4. Ионный обмен

Процесс обмена между ионами находящимися в растворе и ионами твёрдой фазы – ионита. Ионообменный процесс связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитами и химическими соединениями, находящимися в растворе.

Применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никели, свинца, ртути), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Широко применяется для умягчения и обессоливания воды в процессе водоподготовки. На предприятиях химической переработки древесины ионообменный метод применяют в основном на предприятиях ЦБП для очистки щёлокосодержащих СВ, при очистки конденсатов выпарных станций от сероводорода и метилмеркаптана, СВ образующихся при отбелке целлюлозы. Иониты также применяются для очистки воды, используемой при выработке некоторых видов бумаги и высокосортной белёной целлюлозы, в гидролизной промышленности для очистки гидролизатов древесины в процессе получения ксилита.

В качестве ионитов используются практически нерастворимые в воде природные и синтетические иониты. Природные иониты (глинистые материалы, полевые шпаты, гуминовые кислоты почв) применяются редко, т.к. обладают низкой поглотительной способностью, механической прочностью и химической стойкостью.

Наибольшее практическое применение нашли органические искусственные иониты – синтетические ионообменные смолы, представляющие собой высокомолекулярные соединения. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты, поглощающие положительно заряженные ионы и аниониты, которые поглощают отрицательно заряженные ионы. Если иониты обменивают и катионы и анионы их называют аморфными.

Важнейшей характеристикой ионитов является их поглотительная способность или обменная ёмкость, которая определяется количеством грамм-эквиваленов ионов поглощённых единицей массы или объёма ионита (колеблется в пределах от 200 до 4000 г-экв/м³). Различают полную, статическую и динамическую обменную ёмкость. Полная – количество поглощаемого вещества при полном насыщение единицы массы или объёма. Статическая – обменная ёмкость при равновесии в данных рабочих условиях. Динамическая (рабочая) – ёмкость ионита до проскока поглощаемых ионов в фильтрат. Иониты не растворяются в воде, но набухают, увеличивая объём в 1,5 – 2 раза. Иониты выпускают в виде порошка с размером частиц 0,04 – 0,07 мм, зёрен размером 0,2 – 2 мм, волокнистого материала листов и плиток.

После насыщения ионита его регенерируют, обрабатывая аниониты 2 – 6% растворами щелочей, катиониты 2 – 8% растворами кислот. Полученные растворы называются – элюатами. Их нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов.

Процессы ионообмена проводят на установках периодического и непрерывного действия. Наибольшее распространение получили ионообменные установки периодического действия с неподвижным слоем ионита. В колонном аппарате слой ионита укладывается на опорную решётку. Для равномерного распределения сточной и промывной воды и регенерирующего раствора в аппарате имеются распределительные устройства. Иногда используют слой гравия высотой до 200 мм. Полный цикл работы состоит из 4 стадий: 1 – ионообмен; 2 – отмывка от механических примесей; 3 – регенерация; 4 – промывка водой. Сточная вода подаётся сверху и фильтруется через слой ионита. На 2 стадии промывную воду подают под давлением снизу. На 3 и 4 стадии регенерирующий раствор и промывная вода подаётся сверху. Скорость фильтрации зависит от концентрации удаляемых веществ, необходимой степени очистки, размеров частиц ионита и лежит в пределах от 0,3 до 5 мм/с. Объём промывных вод составляет 75 – 100% объёма регенерационных растворов. Для установок периодического действия характерны большие объёмы аппаратов и значительный расход реагентов. Непрерывный ионообмен позволяет уменьшить размеры аппаратов, сократить затраты смолы и реагентов. Ионообменные аппараты непрерывного действия могут работать как с движущимся слоем ионита (сточную воду подают снизу, ионит сверху) так и с псевдоожиженым (кипящим) или пульсирующим слоем.