнюю систему подготовки воды составляет 300 долларов. Основные форм-факторы:

1. Маленькие стационарные устройства со сменными картриджами.
2. Ионообменные колонны – габаритные устройства, которые подключаются непосредственно к водопроводу.

Бытовая система ионного обмена оснащается несколькими баллонами и насосом. Фильтры колонного типа состоят из:

• рабочей емкости – имеет вид герметичного бака или баллона, заполненного ионообменной смолой.
• клапана с электронным процессором, управляющим подачей воды.
• емкости для восстановительного материала – имеет вид бака, куда засыпается соль.

Работа умягчителей является полностью автоматизированной – процессор подает воду в колонну, та попадает в ионообменную среду и отдает смоле ионы солей жесткости, после чего очищенная вода через шланг вывода подается к устройствам водопотребления. Когда реагент истощается, устройство направляет немного жидкости в специальный бак, и после насыщения соляным раствором она снова возвращается в смоле. Циркуляция продолжается до тех пор, пока система не будет восстановлена. В принципе бытовые и промышленные системы между собой различаются только размерами рабочих емкостей и типами используемых реагентов – принцип действия у них один.

Очистка воды методом ионного обмена и правила восстановления смолы

В фильтрационных установках с картриджами восстановление смолы осуществляется строго вручную. Порядок действий:

1. Для начала нужно перекрыть подачу воды в фильтр, а затем сбросить внутреннее давление.
2. Достаньте картридж со смолой и промойте его под проточной водой.
3. Высыпьте смолу в отдельную посудину и покройте соляным раствором (если картридж разбирается) или опустите в раствор картридж целиком. Раствор готовьте из расчета 100 г соли на литр воды, воды нужно в среднем 2-4 л.
4. Оставьте смолу в растворе примерно на 6-8 часов, затем слейте раствор и промойте смолу предварительно отфильтрованной чистой водой 2-3 раза.
5. Установите картридж в исходное положение.

В первых литрах воды, пропущенных через только что очищенный фильтр, может ощущаться легкий вкус соли – это нормально.

Умягчение воды катионированием

Кроме ионной водоподготовки, процесс умягчения воды часто называется как катионирование. Под катионированием подразумевается процесс обработки жидкости с применением методики ионного обмена, в результате чего происходят процессы катионного обмена. С учетом типа ионов (Н+ или Na+), которые находятся объеме катионита, выделяют два вида катионирования – Н и Na.

Натрий-катионитовый метод

Натрий-катионитовый метод применяется для умягчения воды с процентным содержанием взвешенных веществ до 8 мг/л и цветностью воды не больше 30 град. снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, а при двухступенчатом до 0,01 мг-экв/л. Преимущества способа – доступность, низкая цена, простая утилизация продуктов регенерации.

Водород-катионитовый метод

Водород-катионитовый метод используется для глубокого умягчения воды. Он основывается на фильтровании жидкости через слой катионита. При Н-катионировании рН фильтрата снижается в значительной мере, происходит это за счет образующихся в ходе процесса кислот. Углекислый газ уделяется дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 – 6% раствором кислоты (HCl, H2SO4).

Другие физико-химические методы очистки воды

Все физико-химические способы очистки воды направлены на удаление растворенных в ней примесей, а в ряде случаев и взвешенных частиц. Многие методики физико-химической очистки также требуют глубокого предварительного выделения из стоков взвешенных включений, для чего применяется процесс коагуляции. Основные методики физико-химической очистки воды:

• сорбция;
• и ионообменная очистка;
• нейтрализация;
• гиперфильтрация;
• экстракция;
• эвапорация;
• выпаривание, испарение, кристаллизация.

При этом самым востребованным способом является именно метод флотации, направленный на извлечение из водных масс нефтепродуктов и других гидрофобных частиц с помощью газовых пузырьков. В основе процесса очистки лежит молекулярное слипание частичек масла и пузырьков тонкодиспергированного газа. Образование пузырьков зависит от интенсивности их столкновения, а также химического взаимодействия веществ в воде, избыточного давления газа, прочих факторов.

