Ионообменная смола как работает: Ионообменные смолы: как выбрать? Классификация.

Содержание

Ионнообменная смола. (Свойства, виды и применение)

Ионообменная смола применяется в водоочистке с 1960-х годов и представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленные из специальных полимерных материалов, именуемых для простоты «смолой». Шарики смолы способны улавливать из воды ионы различных веществ и «впитывать» их в себя, отдавая взамен «запасенные» ранее ионы, таким образом, осуществляется ионный обмен.

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.

Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру.

Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.

Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в не набухшем состоянии.

Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Иониты представлены анионитами и катионитами.

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⁺, Ca²⁺ 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.

Катиониты подразделяются на:

· сильнокислотные, обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;

· слабокислотные, способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

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.

Аниониты

подразделяются на:

· сильноосновные, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;

· слабоосновные, способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6;

· промежуточной и смешанной активности.

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, поместить в раствор с противоионами другого типа, то ионы первого типа начнут замещаться на ионы второго типа.

Этот процесс будет продолжаться до 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 – катионами. Катионы – ионы, обладающие тем же зарядом, что и матрица ионита.

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

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

· макропористые иониты прочнее гелиевых структур;

· гелиевые аниониты работают хуже гелиевых катионитов;

· полистирольные аниониты слабее акриловых.

Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является «химически связанной». Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. «Внешняя» же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрофугирования или фильтрования.

Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами — уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении веса к объему (кг/м³).

Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость — весовая, объемная и рабочая.

Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.

В то же время, рабочая ионообменная емкость не может быть измерена в лабораторных условиях, так как зависит от геометрических размеров слоя смолы и от конкретных характеристик обрабатываемых растворов (уровня регенерации, скорости потоков, концентрации растворенных веществ, требуемых показателей качества обрабатываемого раствора, точного размера частиц).

Ионообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности (при производстве сахара, алкогольных, слабоалкогольных и других напитков, пива, бутилированной воды), фармацевтической промышленности и других отраслях.

Ионообменная смола решает только проблему, связанную с повышенной жесткостью воды. Если эффекта умягчения недостаточно, то можно повторно прогнать воду через фильтр, однако при каждой очистке увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Что такое ионообменная смола? Как это работает?

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.

По «пористости» можно разделить на гелевые (непористые) и макропористые. В гелевых ионитах поры, как таковые, отсутствуют. Доступность ионообменных групп обеспечивается набуханием ионита, в результате чего в материале образуется пористость. Макропористые иониты получают введением в массу порообразователя – инертного растворителя в процессе синтеза (например, высших углеводородов и спиртов). Часть растворителя задерживается в матрице и после его удаления из гранул получаются смолы с развитой внутренней поверхностью в ненабухшем состоянии и большим объемом пор. Макропористые иониты мало набухают, но благодаря развитой пористой поверхности, очень активны в обменных процессах. Удельная поверхность таких ионитов составляет от 20 до 130 м²/г. Диаметр пор макропористых ионитов варьирует от 200 до 1000 A.
По природе противоиона (H⁺ — кислотная форма, K⁺, Na⁺, Cl^—, SO — солевая форма, OH^— — гидроксильная форма).
Большинство производителей придерживаются классификации по знаку заряда противоиона.
Например:
- Катиониты – полимеры, способные поглощать из растворов электролитов положительно заряженные ионы (катионы) и обменивать их в эквивалентных количествах на другие катионы.
- Анионы – полимеры, способные поглощать из растворов электролитов отрицательно заряженные ионы (анионы) и обменивать их в эквивалентных количествах на другие анионы.

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⁺

Аниониты

RKt⁺ | An^—

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/см³. Как правило, российские и зарубежные производители смол чаще указывают обменную ёмкость в единицах объема набухшего ионита (мг-экв/см³).

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⁺;

Ra²⁺ > Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Be²⁺.

