Ионный обмен является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов.
Адсорбция используется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких.
Для сорбции из растворов необходимы развитая переходная пористость и сравнительно крупные микропоры, что характерно для высокоактивных углей с высокой степенью обгара.
Аппараты для сорбционной очистки сточных вод классифицируются по разным признакам:
1) по организации процесса – периодического и непрерывного действия;
2) по гидродинамическому режиму – аппараты вытеснения, смешения и промежуточного типа;
3) по состоянию слоя сорбента – с неподвижным, движущимся, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим слоем;
4) по организации контакта взаимодействующих фаз – с непрерывным и ступенчатым контактом;
5) по организации направления движения фаз – с прямоточным, противоточным и смешанным движением;
6) по конструкции – колонные и емкостные;
7) по способу подвода энергии – без подвода энергии извне (гравитационное движение фаз) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой и жидкой фаз).
Наиболее часто в практике очистки сточных вод используются адсорберы с неподвижным и плотно движущимся слоем поглотителя (сорбция в динамических условиях), аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента, а также аппараты, в которых обеспечивается интенсивное перемешивание обрабатываемой воды с порошкообразным или пылевидным сорбентом (сорбция в статических условиях).
На рис.1 представлена схема ионитового фильтра (или адсорбера) с неподвижным слоем поглотителя. В процессах водоподготовки и для очистки стоков используются Na+-катионитовые, Н+-катионитовые и анионитовые фильтры типов ХВ и ФИП, фильтры со смешанной загрузкой ФСДНр, фильтры сорбционные угольные ФСУ и другие. Основные узлы этих емкостных аппаратов – распределительные и дренажные устройства для воды и регенерирующего раствора. Дренажи и распределители выполняют из нержавеющих труб со щелями на боковой поверхности или в виде системы пористых (или щелевых) на приваренных к трубам ниппелях. Иногда пластмассовые, керамические или металлические дренажные колпачки из наборных кольцевых пластин (или со щелями) устанавливают на ложном днище из пресс-материала. Для защиты от коррозии внутреннюю поверхность корпуса адсорберов и ионнообменных аппаратов часто гуммируют либо покрывают кислотостойкими смолами и лаками. В системах централизованной очистки большого количества вод используют адсорберы, выполненные из различных строительных материалов, например бетонные, железобетонные.
Рис.1 Ионитовый вертикальный параллельно-проточный фильтр:
1 – верхнее распределительное устройство для обрабатываемой воды и регенерирующего раствора (иногда устраиваются раздельными); 2 – люки; 3 — нижнее дренажное устройство; 4 – отвод обработанной воды; 5 – спуск первого фильтрата; 6 – подвод промывной взрыхляющей сорбент воды; 7 – спуск промывной воды; 8 – подвод воды на обработку; 9 – подвод регенерирующего ионит (сорбент) раствора; 10 – слой сорбента.
Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать собственные ионы на другие ионы в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов, те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионитами. Иониты – бывают:
а) неорганические:
- природные (глинистые материалы, цеолиты, полевые шпаты, слюды);
- синтетические (силикагели, пермутиты).
б) органические (ионообменные смолы — органические искусственные иониты).
Наибольшее значение для очистки сточных вод приобрели ионообменные смолы. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы — противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными, или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу.
При написании матрицу ионита обозначают в общем виде R, а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RSО3H, где R – матрица, Н – противоион, SО3 – анкерный ион.
Катиониты в качестве противоионов могут содержать не только ионы водорода, но и ионы металлов, т. е. находиться в солевой форме. Точно так же и аниониты могут находиться в солевой форме, если в качестве противоионов они содержат не гидроксид-ионы ОН-, а ионы тех или иных кислот А-.
Реакция ионного обмена протекает следующим образом:
– при контакте примеси воды (в данном случае NaCl) с катионитом RSО3H + NaCl ═ RSО3Na + HCl,
– при контакте с анионитом ROH + NaCl ═ RCl + NaOH.
Схемы наиболее распространенных промышленных систем ионного обмена приведены на рис. 2.
Рис. 2. Наиболее распространенные виды систем ионного обмена:
а – катионный обмен; б – анионный обмен; в – комбинированный обмен; 1– натриевый цикл (умягчение воды, рекуперация ценных катионов); 2 – водородный цикл (обессоливание); 3 – собственно анионный обмен; 4 – адсорбция анионов (обессоливание); 5 – многоступенчатая деионизация; 6 – деионизация на смешанном ионите.
После насыщения катиониты регенерируют растворами кислот, аниониты – растворами щелочей. При этом первые переходят в Н-форму, а вторые – в ОН-форму. После регенерации иониты отмывают чистой водой.
Сточная вода может быть очищена до предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и использована затем в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.