Почему полезно умягчать воду методом ионного обмена? Перспективы применения метода

Ионный обмен – это, пожалуй, одна из самых популярных сегодня методик умягчения, опреснения и обессоливания воды, а также практичный способ рекуперации ионных компонентов. Он позволяет извлекать, а затем утилизировать ценные примеси, поэтому широко применяется в промышленности, аналитической химии. Посредством ионного обмена концентрируются следовые количества определяемых веществ, рассчитывается суммарное солесодержание растворов, удаляются мешающие анализу ионы, разделяют компоненты сложных смесей. Ионный обмен используется для получения обессоленной и умягченной воды в таких отраслях как цветная металлургия, электронная промышленность, атомная и тепловая энергетика, пищевая отрасль, очистка сточных вод, пр. Ведутся активные работы, направленные на создание станций для извлечения ценных компонентов из океанских глубин.

Ионообменные смолы представляют собой мелкие полупрозрачные гранулы сферической формы. Цвет гранул смолы как правило зависит от состава смолы: так, например, сильнокислотные катионообменные смолы обладают ярко-желтым или коричневым цветом, в то время как слабоосновные аниониты представляют собой белые непрозрачные гранулы.Основная сфера применения ионообменных смол - удаление жесткости в установках водоподготовки для энергетических предприятий. Ионный обмен основан на удалении из воды, пропускаемой через слой смолы, ионов, которые замещают находящиеся на активных группах смолы катиона натрия, протоны или гидроксильные группы.

Смолы различаются как по принципу действия (катионообменные, анионообменные), так и по своей структуре (гелевые, макропористые). Выбор для конкретного процесса той или иной смолы определяется характером удаляемой из воды примеси.

Классификация ионообменных смол

1. По составу. Различают аниониты и катиониты. Как и следует из названий, катиониты имеют в качестве функциональной группы катионную, аниониты - анионную. Соответственно, катиониты обменивают (и извлекают из воды) катионы, аниониты - анионы.

2. По типу и силе функциональных групп и степени смолы подразделяются на:

Сильнокислотные катионообменные смолы - используются для умягчения воды и ее обессоливания.

Слабокислотные катионообменные смолы - используются для устранения временной жесткости, а также повышенной щелочности воды.

Сильноосновные анионообменные смолы применяются в основном для обессоливания воды с очень высоким содержанием солей и кремния, что обуславливается высокой скоростью обмена сильноосновных анионитов. Этот способ по скорости и затрачиваемой энергии превосходит обратный осмос.

Слабоосновные анионообменные смолы используются чаще всего для обессоливания органических соединений, в числе которых сахароза, молочная сыворотка, глюкоза и другое.

Афолиты имеют в одной смоле сразу несколько типов функциональных групп (анионных и катионных) в разных или одинаковых пропорциях - используются в основном для обессоливания воды в одну ступень. Соотношение тех или иных функциональных групп определяется соотношением в исходной воде удаляемых ионов.

3. По структуре гранул : полистирольные, гелевые и макропористые. Также возможны смешанные структуры такие как полистирольная-гелевая и полистирольная-макропористая. Возможно применение для очистки воды от извести.

Смолы гелевого типа при контакте с водой набухают сильнее, чем другие, в это время их объем увеличивается в полтора-два раза. Ионный обмен в смолах гелевого типа происходит довольно быстро, однако в скорости эти смолы однозначно уступают смолам с макропористой структурой, которые в отличии от гелевых смол не так сильно набухает.

4. По обмениваемому иону в исходной форме : натриевая, водородная и др. Чаще всего в исходной форме смолы обмениваемыми катионами являются для катионообменной смолы натрий или протон, а в анионообменниках - хлор или гидроксильная группа.

5. По степени однородности размеров гранул различают монодисперсные (бОльшая часть гранул имеет одинаковый размер) и полидисперсные (размер гранул распределен в широких пределах).

Для регенерации ионообменных смол используют: регенерационную соль (для смол в натриевой форме), кислоту (для смол в Н-форме), раствор гидроксида натрия (для смол в ОН-форме).