EnglishGermanItalianRussian

Колонна ионообменнаяНаша компания, производит гумированные фильтрационные колонны ФОВ с комплексом автоматики на основе пневматического управления, емкостью от 0,7 м3. Колонна выполняется из стали и гуммируется внутри слоем химически стойкой резины. Колонна оборудована распределительной системой из нержавеющей стали и большим люком для разгрузки отработанной смолы, что весьма выгодно отличает ее от стеклопластиковых изделий.

Немного теоретических знаний, зачем же нужны такие ионообменные колонны и что такое вообще ионный обмен:

Так как для медицинских целей, микроэлектроники или пищевой промышленности необходимо получать мягкую воду или особо чистую воду, то единственным экономически оправданным методом удаления из воды солей жесткости является применение ионообменных смол.

Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х — в 90-х годах. Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленных из специальных полимерных материалов, именуемых для простоты «смолой». Внешне такая смола может напомнить мелкую икру рыбы.

Смола ионообменнаяИонообменные смолы представляют собой высокомолекулярные органические вещества с функциональными ионогенными группами, практически не растворимые и способные к обратному обмену ионов на эквивалентное количество других ионов, находящихся в растворе. Таким образом, осуществляется ионный обмен — отсюда и обобщающее название этих смол — «ионообменные» или «иониты».

В зависимости от знака заряда обменивающихся ионов (противоионов) иониты подразделяются на:

  • Катиониты — обменивающие положительные ионы;
  • Аниониты — обменивающие отрицательно заряженные ионы;
  • Амфолиты – обменивающие положительно и отрицательно заряженные ионы.

Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.

Иониты бывают пористые, зернистые, материалы имеющие гелевую, изопористую или макропористую структуру.

  • Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.
  • Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии.

Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Ионообменная смолаАниониты бывают:

  • Сильноосновные — способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;
  • Слабоосновные — способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6, промежуточной и смешанной активности.

Катиониты бывают:

  • Сильнокислотные — обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;
  • Слабокислотные — способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

Иониты подразделяются на:

  • природные — некоторые пески, глинистые минера­лы, цеолиты;
  • синтетические — которые, в зависимости от метода получения, классифицируются на полимеризационные и поликонденсационные.

Ионный обмен является разновидностью жидкостной адсорбции, поэтому при расчете процесса ионного обмена целесообразно использовать приемы и принципы по адсорбции.

Большинство ионитов — это полиэлектролиты аморфной или кристаллической структуры. Ионогенные группы, закреплены на каркасе-матрице и диссоциируют, образуя полиионы (фиксированные ионы) и подвижные противоионы, компенсирующие заряды полиионов.

Ионит содержит химически связанные с матрицей составляющей гранулу ио­ны и диссоциированные ионы, являющиеся, по отношению к первым, противоионами. При исследовании свойств ионитов целесообразно руководствоваться теорией электролитической диссоциации.

Например, катион КУ-2-8 получают сульфированием гранулированного сопо­лимера стирола и дивинилбензола. При сополимеризации стирола и дивинилбензола получают спиральные молекулы с 3 звеньями на виток:

Звено катионита КУ-2-8

По химической природе катиониты являются кислотами, а аниониты — основа­ниями, поэтому в зависимости от вида функционально активных групп, их раз­граничивают по кислотности или основности на типы:

1. Катиоиониты:

  • сильнокислотные (КУ-2, КУ-1,Сульфоуголь);
  • слабокислотные (КБ-4-П2);
  • среднекислотные.

2. Аниониты:

  • сильноосновные (АВ-17, ЭДЭ-10П);
  • слабоосновные (АН-1, АН-4);
  • среднеосновные.

Соответственно, их химические свойства существенно различаются. Например, слабоосновными анионитами задерживаются только ионы сильных кислот, а анионы слабых кислот (HCO3-) связываются только сильноосновными анионитами.

Очистка воды на ионообменных смолах:

Схема очистки поверхностных вод

1. Известкование и коагуляция;
2. Н+ Катионитовый фильтр;
3. Анионитовый фильтр.

Выбор схемы очистки зависит от состава исходной воды и требований к качеству очищенной воды. Например, поверхностные воды часто очищают в соответствии со следующей схемой:

Из-за обратимости реакций ионного обмена не удается полностью извлечь ионы, содержащиеся в воде.

Поэтому при получении особо чистой воды или апирогенной воды используют приемы, способствующие достижению высокого качества очистки.

Одним из них является смешивание ионитов. При этом в одном в одном аппарате в перемешанном состоянии находятся катиониты в Н-форме и аниониты в OH-форме.

