22. Очистка сточных вод ионным обменом

Ионный обмен – это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита.

Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы и использовать очищенную воду в технологических процессах или системах оборотного водоснабжения.

Сточные воды, подаваемые на установку, не должны содержать: солей – свыше 3000 мг/л; взвешенных веществ – свыше 8 мг/л; ХПК не должна превышать 8 мг О₂ /л.

Для загрузки Н-катионитовых фильтров преимущественно исользуются катиониты КУ-1, КУ-2-8, КУ-2-20, КУ-23, КБ-4.

В качестве слабоосновных анионитов могут применяться: АН-2-ФН, АН-18, АН-22, АН-32, АН-221, АН-251, аниониты промежуточной основности ЭДЭ-10П. Сильноосновные аниониты АВ-17-8, АВ-29-12П.

Важнейшим свойством ионитов является их обменная емкость. Полная емкость ионита – это количество грамм-эквивалентов ионов, находящихся в воде, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита – это количество грамм-эквивалентов, находящихся в воде, которое может поглотить 1 м³ ионита в фильтре при обработке воды до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов.

Обмен ионов в ионитах проходит в эквивалентных количествах и обратимо. Обмен катионов записывается уравнением:

R_кМ₁ + ↔ R_кМ₂ + ,

где R_к – катионит; – обмениваемый катион; – удаляемый из раствора катион.

Анионный обмен выражается уравнением:

R_аА₁ + ↔ R_аА₂ + ,

где R_а – анионит; – обмениваемый анион; – удаляемый из раствора анион.

Если катионит находится в Н-форме, т.е. насыщен обмениваемыми ионами водорода Н⁺, а анионит в ОН-форме, т.е. насыщен обмениваемыми гидроксид-ионами, то последовательная обработка на катионите, а затем на анионите приводит к полному удалению минеральных солей.

Для регенерации катионита используют соляную или серную кислоты. Протекает следующий обмен:

R_кМ + HCl ↔ R_кН + MCl или

R_кМ + H₂SO₄ ↔ R_кН₂ + MSO₄.

Регенерацию анионита осуществляют раствором NaOH. Протекает следующий обмен:

R_аА + NaOH ↔ R_aOН + NaA

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического (фильтрах) или непрерывного действия.

Цикл работы аппарата периодической установки состоит из следующих стадий: 1) ионный обмен; 2) отмывка ионита от механических примесей; 3) регенерация ионита; 4) отмывка ионита от регенерирующего раствора.

Для увеличения эффективности процесса используют колонну с псевдоожиженным слоем или пульсацией. Колонна с тарелками провального типа (рис. 4.33, а) имеет удельную производительность 30-40 м³/(м² ∙ ч). Тарелки с лопатками расположены под углом 30^о.

Рис. 4.33. Колонны для ионообменной очистки: а – с тарелками провального типа: 1 – корпус; 2 – разделительная зона; 3 – тарелки; 4 – эрлифт; б – регенерационная пневмопульсационная: 1 – колонна; 2 – решетка; 3 – труба; 4 – распределитель раствора.

Для регенерации смолы используют колонны с движущимся слоем или пневмопульсационные (рис. 4.33, б). Сорбент подают через коническую трубу. При подаче воздуха смола в рабочем объеме аппарата движется навстречу раствору и удаляется сверху; столб смолы в трубе действует как обратный клапан.