Селективность ионитов по отношению к различным ионам увеличивается при разбавлении, но сохраняется неизменным соотношение концентраций конкурирующих ионов. При разбавлении в наибольшей степени увеличивается емкость ионита по иону, для которого селективность оказывается наибольшей. Этим приемом пользуются в тех случаях, когда в воде содержится несколько конкурирующих ионов, и задача заключается в преимущественном удалении только некоторых из них.

Наряду с синтетическими смолами, в качестве катионитов, применяются природные материалы: слоистые, слоисто-ленточные и каркасные силикаты. К ним принадлежат такие породы, как вермикулит, монтмориллонит, коалинит, цеолит (клиноптилолит). Каркас природных катионитов состоит в основном из алюмосиликатов, заряженных отрицательно, и содержит в своих полостях такие противоионы, как Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺. Поры материалов, в основном, малых размеров (микро- и супермикропоры), часть пор малодоступна для проникновения в них ионов.

Природные катиониты гидрофильны. Модификацией (прокаливанием при температурах до 300…400 °С, гидрофобизацией) качество природных катионитов может быть улучшено. Природные катиониты очищают воду от аммонийного азота, радиоактивных изотопов  (Cs¹³⁴, Cs¹³⁷, Ce¹⁴⁴, Zr⁸⁵, Ru¹⁰⁶, Nb⁹⁵ и др.). Подробное описание свойств природных катионитов приводится в работе [52].

 

Технология ионообменной очистки

Иониты применяются в установках типа фильтров с неподвижной и колонн с псевдосжиженной загрузкой. Если контакт воды и ионитов достаточно продолжителен (более 15…45 мин), то кинетика ионообмена практически может не учитываться, и динамическая емкость ионитов используется полностью. Такие условия имеют место при скоростях  фильтрации  до  8…10 м/ч,  причем,  чем  меньше  отношение толщины слоя загрузки к диаметру фильтра, тем меньше рекомендуемая скорость, при которой можно пренебречь кинетическими факторами. Это объясняется тем, что слой, в котором ПДОЕ ионита используется не полностью, должен быть максимально ограничен.

Одним из недостатков  схемы с фильтрами – возможность кольматации ионита грубодисперсными примесями, что приводит к сокращению продолжительности рабочего периода и к неполному использованию обменной емкости ионита. По данным одного из экспериментов, при содержании в воде 10 мг/л взвесей обменная емкость по ПДОЕ была использована на 23,6 %, при 25 мг/л – на 14,8 %, 50 мг/л – только на 8,1 % [54]. Поэтому, перед подачей на ионообменные фильтры, необходимо глубокое осветление воды со снижением содержания ГДП до 5…6 мг/л.

---

В псевдосжиженном слое ионита условия использования ионита менее благоприятны, чем в неподвижном слое. Причина заключается в перемешивании загрузки в вертикальном направлении, что приводит к усреднению степени насыщения фракций ионита загрязнителями. Чем больше расширение псевдосжиженного слоя, тем существеннее влияние этого негативного фактора. Так, по экспериментальным данным, в случае полуторакратного расширения использование обменной емкости снижается на 25 %, а при трехкратном расширении – на 50 % [18]. Степень расширения обычно принимается такой, чтобы используемая обменная емкость ионита составляла бы не менее 70…80 от ПДОЕ.

Достоинством установок с псевдосжиженным слоем следует считать более мягкие требования к содержанию в воде ГДП, чем те, которые предъявляются для схем с фильтрами. Установки с псевдосжиженным слоем выполняются в виде колонн. На рис. 5.5 приводится схема колонны с беспровальными решетками. Отработанный ионит скапливается в конической части колонны и откачивается эрлифтом или эжектором на регенерацию. Имеются конструкции, обеспечивающие непрерывную регенерацию ионита во встроенном в колонну узле регенерации [51]. Для регенерации ионитов используют растворы реагентов (солей, кислот или оснований), содержащие обменные ионы. К реагентам предъявляется ряд требований: удобство, безопасность хранения и использования при невысокой стоимости; применение обменных ионов, имеющих меньшее химическое сродство с ионитом, чем ионы загрязнителей; появление обменных ионов в очищенной воде не должно вызывать ее загрязнения; образующийся при регенерации ионита элюат должен быть оптимального (по условиям хранения и переработки) качества. Обменные ионы, как правило, являются одновалентными и гидратированными  (H+; Na+; Cl–; OH– и другие).

Катиониты чаще всего регенерируют водными растворами H₂SO₄ или NaCl, а аниониты – NaOH или HCl.

Рассмотрим некоторые примеры ионообменной очистки природных и сточных вод.

Ионообмен используется при опреснении и обессоливании воды. Частный случай опреснения – умягчение воды, при котором предусматривается удаление только солей жесткости (солей кальция и магния). При обессоливании общее содержание ионов в воде должно доводиться  до незначительных концентраций.

