3. Применение ионообменных материалов

3.1. Умягчение природной воды

В ряде производств используется вода, не содержащая ионов, обусловливающих ее жесткость. В основном это ионы кальция и магния. Удаление последних из воды или любых растворов называется умягчением. Для этого используют катионообменники в Н⁺- или Na⁺- форме. При Н - катионировании все катионы в воде заменяются на Н⁺ - ионы. Такую воду называют Н-катионированной.

В процессе Na-катионирования ионы жесткости заменяются на ионы натрия, например, в соответствии с реакциями

Ca(HCO₃)₂ Ca NaHCO₃

R-Na + CaCI₂  R Ca + NaCI

MgSO₄  Mg Na₂SO₄

При одноступенчатом умягчении проскок кальция и магния может составить 0,05 ммоль-экв/л. Для более глубокого умягчения используют вторую ступень Na-катионитрования. Сущность двухступенчатого Na-катионирования воды заключается в том, что она проходит через два слоя катионита, регенерация которых проводится с разными удельными расходами NaCI. Первый по ходу воды слой (1-я ступень) регенерируется с небольшим избытком соли, поэтому степень регенерации невелика. Второй по ходу воды слой катионита (2-я ступень) регенерируется с весьма большим удельным расходом соли. Вследствие высокой степени регенерации этого слоя катионита остаточная жесткость Na-катионированной воды после второго фильтра находится на пределе чувствительности трилонометрического метода анализа, а именно < 2 мкмоль-экв/л.

3.2. Обессоливание природных вод

Основное количество производимых в мире ионообменных материалов используется для обессоливания воды, которая необходима в атомной и теплоэнергетике, электронной, химической, фармацевтической промышленности и др. Раньше деминерализацию воды осуществляли дистилляцией. В настоящее время значительную часть солей удаляют из воды ионообменным (рис. 5.) или мембранным методами. Для обессоливания воды методом ионообмена используют катиониты и аниониты.

Рис. 5. Принципиальная технологическая схема

обессоливания воды:

1 – механический фильтр; 2 - фильтр с пористым анионитом;

3 - фильтр Н-катионитовый с катионитом КУ-2-Н; 4 – декарбонизатор; 5 - фильтр с анионитом АН-31-ОН; 6 - фильтр смешанного действия (ФСД);

7 - бак-сборник рабочего раствора коагулянта;

8 - бак-сборник концентрированного раствора коагулянта;

9 – фильтр для осветления расвора коагулянта;

10 – бак для растворения коагулянта

При обессоливании природных вод ионообменным способом первым этапом является Н-катионирование (позиция 3), в результате которого природная вода превращается в слабый раствор сильных и слабых минеральных кислот, например, по реакциям

CaCI₂ Ca HCI

Fe(HCO₃)₂ Fe H₂O + CO₂

R - H + MgSO₄  R - Mg + H₂SO₄

Ca(HCO₃)₂ Ca H₂O + CO₂

Na₂SiO₃ Na H₂SiO₃

В отличие от процесса умягчения, при котором солесодержание воды не изменяется, при Н-катионировании происходит разложение угольной кислоты на воду и углекислый газ, вследствие чего количество моль вещества в воде снижается.

Для удаления угольной кислоты через воду после Н-катионитового фильтра пропускают сжатый воздух (позиция 4), который удаляет СО₂ из воды. Декарбонизованную Н-катионированную воду направляют на ОН-анионирование, для чего ее пропускают через анионитовый фильтр в ОН-форме (позиция 5), загруженный анионитом слабоосновным, то есть содержащим функциональные группы с невысокой степенью ионизации. Происходит сорбция анионов сильных минеральных кислот по реакциям

HСI CI

R - ОH + H₂SO₄  R SO₄ + H₂O

HNO₃ NO₃

Слабая кремниевая кислота слабоосновными анионитами практически не сорбируется. Поэтому для ее удаления используют аниониты с высокой степенью ионизации функциональных групп. Этот процесс называется обескремниванием воды:

R - ОH + Н₂SiO₃  R -НSiO₃ + H₂O.

Вода после фильтра со слабоосновным анионитом (позиция 5) обессолена по первой ступени. В ней еще имеются в небольшом количестве анионы слабых (H₂CO₃, H₂SiO₃) и сильных кислот, ионов натрия, калия. Поэтому для удаления этих примесей применяют еще одну ступень обессоливания (вторую) - фильтр смешанного действия (позиция 6). Этот фильтр загружают смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита в соотношении по объему 1:1,4 (чтобы были равны их обменные емкости).

Качество полученной обессоленной воды определяют, измеряя удельное электрическое сопротивление () фильтрата. Глубоко обессоленная вода имеет величину  10-18 МОмсм.

Если природные воды не свободны от взвешенных и окрашенных веществ, то перед подачей воды на фильтры из нее удаляют эти примеси методом коагуляции. Наиболее часто применяемый коагулянт – сульфат алюминия. Так как технический продукт содержит нерастворимую часть, его растворяют в воде (10), затем отфильтровывают осадок (9) и перекачивают раствор в бак-сборник концентрированного раствора коагулянта (8), из которого готовят рабочий раствор меньшей концентрации (~ 4 %). Дозу коагулянта определяют экспериментально каждый день. Нужное количество рабочего раствора подают насосом из бака-сборника (7) в механический фильтр (9), куда поступает обрабатываемая вода.

В механическом фильтре происходит гидролиз коагулянта, созревание осадка гидроксида алюминия и осаждение на его хлопьях взвешенных веществ и окрашенных (гумусовых) кислот. В фильтрующем слое, состоящем из кварцевого песка, осуществляют удаление скоагулированных примесей природной воды.

Часто коагуляционной обработки бывает недостаточно для глубокой очистки воды от органических веществ, в том числе от примесей природного происхождения – гуминовых и фульвокислот. Для их удаления используют пористые и макропористые иониты (позиция 2). Сочетание этих процессов называют предподготовкой воды коагуляционно-сорбционным способом. После такой двухэтапной очистки осветленную воду, как указано выше, последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры и фильтр смешанного действия (ФСД).