Знесолення води іонообмінним методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.4 Знесолення води іонообмінним методом

Сутність іонного обміну засновано на здатності іонообмінних матеріалів, або іонітів, поглинати з розчину електроліту катіони (аніони) в обмін на еквівалентну кількість іонів іоніту.

Умовно іоніт можна розділити на три складові частини (рисунок 3.1):

1) матриця (каркас);

2) фіксовані іони, що закріплені на матриці, які не здатні перейти фази іоніту у зовнішній розчин;

3) протиіони (обмінні іони) іоніту, кількість яких еквівалентна кількості фіксованих іонів, які протилежні їм за знаком.

1 - матриця; 2 - іони що створюють потенціал; 3 - іони дифузійного шару.

Рисунок 3.1 Схема структури молекули катіоніту і аніоніту

Ці іони здатні перейти у зовнішній розчин в обмін на точно еквівалентну кількість інших іонів того самого знака, які надходять в іоніт із зовнішнього розчину (одмінних іонів розчину).

За природою матриці іоніти поділяють на неорганічні (мінеральні) і органічні, які в свою чергу бувають природними і штучними (синтетичними) (рисунок 3.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 Класифікація іонітів за природою матриці

За зовнішнім виглядом і ступенем дисперсності іоніти поділяють на порошкоподібні, зернисті, гранульовані, формовані, волокнисті, рідкі.

За ступенем пористості іоніти бувають гелеві, ізопористі і макропористі (мезопористі).

За типом і знаком протиіонів іоніти поділяють на такі:

? катіоніти, здатні до обміну катіонів;

? аніоніти, здатні до обміну аніонів;

? амфоліти, здатні залежно від умов середовища до обміну як катіонів, так і аніонів.

Знесолення води іонообмінним методом рекомендується при вмісті у вихідній воді: солей до 1500-2000, хлоридів і сульфатів - не більше 8 мг/дм³, кольоровості не вище 30 град, перманганатної окиснюваності не більше 7 мг/дм³ О₂.

Процес обробки води методом іонного обміну, в результаті якого проходить обмін катіонів, називається катіонуванням, в результаті чого рухомі іони іонітів заміщаються на катіоніти, які містяться у воді:

Н[Кат] + NaCl Na[Кат] + HCl;

2Н[Кат] +Na₂SO₄ 2Na[Кат] + H₂SO₄;

2Н[Кат] + Ca(HCO₃)₂ Ca[Кат]₂ + 2CO₂ ^+ 2 H₂O.

При Н-катіонуванні на робочу об'ємну ємність катіонітів, особливо сульфовугілля, значно впливає аніонний склад води і загальний вміст солі, виражається відношення концентрації іонів HCO₃^- у воді до суми концентрацій іонів HCO₃^-, SO₄^-, Cl^- і NО₃^- (С _HCO3-/?С_Ан). При підвищенні вмісту солі у вихідній воді з 1 до 15 мг-екв/л обмінна ємність катіоніту КУ-2 знижається на 14, КУ-1 - на 27%. При /?С_Ан=0 робоча обмінна ємність сульфовугілля не велика і зменшується зі збільшенням вмісту солей у воді; при /?С_Ан=1 робоча обмінна ємність сульфовугілля збільшується більше ніж у 2 рази, а вміст солі у воді на робочу обмінну ємність сульфовугілля не впливає.

При пропусканні води крізь аніонітові фільтри аніони кислот, які утворилися, і містяться у вихідній воді обмінюються на рухомі іони аніонітів:

[Ан]₂СО₃ + Н₂SO₄ [Ан]₂ SO₄ + Н₂О + СО₂^;

[Ан]₂НСО₃ + HCl [Ан]Cl + Н₂О + СО₂^ ;

2[Ан]ОН + Н₂SіO₃ [Ан] SіO₃ + 2Н₂О.

Найчастіше, застосовують аніоніти в склад яких входять аміно- і амонієві хімічно активні функціональні групи. Аніоніти, що містять первинні (-NH₂), вторинні (=NH) і третинні (?N) аміногрупи, характеризуються слабоосновними, а четвертинні амонієві групи ( -N+R₃) - сильно основними властивостями. Слабоактивні аніоніти мають реакційну здатність лише в кислому середовищі, сильно основні - в кислому, нейтральному і лужному середовищах. Так же, як і катіоніти, аніоніти можуть бути моно- і поліфункціональними. Слабоосновні аніоніти частіше бувають поліфункціональними.

Швидкість іонного обміну залежить від валентності іонів, їх заряду, ступеня гідратації ефективного радіуса іона. Енергію входження різноманітних аніонітів у високо основний аніоніт за їх динамічною активність можна представити так:

ОН^-? НSіO₃^- ? НСO₃^- ? Cl^- ? Н₂РО₄^- ? NО₃^- ? SO₄^2-.

По величині динамічної активності енергію входження різних катіонів в катіоніт можна охарактеризувати таким рядом:

Na⁺<NH₄⁺<K⁺<Ва²⁺<Mg²⁺<Ca²⁺<Al³⁺<Fe³⁺.

