Іонообмінна здатність

Розрізняють наступні характеристики обмінної здатності: повна динамічна обмінна ємність (ПДОЕ); динамічна обмінна ємність ( ДОЕ ); статистична обмінна ємність (ШОЕ).

Повна динамічна обмінна ємність (ПДОЕ) виходить шляхом фільтрації розчину електроліту через іоніти, в якому відбувається обмін протівоіонов іоніти на протівоіони розчину. При цьому фільтрація проводиться навіть після проскакування поглинається іона в фільтрат до тих пір, поки концентрація поглинається в фільтраті не стане дорівнює його концентрації у вихідному розчині. Цей момент є показником того, що завантаження іоніти більше не поглинає іонів з розчину. Кількість поглинених іонів з розчину, перерахованої у міліграм-еквівалентах на літр набряклого іоніти, і є показником для даних умов фільтрування.

Основні рівняння іонного обміну, схематично описують реакції взаємодії іонів розчину з іоніти, наступні:

Для катіонітів

R-H + + Ме + R-Ме + + Н +

Ця реакція оборотна, так як зліва направо відбувається поглинання іонітів катіонів солей (Ме +) з розчину, а справа наліво відбувається регенерація кислотою іоніти від сольовий форми до вихідної водневої форми;

Для аніонітів

R + OH - + R + X-+ OH-

тут ми бачимо ту ж схему реакцій, тільки не з катіонами, а з аніонами.

8.Фізико-хімічні основи процесу іонного обміну Вода, що пройшла попередню очистку, практично не містить в собі грубодисперсних і колоїднодисперсних домішок. Але основна частина домішок в іонно-розчинному стані залишається у воді. Для їх вилучення застосовують іонний обмін, а також термічні та мембранні методи. Обробка води методом іонного обміну базується на здатності деяких практично нерозчинних у воді речовин, що називається іонообмінними матеріалами або іонітами, змінювати у потрібному напрямку іонний склад води. Для цього ми пропускаємо воду крізь шар іоніту, яка, проходячи між зернами матеріалу, обмінює частину іонів розчинених у ній електролітів на еквівалентну кількість іонів іонітів, внаслідок чого змінюється склад як фільтрованої води, так і самого іоніту. Якщо внаслідок обробки води методами іонного обміну відбувається обмін катіонами, то такий процес називається катіонуванням, якщо ж під час цього відбувається обмін аніонами, то такий процес називається аніонуванням. Обробка води методами іонного обміну принципово відрізняється від обробки води методом осадження тим, що домішки, які вилучаються з води, не утворюють осад, така обробка не вимагає безперервного дозування реагентів. У зв’язку з цим експлуатація установок для водопідготовки, які працюють за методами іонного обміну, значно простіша, габарити апаратів менші, а якість обробки краща. Здатність іонітів до іонного обміну пояснюється особливістю їх структури

Іоніт складається з твердої основи (матриці), на яку тим чи іншим способом нанесено спеціальні функціональні групи, які, в свою чергу, здатні до електролітичної дисоціації у водному середовищі. З електрохімічної точки зору кожна молекула іонообмінного матеріалу є своєрідним твердим електролітом, який складається з нерозривно зв’язаних з твердим каркасом нерухомих іонів з відповідним зарядом, нейтралізованим протилежним зарядом протиіонів, що мають обмежену рухомість і знаходяться поблизу поверхні молекули. Залежно від характеру активних функціональних груп іоніту його рухомі, здатні до обміну іони можуть мати або позитивний заряд, і тоді такий іоніт називають катіонітом, (рис. 3. а) або від’ємний заряд, і тоді його називають аніонітом (рис. 3. б).

Рис.3. Схема структури молекули іоніту 1 – твердий багатоатомний каркас іоніту; 2 – зв’язані з каркасом нерухомі іони активних груп; 3 – обмежено рухомі іони активних груп, які здатні до обміну

Схематично дисоціацію іонітів у воді можна представити у вигляді 

де		- катіоніт, в якому рухомим обмінним катіоном є К+, а нерухомим аніоном є високомолекулярна частина R‾;
		- аніоніт, в якому рухомим обміном аніоном є А‾, а нерухомим катіоном є високомолекулярна частина R+;
- умовний знак, що вказує на здатність твердого електроліту до дисоціації у воді, залишаючись під час цього у нерозчинному вигляді.