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 – SO₃H 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 = ,

d₈₀ – калибр сита, через который прошло 80 % при просеивании зерен ионита;

d₁₀ – 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:

RSO₃H + H₂O RH + H₂SO₄

При температуре выше 150 ⁰С серная кислота окисляет полимер, при нагревании выше 250 ⁰С образуются сульфоны и происходит дополнительное сшивание цепей:

RSO₃H + RH RSO₂R + H₂O;

RSO₃H + RSO₃H RSO₂R + H₂SO₄.

Более устойчивыми являются солевые формы сульфокатионита:

RSO₃M + H₂O RH + MHSO₄.

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.

Что такое система ионного обмена и как она работает?

Очистка воды — это процесс, включающий удаление различных типов загрязняющих веществ из воды, используемой в вашем доме или требуемой на вашем промышленном предприятии. Когда вы пытаетесь очистить воду, существует множество методов и методов, которые можно использовать для фильтрации воды и эффективного удаления загрязняющих веществ. Одна из таких обработок включает использование системы ионного обмена. Процесс ионного обмена, используемый в этой системе, может помочь в смягчении воды , который удаляет ионы магния и кальция из жесткой воды.
Этот процесс также широко используется для удаления дополнительных загрязнителей из воды с помощью таких процессов, как дезинфекция и деионизация. Химический процесс ионного обмена работает путем удаления растворенных ионных загрязнителей из воды . Эти ионы заменены на более качественные, которые не ухудшат качество вашей воды. Умягчители воды очень похожи на ионообменные системы, поскольку обе системы могут удалять из воды ионы магния и кальция. Однако системы ионного обмена, как правило, являются более комплексными и способен также избавиться от дополнительных загрязнений .
Чтобы лучше понять, как работает система ионного обмена, важно знать, что существуют два разных типа ионов , , которые включают анионы и катионы . Анионы — это отрицательно заряженные ионы, а катионы — это положительно заряженные ионы. Процесс ионного обмена будет происходить между жидкостью и твердым телом. В то время как жидкость всегда представляет собой воду, твердое вещество может быть либо цеолитом, либо полимерным материалом. Имейте в виду, что полимерные материалы можно заряжать только в течение определенного периода времени.
Когда обмен ионов больше невозможен, смолу необходимо перезарядить. Смолы можно должным образом перезаряжать соляной кислотой или хлоридом натрия. В процессе катионного обмена любые положительно заряженные ионы, соприкасающиеся со смолой, будут заменены другими положительно заряженными ионами, находящимися на поверхности смолы. Эти ионы обычно представляют собой ионы натрия. Что касается процесса анионного обмена, то произойдет такой же обмен, в результате которого в воду будут помещены более здоровые отрицательно заряженные ионы. Загрязняющие вещества, такие как фторид и нитрат, заменяются хлоридом. В этой статье вы найдете всестороннее представление об ионообменных системах и принципах их работы.

Ключевые выводы:

Система ионного обмена работает путем удаления дополнительных загрязнителей, таких как магний и кальций, что помогает смягчить воду.
Понимание различных типов смол и цеолитных материалов поможет вам лучше понять процесс ионного обмена.
Чтобы подобрать идеальную систему ионного обмена, ознакомьтесь с нижеприведенными решающими факторами, влияющими на этот процесс.

Как удалить ионные загрязнители

Растворенные ионные загрязнители удаляются из воды с помощью простого процесса ионного обмена. Для этого процесса обмена требуется жидкость и твердое вещество, последнее из которых может быть либо полимерным материалом, либо цеолитом . Если в приобретаемой вами системе в качестве основного твердого вещества используется цеолит, важно понимать, что цеолиты представляют собой затвердевшие минералы, состоящие из соединений кремния и алюминия. Когда происходит процесс, любые ионные загрязнители в воде заменяются более качественными ионами, которые прилипают непосредственно к полимерному материалу.
Процесс обмена может быть сосредоточен на анионах и катионах. Когда из вашей воды удаляются положительно заряженные катионы, они заменяются лучшими катионами, такими как натрий. То же самое верно и для процесса анионного обмена. Во время этого процесса загрязняющие вещества, такие как мышьяк, нитраты, сульфаты и фториды, заменяются более качественными ионами хлорида. Имейте в виду, что любые вещества, которые не считаются ионными, не могут быть удалены с помощью процесса ионного обмена. Это относится к таким веществам, как бензол. Если вам нужно удалить дополнительные загрязняющие вещества из воды, вам доступно множество других методов фильтрации.