В результате очень близкого контакта сильнокислого катионита и слабокислого анионита практически одновременно протекают следующие реакции:

HR + NaCl — NaR + HCl

ROH + NaCl — RCl + NaOH

HR + NaOH — NaR + HOH

NaOH + HCl — NaCl + HOH

В результате протекания этих равновероятных реакций, обеспечивается необратимость процесса с получением практически свободной от растворенных ионов воды.

Эффективность массообмена в смешанном слое будет лимитироваться худшими кинетическими характеристиками одного из ионитов, поэтому следует выбирать сорбенты с близкими кинетическими характеристиками.

Опыт практической эксплуатации свидетельствует, что из вариантов сочетаний ионитов «сильный — слабый», «слабый — слабый», «слабый — сильный», «сильный — сильный» катионит и анионит наибольшей эффект достигается в последнем случае.

Эффективность последнего варианта, т.е. сочетание сильноосновного анионита и сильнокислотного катионита, как правило, это очищенные формы АВ-17 и КУ-2, AB-17чC и КУ-2-8чС соответственно, подтверждается удалением значительной части кремния, который находится в форме слабой кислоты и соответственно сорбируется только на сильноосновных сорбентах.

Таким образом, физико-химические и технологические отличительные особенности работы фильтров смешанного действия (ФСД) по сравнению с отдельными колоннами заключаются в сдвиге реакций в сторону образования воды, т.е. малодиссоциированного соединения.

Отметим следующие особенности массообмена в смешанном слое:

1. Качество фильтрата не зависит от концентрации солей в исходном растворе, зависит лишь объем полученного фильтрата;

2. Селективность различных ионов сглаживается, т.е. эффективность извлечения ионов из раствора практически одинакова. Последний фактор существенно увеличивает надежность технологических расчетов. Вследствие малой диссоциации воды возрастает скорость обмена, следовательно, можно применять более высокие скорости фильтрования;

3. При смещении ионитов объем слоя превышает суммарный объем при раздельной эксплуатации, что позволяет вести процесс с большей скоростью.

Все отмеченные факторы приводят к тому, что фронт адсорбции становится менее размытым и динамическая общая емкость (ДОЕ) приближается к полной обменной емкости (ПОЕ).

Более того, улучшается отмываемость сильноосновных катионитов от щелочи, оставшейся от регенерации, из-за экранирующего эффекта катионита. Катионит сорбирует оставшуюся щелочь, анионит оставшуюся кислоту.

Практика эксплуатации ФСД показала, что оптимальное соотношение катионита к аниониту составляет 1/(1,5-2).

Колонна ионообменная

Регенерация смешанного слоя ионитов.

Регенерация ионитов в смешанном слое может осуществляться непосредственно в фильтре смешанного действия (ФСД), либо вне аппарата.

Регенерация смешанного слоя в аппарате обуславливает его конструктивные особенности и соотношение ионитов (К/А) — 1/(1,5-2). При регенерации вне аппарата соотношение К/А может достигать 1/3.

Рассмотрим последовательность регенерации, осуществляемой непосредственно в аппарате.

Аппарат со смешанным слоем ионита

1. Корпус;

2. Смотровые окна;

3. Подача воды на очистку;

4. Подача щелочи;

5. Подача Н-катионированной воды для промывки смол;

6. Вывод деминерализованной воды;

7. Подача кислоты;

8. Подача Н-катионированной воды для экранирования;

9. Подача сжатого воздуха;

10. Слив в канализацию;

11. Подача воды для промыва среднего дренажа.

Перед регенерацией смесь ионитов разделяют путем подачи воды снизу со скоростью, несколько превышающей скорость осаждения. Катионит вследствие большой плотности (~100-200 кг/м3) перемещается в нижнюю часть аппарата. Сепарацию повторяют 2-3 раза.

Регенерацию разделенных слоев осуществляют: катионита в нижней части фильтра осуществляют путем подачи кислоты снизу вверх, а аниониты в верхней части аппарата щелочью, подаваемой сверху вниз, с выходом обоих реагентов в средней части аппарата. При этом реагенты взаимно нейтрализуют друг друга.

Регенерация с отсечкой.

Проводится аналогичным образом..

Навстречу кислоте по трубопроводу 7 осуществляется подача Н-катионированной воды по трубопроводу 5, и навстречу щелочи (4) осуществляется подача Н-катионированной воды (5). Затем приводится отмывка катионита и анионита (с отсечкой).

Расходы отмывной воды: 5 объемов воды/насыпной объем ионита.

Перед пуском аппарата осуществляют смешение смол сжатым воздухом.