Використання методу іонного обміну для очистки стічних вод

Іонообмінна очистка використовується для вилучення із стічних вод іонів металів (цинку, купруму, хрому, ніколу, плюмбуму, меркурію, кадмію тощо), а також сполук арсену, фосфору, ціаністих сполук і радіонуклідів. Метод дозволяє проводити рекуперацію цінних речовин при високому ступені очистки води. Метод іонного обміну (ІО) використовується також для знесолення вод в процесі водоиідготовки.

Процес ІО являє собою взаємодію розчину з твердою фазою, яка володіє властивостями обмінювати іони, що містяться в ній на інші, які присутні в розчині. Речовини, які складають тверду фазу, називають іонітами і вони, практично, нерозчинні у воді. Якщо речовина твердої фази володіє здатні­стю поглинати із розчинів позитивно заряджені іони, то такі речовини на­зивають катіонітами, а якщо негативно заряджені іони - аніонітами. Погли-нювальна здатність іонітів характеризується обмінною ємністю, що визна­чається кількістю еквівалентів іонів, які поглинаються одиницею ваги (або об'єму) іоніту. Розрізняють повну об'ємну, статичну і динамічну ємності.

Повна ємність - це кількість поглинутої речовини при повному наси ченні одиниці об'єму або ваги іоніту. Статична ємність - це об'ємна ємність іоніту до досягнення рівноваги у певних робочих умовах. Динамічна об­мінна ємність - це ємність іоніту до "проскоку" іонів у фільтрат, яка визна­чається в умовах фільтрації. Динамічна ємність менша від статичної.

У більшості випадків очистку води методом ІО здійснюють шляхом фільтрування стічної води через шар іоніту.

Іоніти (катіоніти та аніоніти) можуть бути як органічної, так і неорганічної природи, а також природного походження і штучні. Іоніти природного поход­ження (гумінові і фульвокислоти, цеоліти, слюди, польові шпати, апатити тощо) відіграють важливу роль у процесах самоочищення водних джерел від катіонів і аніонів, але для очистки стічних вод використовують переважно штучні іонти органічного походження - іонітні смоли. Іонітні смоли мають розвинуту поверхню і складаються із просторового карбонового каркасу (скелету), який називають матрицею, та іонообмінних функціональних груп, які здатні обмінювати іони.

Реакція ІО проходить за схемою:

- катіоніт: RS0₃H + NaCl ↔ RS0₃Na + НС1;

-аніоніт: ROH + NaCl ↔ RС1+ Na ОН,

де R - матриця.

ІО проходить в еквівалентному відношенні і, в більшості випадків, є зворотним процесом. Реакція ІО проходить внаслідок різниці хімічних потенціалів обмінних іонів до встановлення іонообмінної рівноваги.

Загалом процес ІО можна представити рівнянням: mА + RmB ↔ mRА + B.

Швидкість встановлення рівноваги залежить як від зовнішніх, так і від внутрішніх факторів: гідродинамічний режим рідини, концентрації об­мінних іонів, структури зерен іоніту тощо.

Процес ІО можна зобразити декількома стадіями:

✓ перенос іонів А із потоку рідини до зовнішньої поверхні прикордонної рідинної плівки, яка оточує зерню іоніту;

✓ дифузія іонів через прикордонний шар;

✓ перехід іону через межу розділу фаз в зерно іоніту;

✓ дифузія іонів А всередині зерна іоніту до іонообмінних функціональних груп;

✓ хімічна реакція подвійного обміну іонів А і В;

✓ дифузія іонів В всередині зерна іоніту до межі розділу фаз;

✓ перехід іонів В через межу розділу фаз на внутрішню поверхню плівки рідини;

✓ дифузія іонів В через плівку рідини;

✓ дифузія іонів В у потік рідини.

Швидкість ІО визначається найповільнішою із цих стадій - дифузією в плівці рідини або дифузією в зерні іоніту. Хімічна реакція ІО проходить швидко і не визначає сумарну швидкість процесу. Якщо обмінна реакція описується в загальному вигляді наведеним вище рівнянням, то рівновагу іонообмінних процесів можна виразити наступ­ити формулою:

,

де К_АВ - константа рівноваги;

g - концентрація іонів в твердій фазі;

С - концентрація іонів в рідкій фазі;

Х = С/С₀ - безрозмірна концентрація в рідкій фазі;

У = g / θ - безрозмірна концентрація в твердій фазі;

С1 - загальна "еквівалентна" концентрація іонів в рідині;

θ - обмінна ємність іоніту. Значення п знаходиться в межах m і 1.

Іоніти при контакті з водою не розчиняються, але поглинають кількість води і набухають. Вони є гелями обмеженого набухання. При набуханні розмір мікропор зростає до 4 нм, а розмір макропор-70-130 нм. Об'єм іоніту при цьому зростає в 1,5-3 рази.

Ступінь набухання іонітів залежить від їх будови, природи проти від складу розчину. Набухання впливає на швидкість та повноту обміну іонів, а також на селективність іоніту. Сильно набухаючі іоніти називають желеподібними і вони мають питому обмінну поверхню 0,1-0,2 м²/г, макропористі - до 60-80 м²/г.

У деяких випадках для підвищення селективності іонітів до певних іонів металів до складу смоли вводять функціональні групи, які здатні з і металів утворювати комплексні сполуки. Підбором таких функціональних груп можна досягти високої селективності іонітів до певних іонів. Очистка стічної води методом ІО проводиться на установках перервної (рис. 4.14) і безперервної дії, причому, як і в попередніх випадках безперервному процесі очистки постій-но подається новий іоніт, а при періодичній очистці - іоніт насичують обмінними іонами до "проскоку", після чого апарат відключають і регенерують смолу. Іноді проводять період регенерацію іоніту. З рис. 4.14 видно, що стічна вода потрапляє всередину апарату, про­ходить шар іоніту і виходить через розподільник (6). Після цього пода­сться промивна вода, а далі - регенеруючий розчин. Отже, цикл роботи установки складається з таких стадій: 1) іонний обмін; 2) відмивання Іоніту від механічних домішок; 3) регенерація іоніту; 4) відмивання іоніту від регенеруючого розчину. Робота такої установки може бути інтенсифікована шляхом використання апаратів з киплячим шаром іоніту.

1 колона; 2- решітка; 3 - шар іоніту дії; 4-6 - розподільники; 7 - бак з регенеруючим розчином Рис. 4.14. Схема іонообмінної установки періодичної дії	1 - корпус; 2 - роздільна зона; 3 - іоніт; 4 - тарілка; 5 - ерліфт. Рис. 4.15. Колона з рухомим шаром іоніту (а) і колона з тарілками провальною типу (б).

Недоліками установок періодичної дії є великі об’єми апаратів, значні витрати реагентів, велике одночасне завантаження іоніту, складність авто­матизації процесу.

Безперервний процес ІО дозволяє зменшити витрати смоли, реагентів для регенерації, промивної води, а також використовувати більш компактне обладнання порівнянно з періодичним ІО. Колони безперервної дії можуть працювати як з рухомим шаром іоніту, так і і киплячим (псевдорідженим) шаром.

В цих апаратах спостерігається протитечійний рух стічної води та іоніту. Для регенерації іоніту використовують колони з рухли­вим шаром, або пневмопульсаційні колони. При регенерації іонітну смолу промивають розчином солі з однойменним іоном, якиіі міститься у функціональній іонообмінній групі.