Ионный обмен в питьевой воде

Процесс ионного обмена становится все более распространенным для обработки питьевой воды. Чтобы удалить некоторые наиболее опасные загрязнители из питьевой воды, ионообменные системы, которые используются для очистки питьевой воды, были оснащены уникальными смолами, способными эффективно очищать такие загрязнители, как уран и перхлораты.
Существует множество смол, которые можно использовать при очистке питьевой воды , которые включают сильный анион/сильноосновную смолу. Эта особая смола полезна для удаления перхлоратов и нитратов из воды. Также можно получить гранулы смолы, которые можно правильно использовать для смягчения воды. Когда это происходит, шарики смолы должны быть в состоянии удалить весь магний и кальций, содержащиеся в воде. Бывают также случаи, когда железо можно удалить из воды путем умягчения воды.

Ионообменные смолы

Существует три отдельных типа смол, которые можно использовать в ионообменной системе, включая:

Катионоактивные смолы
Анионные смолы
Специальные смолы

При выборе системы катионной смолы вы можете получить смолу с катионом слабой кислоты или катионом сильной кислоты. Эти системы могут использоваться для умягчения воды, деминерализации и декальцинации . Различные загрязнения, которые можно удалить с помощью катионитов, включают:

Железо
Кальций
Хром
Марганец
Натрий
Магний
Стронций

Что касается анионных смол , системы, в которых используются эти смолы, могут содержать анион слабого основания или анион сильного основания. Смолы, в которых используются анионы сильных оснований, могут способствовать деминерализации . С другой стороны, смолы со слабыми основными анионами могут использоваться для абсорбции кислот. Типы загрязнений, которые можно удалить с помощью анионных смол, включают:

Мышьяк
Уран
Карбонаты
Цианид
Хлориды
Нитраты
Фтор
Сульфаты
Силикагель

Специальные смолы обычно используются в промышленности, а это означает, что они обычно дороже стандартных смол. Если вы приобретете хелатирующую смолу, вы сможете удалить металлы, содержащиеся в разбавленных растворах. Эти металлы могут включать ртуть и кобальт. Также можно использовать магнитную ионообменную смолу, чтобы избавиться от любого природного органического вещества, присутствующего в питательной воде.
Как упоминалось ранее, смол необходимо время от времени перезаряжать . Материалы, которые используются для смолы, можно использовать для обмена ионами только в течение определенного периода времени. Когда процесс ионного обмена больше не работает должным образом, смолы можно перезарядить серной кислотой, хлоридом натрия, гидроксидом натрия или соляной кислотой.
Имейте в виду, что общая эффективность вашей системы ионного обмена при использовании для очистки воды может быть ограничена рядом проблем. Эти проблемы включают возможность загрязнения смолой, образования минеральных отложений и засорения поверхности. Чтобы смягчить эти проблемы и повысить эффективность вашей системы ионного обмена, рассмотрите возможность использования процессов предварительной обработки, таких как химические вещества или фильтрация.
Индустрия ионообменных систем находится на подъеме, что в основном вызвано потребностью в эффективной ионообменной смоле. В 2014 году эта отрасль принесла около 1,54 миллиарда долларов. Однако ожидается, что к 2022 году он вырастет до чуть менее 2,5 миллиардов долларов, что указывает на рост на шесть процентов за этот период времени. Причины повышенного спроса включают растущий рынок атомной энергии и ужесточение экологических норм, касающихся качества воды.