Реакції іонного обміну підпорядковуються таким основним закономірностям: 1) еквівалентність обміну іонів полягає в тому, що зменшення концентрації будь-якого іону в розчині внаслідок перебігу іонообмінного процесу викликає еквівалентне збільшення концентрації іншого іону, що надходить у розчин з іоніту; 2) зворотність процесу обміну іонів є однією з найважливіших закономірностей, яка дозволяє економічно використовувати іонообмінний матеріал у технологічних схемах. При виснаженні іоніту, тобто коли вичерпано усі обмінні іони іоніту, реакцію іонного обміну можна зсунути у зворотній напрямок – напрямок відновлення іоніту. Ця закономірність лежить в основі процесу регенерації іонітів. 3) селективність іонного обміну – здатність іонітів до переважної сорбції одних видів іонів щодо інших. Фізико-хімічний зміст селективності витікає з закону Кулона. Ясно, що із збільшенням заряду (валентності) іонів зростає і сила е карбонатн до іоніту. Селективність іонів за іонного обміну зображується рядами селективності : для катіонів : для аніонів : Виходячи з закону Кулона, селективність іонів зростає зліва направо, тобто кожний наступний іон має перевагу перед попереднім (або попередніми) у процесі іонного обміну. В першу чергу у реакцію іонного обміну вступатимуть ті іони, заряд яких є найбільшим.

9. Na-катіонування, H-катіонування

Na – катіонування Під час Na – катіонування відбувається такий іонний обмін : В результаті цих реакцій здійснюється більш-менш повна заміна катіонів Са²⁺ і Мg²⁺ у воді катіонами натрію, внаслідок чого залишкова твердість натрій – катіонованої води зменшується до 10 мг-екв/л і нижче, але лужність і аніонний склад не змінюються. Дещо зростає солевміст: як свідчать наведені вище реакції, два катіони Na⁺ замінено на один катіон Са²⁺ або Мg²⁺, тобто 23 вагові частини натрію обмінюються на 20 вагових частин кальцію або 12,16 вагових частин магнію. У молекулярній формі ці реакції мають наступний вигляд: а) солі карбонатної твердості б) солі не карбонатної твердості Таким чином під час Na – катіонування у воді замість сульфатів і хлоридів кальцію і магнію, які зумовлюють твердість води, утворюються легко розчинні сульфат натрію і хлористий натрій, які не утворюють накипу. Замість бікарбонатів кальцію і магнію у цьому випадку утворюється бікарбонат натрію.  Динаміка процесу пом’якшення води під час Na – катіонування зображена на рис.3, а, б, в графік пом’якшення води – (на рис. 3.в). Лінія ГД відповідає величині початкової твердості води. Крива АБД показує залежність залишкової твердості пом’якшеної води від її кількості, пропущеної крізь фільтр. Під час фільтрування води через свіжозавантажений катіоніт в шарі іоніту утворюється зона пом’якшення (робоча зона) між лініями аб і а_об_о (рис.3.а). По мірі виснаження іоніту верхні шари перестають пом’якшувати воду. Замість них в роботу вступають свіжі шари іоніту, робоча зона поступово опускається нижче, через деякий час після початку роботи фільтру в шарі катіоніту утворюються три зони: виснаженого 1 (обмежена лініями аб і а₁б₁), робочого 2 (обмежена лініями а₁б₁ і а₂б₂) і свіжого 3 (обмежена лініями а₂б₂ і а₃б₃) катіоніту (рис. 3.б).

Рис. 3.2. Процес та графік пом’якшення води в катіонітовому фільтрі 1- виснажений катіоніт; 2- зона пом’якшення; 3- свіжий катіоніт

На початку роботи фільтра залишкова твердість зм’якшеної води Н_зм буде дуже малою і сталою (лінія АБ на рис. 3. в) до моменту суміщення нижніх границь пом’якшення а₂б₂ і шару іоніту а₃б₃. З моменту суміщення цих площин починається “проскок” катіонів Са²⁺ і Мg²⁺ і збільшується залишкова твердість фільтра (крива БД) до початкової твердості води Н_о в точці Д при повному виснаженні іоніту. Площа АБВГ, еквівалентна кількості катіонів Са²⁺ і Мg²⁺, поглинених катіонітом за робочий цикл і рівна (Н_о – Н_зм)·q₂ є робоча ємність фільтра. В цьому рівнянні q₂ – кількість пом’якшеної води, пропущеної через фільтр за цикл, м³. Оскільки Н_зм значно менша за Н_о, то нею можна знехтувати. Робоча ємність віднесена до об’єму катіоніту, завантаженого у фільтр – робоча обмінна ємність катіоніту: , г-екв/м³,

де	f	– січення фільтру, м2;
	h	– висота завантаження катіоніту, м.

