Ионообменные смолы
Ионообменная смола – фильтрующая загрузка, представляющая собой полимеры, состоящие из гранул небольшого диаметра (до 1 - 1,5 мм). В своем составе смола содержит множество свободных ионов, способных к активному взаимодействию с частицами противоположного заряда.
Ионообменные смолы получили широкое распространение. В настоящее время они применяются в фильтрах умягчения воды, в фильтрах смешанного действия, при Н-катионитном и ОН-анионитном методах обессоливания, в установках электродеионизации, при очистке сточных вод, а также в качестве катализатора для органического синтеза.
Классификация ионообменных смол
В соответствии с задерживаемыми и замещаемыми ионами смолы делятся на аниониты (анионообменная смола) и катиониты (катионообменная смола).
Катиониты
Катиониты способны обменивать положительно заряженные ионы. Например, в системах умягчения воды ионы Са2+ и Mg2+, находящиеся в исходной воде замещаются на ионы Na+.
В свою очередь катиониты можно разделить на две группы:
-
Сильнокислотные;
-
Слабокислотные.
Сильнокислотные катиониты
Содержат группу сульфоновой кислоты (НSO3-). Сильнокислотный катионит – самый используемый вид ионообменной смолы. Такая смола может работать при любом рН, эффективна для удаления ионов жесткости.
Слабокислотные катиониты
Содержат карбоксильные группы (-СООН). Слабокислотный катионит, в отличие от сильнокислотного, способен работать только в щелочной и нейтральной среде (рН 7÷14). Из преимуществ можно отметить механическую прочность и стойкость к окислению (работают с перекисью водорода, хлором и др. окислителями).
Аниониты
Аниониты способны обменивать отрицательно заряженные ионы. Например, сульфаты (SO42-) замещают гидрокид-ионом (ОН-).
В свою очередь аниониты также можно разделить на две группы:
-
Высокоосновные (сильноосновные);
-
Низкоосновные (слабоосновные).
Высокоосновные аниониты
Содержат четвертичные аммониевые группы. Высокоосновные аниониты способны работать при любом рН. Их применяют для обессоливания и деминерализации, а также для удаления общего органического углерода и другой органики.
Низкоосновные аниониты
Содержат первичные, вторичные и третичные аминогруппы. Слабоосновные аниониты могут работать только в кислой и нейтральной среде (рН 0÷7). Их эффективно использовать для извлечения хлоридов, сульфатов, нитратов и других анионов сильных кислот.
Принцип работы ионообменной смолы
Ионный обмен – обратимая реакция замещения одних ионов в растворе на другие такого же заряда. В качестве примера возьмём уравнение процесса умягчения на Na-катионитных фильтрах.
2NaR+ Ca(HCO3)2 ↔ CaR2 + 2NaHCO3;
2NaR+ Mg(HCO3)2 ↔ MgR2 + 2NaHCO3;
где R – анионитный комплекс катионита.
Из уравнений мы видим как из гидрокарбонатов кальция и магния (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2) получается гидрокарбонат натрия (NaHCO3), а ионы кальция и магния задерживаются в матрице ионообменного материала.
Регенерация ионообменной смолы
По мере прохождения воды сквозь ионообменную смолу количество задержанных ионов Ca2+ и Mg2+ возрастает, а количество свободных ионов Na+ уменьшается, этот процесс называется «истощением» обменной емкости.
Чтобы восстановить обменную емкость ионообменной смолы следует провести её регенерацию. При умягчении воды на Na-катионитных фильтрых, регенерацию проводят раствором NaCl. Процесс регенерации описывается следующим упрощенным уравнением:
CaR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Ca2+;
MgR2 + 2Na+ ↔ 2 NaR + Mg2+.
Происходит процесс обратного замещения ионов кальция и магния ионами натрия, а кальций и магний удаляются при промывке фильтров.
Н-катионитные фильтры регенерируются растворами соляной (HCl) или серной кислоты (H2SO4). ОН-анионитные фильтры – гидроксидом натрия (NaOH).
Характеристики ионообменной смолы
Физические характеристики:
-
Размер зёрен;
-
Насыпная масса;
-
Структура ионита;
-
Прочность;
-
Осмотическая стабильность.
Химические характеристики:
-
Наличие той или иной функциональной группы;
-
Химическая стойкость;
-
Температурная стойкость;
-
Динамическая обменная емкость;
-
Рабочая обменная емкость;
-
Основность – для анионитов;
-
Кислотность – для катионитов.
Особо важным показателем является рабочая обменная емкость. Чем выше данный показатель, тем больше примесей способен удалить анионит или катионит до проведения регенерации.