3.8. Іонообмінні процеси

3.8.1. Загальні відомості

Суть іонообмінних процесів полягає у вибірковому поглинанні одного або декількох компонентів з розчинів за допомогою іонітів. Особливість іонообмінних процесів полягає в тому, що обмін іонами, який відбувається між іонітами і розчином, пов‘язаний з протіканням гетерогенної хімічної реакції між іонітом і хімічними сполуками, які перебувають у розчині.

Під час іонного обміну, подібно до адсорбції, відбувається переміщення іонів, що витісняють з розчину до поверхні іоніту і витіснених іонів – від цієї поверхні в розчин (зовнішня дифузія), а також переміщення тих самих іонів всередині зерен іоніту (внутрішня дифузія). Однак іноді гетерогенна хімічна реакція подвійного обміну, що відбувається на поверхні розділу твердої і рідкої фаз, є найповільнішою стадією іонообмінного процесу, що лімітує швидкість процесу загалом.

На сьогоднішній день у промисловості процеси іонної сорбції використовуються часто. Зокрема, таким методом здійснюється пом‘якшення та висолювання води, вловлювання та концентрування цінних металів з їх розчинів, очищення різних розчинів від небажаних домішок, вловлювання і концентрування цінних металів з розбавлених розчинів, розділення сумішей та ін. Порівняно з процесами екстракції, ректифікації та деякими іншими, іонний обмін за техніко-економічними показниками має певні переваги, пов‘язані з простотою апаратурного оформлення цих процесів.

3.8.2.Будова іонообмінників та схеми іонообмінних апаратів

У хімічній промисловості найчастіше використовують іонообмінні установки періодичної дії з нерухомим шаром іоніту (рис. 3.10). Іонообмінний апарат складається з циліндричного корпусу 1 з еліптичним днищем і опорної решітки 2, на якій розміщено шар гранульованого іоніту 3. З метою рівномірнішого розподілення розчину по перерізу апарату та запобігання винесення дрібних частинок іоніту встановлені розподільчі пристрої 4 і 5 у вигляді трубок з ковпачками та шпаринами у них для проходження розчину. Іноді з цією метою на решітку 2 насипають шар гравію (зернистого матеріалу) висотою 200 мм.

Повний цикл апарату складається з 4-х етапів: 1 - власне іонообмін; 2 - відмивання іоніту від механічних домішок; 3 - регенерація іоніту; 4 - відмивання іоніту від регенеруючого розчину.

На першому етапі оброблюваний розчин надходить в апарат розподільчим пристроєм 4, проходить зверху вниз крізь шар іоніту і виводиться через розподільчий пристрій 5. На другому етапі через пристрій 5 подається під тиском промивна вода, яка проходить зверху вниз крізь шар іоніту і виводиться через розподільчий пристрій 4. Для регенерації відпрацьованого іоніту через розподільчий пристрій 6 насосом 7 з баку 8 в апарат подають регенеруючий розчин, який рухається через шар іоніту у тому самому напрямку, що й оброблюваний розчин на першому етапі процесу.

Для очищення води як регенеруючі розчини використовують розчини солей (хлористого натру), а також розчини кислот і лугів (сірчаної кислоти, їдкого натру тощо), причому у деяких іонообмінних апаратах початковий та регенеруючий розчини можуть рухатися протитечійно. У цьому разі ступінь очищення буде кращою, оскільки оброблюваний розчин під час наближення до виходу контактує з краще відрегенерованою частиною шару іоніту. Після завершення етапу регенерації здійснюють ретельне відмивання іоніту від регенеруючого розчину водою, яка проходить крізь шар у напрямку зверху вниз. Після цього завершального етапу цикл роботи апарату починається спочатку.

Рис. 3.10. Схема іонообмінної установки періодичної дії. 1 – корпус апарату; 2 – опорна решітка; 3 – шар іоніту; 4 – 6 – розподілювачі; 7 – відцентровий насос; 8 – бак з регенеруючим розчином; 9 – труба для виходу відпрацьованого розчину після іонообміну; 10, 11 – труби для подавання і відведення промивної води після іонообміну; 12 – труба для транспортування вихідного розчину під час іонообміну і промивної води після регенерації; 13 – труба для відведення регенерую чого розчину і промивної води після регенерації

Іонообмінні процеси у деяких випадках інтенсифікують використанням рухомого або киплячого шару іоніту, що сприяє збільшенню площі контакту іоніту з рідкою фазою.

У разі використання батареї іонообмінних колон періодичної дії з нерухомим чи киплячим шаром іонообмінна установка загалом внаслідок циклічності роботи кожної із колон працюватиме у неперервному режимі.

Іонообмінні колони неперервної дії можуть працювати як з рухомим, так і з киплячим шаром іоніту. Для здійснення неперервного процесу іонообміну у киплячому шарі можна використовувати протитечійно-ступінчасті апарати із ситчастими тарілками та переливними пристроями. Конструкцію адсорберу такого типу показано на рис. 3.8 б. У цьому апараті рідина стікає зверху донизу зі швидкістю, що є більшою від швидкості початку псевдозрідження частинок іоніту. На кожній тарілці іоніт "кипить" і через переливні трубки переходить на тарілки, розміщені нижче, а з нижньої тарілки безперервно відводиться з колони на регенерацію.

В установці безперервної дії можна окремі етапи процесу (іонообмін, регенерування та відмивання осаду) здійснювати у окремих апаратах.

На рис. 3.11 зображено пустотілу колону з пневматичним перемішуванням. З метою здійснення безперервної іонообмінної сорбції з пульп у киплячому шарі іоніту використовують декілька таких послідовно з‘єднаних пустотілих колон. У кожній колоні відбувається інтенсивне перемішування пульпи стисненим повітрям, яке надходить в реакційну камеру центральною трубою 1 (принцип роботи ерліфта). Ерліфтний пристрій 2 призначений для транспортування іоніту від ступені до ступені. Винесенню дрібних частинок іоніту з пульпою запобігає сітка 3. Незважаючи на те, що у кожному із апаратів дотримується режим, близький до режиму ідеального перемішування, за достатньої кількості апаратів (послідовно з‘єднаних) в установці досягається високий ступінь насичення іоніту, а установка відзначається простотою.

Рис. 3.11. Іонообмінна колона з пневматичним перемішуванням: 1 – центральна ерліфтна труба для перемішування; 2 – ерліфт для транспортування іоніту; 3 – сітка; 4 –труба для подавання вихідної пульпи; 5 – штуцер для відведення пульпи; 6, 7 – труби для подавання і відведення іоніту; 8 – труба для транспортування стисненого повітря