Площа АБДГ еквівалентна повній обмінній ємності катіонітового фільтру. Площа БВД характеризує обмінну ємність зони пом’якшення, що залишилася невикористаною, її називають залишковою. В дійсності, як свідчить досвід експлуатації промислових іонообмінних фільтрів, зона пом’якшення не обмежується горизонтальними лініями, а скривленими поверхнями, при цьому проскок катіонів Са²⁺ і Мg²⁺ починається передчасно внаслідок гідравлічного перекосу. На кривій виснаження катіоніту (рис.3. в) цьому моменту відповідає точка   В результаті цього величина використаної ємності поглинання (площа   зменшується з відповідним збільшенням залишкової ємності.  Для відновлення робочої ємності катіоніту необхідно вилучити з нього затримані катіони, замінивши їх на обмінні катіони. Цей процес називається регенерацією. Регенерація Na – катіоніту відбувається 8-10% розчином солі NaCI, внаслідок відносно великої концентрації іонів натрію і відбувається витіснення з іоніту іонів твердості за рівняннями: Сіль NaCl застосовується для регенерації, в основному, завдяки її найбільшій доступності, крім того, кінцеві продукти СаСl₂ і МgСl₂ легко видаляються і не створюють небезпеки утворення осаду. Регенерація катіонітового фільтру може відбуватися за прямотоковою та протитоковою схемами. Прямотокова схема регенерації передбачає подачу регенераційного розчину у тому ж самому напрямку, що і вода, яка йде на пом’якшення, тобто зверху донизу. За протитокової схеми регенерації іоніту регенераційний розчин подається у зворотньому напрямку – знизу догори. Протитокова регенерація дозволяє значно зменшити витрату реагентів, забезпечити більш повну регенерацію та більш глибоке пом’якшення води під час катіонування.

Н – катіонування

Під час Н – катіонуванні відбуваються наступні реакції:

Ті ж реакції в молекулярній формі мають вигляд: а) солі карбонатної твердості : б) солі не карбонатної твердості: У результаті цих реакцій загальна твердість води значно зменшується, а карбонатна твердість повністю видаляється, внаслідок чого має місце зменшення солевмісту та повне усунення лужності води. Оскільки у процесі Н – катіонування усі катіони у воді обмінюються на катіони водню, то присутні у воді сульфати, хлориди, нітрати перетворюються у відповідні кислоти: сірчану, азотну, кремнієву, тощо.  Кислотність води, зм’якшеної Н – катіонітом, в середньому може бути прийнята рівною величині її некарбонатної твердості. Внаслідок того, що катіонована вода стає кислою і непридатною для живлення котлів, процес Н – катіонування завжди поєднують з Na – катіонуванням або аніонуванням, що дає можливість нейтралізувати надлишкову кислотність і знизити лужність оброблювальної води. За аналогією з Na – катіонуванням регенерацію Н – катіоніта здійснюють тоді, коли запас обмінних катіонів у ньому виснажиться настільки, що не буде забезпечене достатнє зм’якшення води (“проскок” катіонів Са²⁺ і Мg²⁺) не карбо видалення всіх катіонів під час знесолення води (“проскок” катіону Na⁺). Регенерація виснаженого Н – катіоніту здійснюється 1,0…1,5% розчином сірчаної кислоти. За більшої концентрації з’являється небезпека обростання зерна іоніту відкладеннями сульфату кальцію (загіпсовування) і, як наслідок – втрата катіонітом іонообмінної здатності. Для забезпечення більш повної регенерації катіоніту застосовують сірчану кислоту у кількості, що перевищує в 1,25…1,5 рази стехіометричну потребу. Регенерацію Н – катіонітового фільтру також доцільно здійснювати у протиковому режимі.  Схема паралельного Н – Na – катіонування

Na₁ – натрій-катіонітовий фільтр; Н₁– водень-катіонітовий фільтр; Д_к – декарбонізатор; ПБ – проміжний бак; а – підведення освітленої води; б – вихід фільтрату; п – повітря в декарбонізатор; г – вихід вуглекислого газу; д – проміжна помпа

Паралельне Н – Na – катіонування може застосовуватись за умови співвідношення у освітлювальній воді Н_к >0,5 Н_о і сумарній концентрації аніонів сильних кислот понад 2 мг-екв/л. За цією схемою частина потоку подається на Н – катіонітовий фільтр, а інша – на Na – катіонітовий. Потім кисла Н – катіонована і лужна Na – катіонована вода змішуються, під час цього відбувається часткове руйнування лужності за реакцією з виділенням СО₂. Для його видалення вода пропускається крізь декарбонізотор, а потім вода остаточно зм’якшується на Na – катіонітовому фільтрі ІІ ступеня. Необхідну частку води, яку потрібно подати на Н – катіонітовий фільтр можна розрахувати, виходячи з наступних міркувань. Позначимо величину надлишкової лужності суміші Н – Na – катіонованої води через L мг-екв/л, кількість сирої води, яка поступає в Н – катіонітові фільтри в частках від одиниці через Х, а в Na – катіонітові фільтри – відповідно через (1 – Х), а також виходячи з основних особливостей перебігу реакцій у відповідних фільтрах, отримаємо рівність:

Суть регенерації іонітів полягає в тому, що фільтр відключають від системи водоочищення, вмикають в роботу паралельний, відрегенерований фільтр, а фільтр, що втратив іонообмінну здатність, регенерують.