Понимание базовой системы ионного обмена

Прежде чем купить ионообменную систему, важно понять, что обычно входит в состав одной из этих систем. Ионообменная система премиум-класса будет включать такие компоненты, как:

Материал смолы — это может быть катионная смола, анионная смола или специальная смола
Впускная распределительная система — часть системы, куда вода направляется через
Система распределения регенерата – Часть системы, в которой находится регенерирующий химический раствор, который используется для восстановления емкости смолы
Ретенционные элементы – элементы, удерживающие загрязняющие вещества, улавливаемые смолой

ПЛК, трубопроводы и регулирующие клапаны. Эти элементы оборудования обеспечивают правильное управление системой и бесперебойную работу

Смола, которую вы используете, является наиболее важной частью выбранной вами ионообменной системы. Вещества и загрязнители, которые в настоящее время содержатся в вашей питьевой или питательной воде, будут определять размер, форму и фактический материал смолы . После того, как вы определили, какие загрязняющие вещества должны быть удалены из воды, вы можете определить, какая смола лучше всего подходит для вашей ситуации. В случае, если ионообменная система используется для промышленного применения, может потребоваться использование специальной смолы.
Хотя ионообменные системы не способны удалить из воды все загрязняющие вещества, они эффективно удаляют любые загрязнители, которые считаются ионами. Эти системы являются мощными и могут быть получены с несколькими различными смолами. Если вы хотите избавиться от ионов железа и кальция, вам нужно выбрать систему ионного обмена, оснащенную катионитом. С другой стороны, анионные смолы способны удалять карбонаты, хлориды, нитраты и многие другие загрязнения. Теперь, когда вы лучше понимаете, что делают эти системы и какие преимущества они вам предоставляют, вам должно быть проще определить систему, отвечающую вашим потребностям.

Как работает ионообменная смола и как долго она действует?

Если вы исследуете различные типы стратегий очистки воды, вы можете рассмотреть возможность использования ионного обмена смола.

Ионный обмен является химическим веществом процесс реакции, при котором растворенные ионы удаляются из раствора, а затем замещаются другими ионами, имеющими аналогичные (или точно такие же) электрические заряжать. Таким образом, ионообменная смола является средой, используемой для облегчения этого процесса. обменная реакция. Эта смола сделана из полимеров, которые создают систему углеводороды. Как правило, можно ожидать, что ионообменная смола прослужит долго. от 10 до 15 лет при очистке воды (в отличие от четырех-восьми лет для анионообменные смолы).

Как упоминалось выше, ион обмен – это процесс, при котором происходит (обратимый) обмен одноименно заряженными ионы. Процесс начинается, когда ионы, обнаруженные в ионообменной смоле, меняются местами. пятна с ионами того же или близкого заряда, обнаруженные в растворе, который проходит через. Для наших целей таким «раствором» является вода, протекающая через система ионообменной «фильтрации».

Функциональные группы иона сменные смолы делают это возможным. Эти группы представляют собой фиксированные ионы, которые связаны вместе в полимерной матрице смолы. Затем заряженные ионы способны связываются с ионами, имеющими противоположный заряд, которые доставляются через использование раствора противоиона. Затем противоионы продолжают связываться с функциональными группами до тех пор, пока весь раствор не придет в состояние равновесия.

В процессе ионизации обмен, обрабатываемый раствор попадает в слой ионообменной смолы и может свободно проходить через ионообменные шарики. По мере прохождения решения Через смолу функциональные группы смолы притягивают противоионы, которые присутствуют в растворе. Именно в этот момент ионы в растворе вытесняют существующие ионы в смоле, чтобы занять их место, что приводит к связь с функциональными группами за счет электростатического притяжения. Чем больше ион или чем выше его валентность, тем большее сродство будет иметь ион с противоположно заряженными ионами.

В системе умягчения воды который использует процессы ионного обмена, рассматриваемый механизм умягчения представляет собой катионообменная смола, в которой функциональные группы сульфонатного аниона присоединены к матрице ионообменной смолы. Раствор противоиона, содержащий натрий катионы наносятся на смолу. Затем катионы натрия связываются с сульфонатом. анионов за счет электростатического притяжения, что приводит к сбалансированный, нейтральный заряд в смоле. Сульфонатные функциональные группы имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к катионам натрия, что означает ионы жесткости вытеснят те катионы натрия, которые затем выйдут из ионообменная установка.