---

Умягчение воды производится H и Na – катионированием:

 

2[Кат]H + MgSO₄  [Кат]₂Mg + H₂SO₄;

2[Кат]Na + MgSO₄  [Кат]₂Mg + Na₂SO₄.

 

Заметим, что при H–катионировании pH воды понижается, так как из катионита вытесняются обменные противоионы – катионы водорода H⁺. В тех случаях, когда это ухудшает качество воды и недопустимо, применимы схемы с параллельной установкой H– и Na–катионовых фильтров.

К примеру, при умягчении из воды удаляются Ca(HCO₃)₂ и MgSO₄. После H–катионирования в воде появляются: H₂CO₃ и H₂SO₄; угольная кислота разлагается с выделением  углекислого газа и воды: H₂CO₃  CO₂­+H₂O.

После Na–катионирования в воде содержатся: NaHCO₃ и Na₂SO₄.

После смешения потоков создаются условия для нейтрализации серной кислоты:

H₂SO₄ + 2NaHCO₃ = Na₂SO₄ + CO₂­ + 2H₂O.

 

Натрийкатионовые фильтры регенерируют едким натром или раствором   NaCl, H–катионовые – серной кислотой.

При опреснении и обессоливании воды из нее удаляются как катионы, так и анионы. Для этого предусматривается последовательная установка катионовых и анионовых фильтров. Например, при удалении из воды поваренной соли катионы натрия задерживаются в H–катионовых фильтрах, а анионы хлора – в OH–анионовых фильтрах:

 

[Кат]H + NaCl  [Кат]Na +HCl;

[Ан]OH + HCl  [Ан]Cl + H₂O.

 

Применение анионитов в OH–форме приводит к повышению pH воды. Последовательная установка катионовых фильтров в H–форме и анионовых фильтров в OH–форме обеспечивает нейтрализацию воды.

Если регенерировать катионит раствором соляной кислоты, а анионит – раствором едкого натра, то в том и в другом элюатах будет содержаться только NaCl.

---

В случае обессоливания и удаления ионов с разной селективностью, необходимо устанавливать две или три ступени ионнитовых фильтров.

Рассмотрим схему очистки производственного стока, содержащего анионы CrO₄^2–, SO₂^2–, Cl^– и катионы  Fe³⁺, Cr³⁺, Cu²⁺. Задача заключается в выделении для утилизации шестивалентного хрома в виде кислоты  H₂CrO₄. Предусматривается повторное использование воды, для чего она должна быть обессолена. Анионит обладает наибольшей селективностью по отношению к иону шестивалентного хрома и меньшей – к двум другим анионам.

Схема очистки приведена на рис. 5.6. Установка состоит из двух ступеней катионовых фильтров, задерживающих все катионы, содержащиеся в стоке, и двух ступеней анионовых фильтров, первый из которых задерживает анион шестивалентного хрома, а второй – остальные анионы.  При регенерации анионового фильтра первой ступени едким натром элюат содержит Na2CrO4, этот элюат затем поступает в катионовый фильтр второй ступени, в котором задерживаются катионы натрия, и образуется раствор кислоты H2CrO4. При регенерации катионового фильтра второй ступени раствором соляной кислоты в элюате содержится только поваренная соль, в элюате после регенерации катионового фильтра первой ступени (фильтр регенерируется соляной кислотой) содержится коагулянт FeCl3, нерастворимый CrCl3 и растворимая  в воде соль постоянной жесткости CaCl2. Элюат анионового фильтра второй ступени содержит поваренную соль и не загрязнен. Специфически протекает ионообменная очистка воды от молекулярных органических загрязнений. Сложность заключается в том, что для диссоциации молекул слабых органических электролитов требуются такие значения pH воды, при которых в ней будут содержаться конкурирующие с удаляемыми ионами протоны H+ или анионы гидроксильных групп.

 

Хотя обычно принимаемые значения pH воды и недостаточны для диссоциации органических электролитов, тем не менее, очистка происходит. В [54] этому дается следующее объяснение. При диффузии недиссоциированных молекул органики, например оснований, в зернах катионита, находящегося в H–форме, они (молекулы) оказываются в среде с высокой концентрацией протонов и контактируют с ними, образуют катионы, электростатически связанные с анионами функциональных групп. Последующая регенерация катионита в этих условиях протекает неполно и требует большого избытка реагентов. Для улучшения регенерации необходимо понизить степень гидратации противоионов, для чего применяются неводные регенерирующие растворы или растворы, содержащие небольшое количество воды, например спиртово-водные растворы.

---

Так, иониты после очистки воды от органических оснований  регенерируются 5 % раствором аммиака в смеси, состоящей на 80 % из метилового спирта и на 20 % из воды. Процесс регенерации интенсифицируется при подогреве раствора до 30…40 °С.

---

Смотрите также файлы

• ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ.docx

• отчет по лабораторной 3.pdf

• Отчет по Protege.docx

• Отчет о прохождении практики Приложение 5.doc

• Отчет о презентации компании Шлюмберже.docx