Чим більше заряд катіонів, тим більше їх енергія входження в катіоніт. Ця закономірність змінюється при збільшенні концентрації катіонів (наприклад, при пропусканні через катіоніт концентрованого розчину натрій хлориду).

Для катіонів однакової валентності енергія входження в катіоніт залежить від ступеня їх гідратації: енергія входження Н⁺ у 17 разів більша, ніж у Nа⁺, і в 4 рази більша, ніж у Са²⁺.

Основною характеристикою іонітів є обмінна ємність - кількість функціональних активних груп в одиниці маси або об'єму іоніту, які можуть обмінюватися протягом циклу фільтрування. Обмінну ємність іоніту виражають в мг•екв/дм³, мг-екв/г тощо.

Обмінна ємність буває статичною (СОЄ) і динамічною (ДОЄ).

Статична обмінна ємність - це кількість іонів, яка поглинається одиницею маси або об'єму іоніту в статичних умовах до встановлення рівноваги.

Кількість іонів, яка поглинається одиницею маси або об'єму іоніту в динамічних умовах, тобто при фільтруванні розчину крізь шар іоніту до проскакування у фільтрат іонів, які вилучаються, складає динамічну обмінну ємність до проскакування. ДОЄ проскакування є деякою частиною статичної ємності іоніту.

Після проскакування іонів у розчин концентрація їх у фільтраті поступово підвищується і, нарешті, практично досягає вихідної концентрації цих іонів у розчині. Тоді ємність іоніту досягає так званої повної динамічної обмінної ємності (ПДОЄ), яка також не дорівнює статичній ємності.

Після виснаження робочої обмінної ємності катіоніт регенерують. Для регенерації Н-катіонітових фільтрів використовують 1 - 1,5 % розчин сульфатної кислоти. Більшу концентрацію Н₂SО₄ приймати не рекомендується, оскільки при цьому на зернах катіоніту і у щілинах дренажу можливо осадження гіпсу. Швидкість перепускання регенераційного розчину Н₂SО₄ через шар Н-катіоніту становить 5 м/год.

Однією з характеристик іонітів є їх повна обмінна ємність - та кількість грам-еквівалента іонітів, які затримує 1 м³ іоніту, що знаходиться в робочому стані, до того моменту, коли жорсткість фільтра зрівнюється з жорсткістю вихідної води.

Однак робоча обмінна здатність аніонітів, на відмінно від катіонітів, підвищується із зниженням рН середовища. Коротка характеристика деяких катіонітів наведена у таблиці 3.1, аніонітів - в таблиці 3.2.

Таблиця 3.1

Технологічні характеристики катіонітів

Таблиця 3.2

Технологічні характеристики деяких аніонітів

В моєму випадку в процесі знесолення води використовують триступеневу іонообмінну установку.

На першому ступені Н-катіонування відбувається очищення води від іонів Са²⁺ і Мg²⁺ за рівняннями:

знесолення катіон аніон іоніт

Са(НСО₃)₂ + 2Н[Кат] Са[Кат]₂ + Н₂О + СО₂^;

МgSО₄ + 2Н[Кат] Мg[Кат]₂ + Н₂SО₄.

На першій стадії ОН-аніонування вода очищується від аніонів сильних кислот (хлоридів Cl^-, сульфатів SО₄^2-, нітратів NO₃^-), очищення відбувається таким чином:

[Ан]ОН + МgCl₂ [Ан]Cl + Мg(ОН)₂v;

[Ан]ОН + СаSО₄ [Ан]₂SО₄ + Са(ОН)₂.

На ІІ стадії Н-катіонування видаляють іони натрію за такою схемою:

Н[Кат] + NaHCO₃ Na[Кат] + Н₂О + СО₂^;

Н[Кат] + NaCl Na[Кат] + НCl.

На ІІ стадії ОН-аніонування вода очищується від аніонів силіцієвої кислоти SiO₃^2- за такими реакціями:

2[Ан]ОН + H₂SiO₃ [Ан]₂SiО₃ + 2Н₂О;

2[Ан]ОН + Na ₂SiO₃ [Ан]₂SiО₃ + 2NaОН.

На І і ІІ стадіях відбувається виділення великої кількості вуглекислоти, яка має негативний вплив, тому що викликає корозію металу і порушується технологічний режим роботи установки. Тому для її видалення використовують дегазатор.

Третя ступінь Н-катіонування призначена для видалення з води не великих кількостей іонів Na⁺, які потрапляють в неї при поганій промивці сильноосновного аніоніту. Регенерація Н-катіонітових фільтрів проходить розчинами НCl і H₂SO₄ з масовою часткою 1,5-3 %.

Третя ступінь ОН-аніонування передбачає видалення з води продуктів розчинення і руйнування катіонітів, а також доочищення води від SiO₃^2-. Регенерація ОН-іонітових фільтрів відбувається розчтном NaОН з масовою часткою 5 %.

Вміст солей у воді, яка оброблена по триступеневій схемі, не повинен перевищувати 0,1 мг/дм³, вміст сіліцієвої кислоти - не більше 0,02 мг/дм³.

Размещено на Allbest.ru