Применение ионообменных смол в системах очистки воды

1. Определение иона Ионообменная смола

Ионообменные смолы – это нерастворимые полимерные соединения с функциональными группами и сетчатой ​​структурой, обычно имеющие форму сферических частиц. Полное название ионообменной смолы состоит из её классификационного наименования, названия матрицы (скелета) и основного названия. В настоящее время ионообменные смолы широко применяются во многих областях, включая водоподготовку, химическую промышленность, металлургию, пищевую промышленность, кожевенное производство и производство сверхчистых фармацевтических препаратов.

2. Классификация ионообменных смол по качеству воды

Ионообменные смолы можно классифицировать по типу матрицы на стирольные и акриловые. Тип химически активных функциональных групп смолы определяет её основные свойства и категорию. В первую очередь, их подразделяют на две основные группы: катионообменные смолы и аниониты, способные обменивать катионы и анионы в растворе соответственно. Катионообменные смолы подразделяются на сильнокислотные (СКК) и слабокислотные (СКК). Аналогично, аниониты подразделяются на сильноосновные (СОК) и слабоосновные (СОК).

3. Применение ионообменных смол в водоподготовке

Водоподготовка является одной из первых областей применения ионообменных смол и обеспечивает значительный спрос, составляя около 90% от общего объема производства ионообменных смол. В водоочистке эти смолы используются для умягчения воды, опреснения и получения умягченной, чистой и сверхчистой воды. В очистке сточных вод они, главным образом, используются для снижения концентрации ионов тяжелых металлов посредством реакции обмена между обменными ионами смолы и ионами тяжелых металлов в сточных водах, что обеспечивает глубокую очистку.

3.1 Применение ионообменных смол для умягчения воды

а. Состав и функции умягчающих фильтров:

Полностью автоматические умягчители воды состоят из трёх основных компонентов: резервуара со смолой, автоматического многопортового регулирующего клапана и резервуара для соляного раствора. Резервуар для смолы заполнен ионообменной смолой, которая адсорбирует ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺) из воды. Многопортовый регулирующий клапан служит контроллером для умягчающего оборудования, управляя автоматическими циклами работы, регенерации, ополаскивания, обратной промывки и наполнения резервуара для соляного раствора. В резервуаре для соляного раствора хранится соль (NaCl), используемая в процессе регенерации смолы.

б) Принцип работы умягчающих смол:

Умягчающие смолы в первую очередь удаляют из воды ионы жёсткости посредством ионного обмена. Эти ионы жёсткости, в основном кальций (Ca²⁺) и магний (Mg²⁺), являются основными источниками жёсткости воды. Умягчающая смола содержит большое количество ионов натрия (Na⁺). При прохождении воды через слой смолы ионы натрия обмениваются с ионами кальция и магния, тем самым удаляя ионы жёсткости.

в. Применение умягчающих фильтров:

Области применения включают в себя питательную воду для котлов, подпиточную воду для систем кондиционирования воздуха, теплообменники, производство бумаги, печать и крашение, текстильную промышленность, воду для нефтехимических процессов, биофармацевтику, электронику, предварительную очистку для систем очистки воды и промышленные системы с нулевым сбросом жидкости (ZLD).

3.2 Применение ионообменных смол для получения чистой и сверхчистой воды

а. Определение катионно-анионообменных сосудов (КАС):

Катионообменные аппараты, также называемые ионообменниками или деминерализаторами, представляют собой водоочистное оборудование, использующее ионообменную способность смол для удаления ионов из воды. Их работа основана на ионообменной природе смол, при которой ионы на смоле обмениваются с соответствующими ионами в воде, что обеспечивает удаление ионов.

б) Принцип работы катионообменных сосудов:

Типичная двухступенчатая система деминерализации состоит из последовательно соединённых катионообменной ёмкости (кислотный катионит) и анионообменной ёмкости (основный анионит). Сначала исходная вода проходит через катионообменную ёмкость. Здесь катионообменная смола адсорбирует катионные примеси из воды, одновременно выделяя ионы водорода (H⁺), что делает воду кислой. Затем вода проходит через декарбонизатор (или дегазатор) для удаления выделяющегося в виде газа диоксида углерода (CO₂), что обеспечивает эффективный обмен в анионообменной ёмкости в кислой среде. Наконец, вода проходит через анионообменную ёмкость, где анионообменная смола удаляет анионные примеси.

в) Области применения катионообменных сосудов:

В таких отраслях, как химическая, энергетическая и металлургическая, они широко используются для умягчения питательной воды котлов, предотвращая образование накипи и коррозию. В сельском хозяйстве использование воды, очищенной с помощью этих систем, может способствовать снижению засоления почв. Они также играют важную роль на этапах предварительной очистки при опреснении морской воды, создавая благоприятные условия для последующих процессов глубокой очистки.

3.3 Применение очищенных смешанных слоев для производства чистой и сверхчистой воды

а. Определение полированных смешанных слоев:

Полирующая смола обычно используется на заключительном этапе (этапе доочистки) систем очистки сверхчистой воды для обеспечения соответствия качества сточных вод установленным стандартам, часто достигая удельного сопротивления 18 МОм·см и выше. Это разновидность ионообменной смолы, представляющая собой смесь сильнокислотного катионита в водородной (H⁺) форме и сильноосновного анионита в гидроксильной (OH⁻) форме.

б. Принцип действия полировальных смол:

Полированный смешанный слой содержит катионит и анионит, тщательно перемешанные в одном сосуде. В этом смешанном слое катионит и анионит тщательно перемешаны, что позволяет реакциям катионитного и анионитного обмена протекать практически одновременно. Ионы водорода (H⁺), образующиеся при катионите H-типа, и гидроксид-ионы (OH⁻), образующиеся при анионите OH-типа, не накапливаются и немедленно объединяются, образуя слабодиссоциированные молекулы воды. Это фактически исключает влияние противоионов, позволяя реакции ионитного обмена протекать очень полно, что приводит к получению высокочистого стока. Когда ионы в полирующей смоле истощаются, смола регенерируется с помощью растворов кислот и щелочей для эффективного восстановления ионов водорода и гидроксид-ионов, что возобновляет ее работоспособность.

в. Области применения:

Электронная промышленность: производство высокочистой воды, необходимой для полупроводников и других электронных компонентов.

Электростанции: Широко используется в системах очистки чистой воды для тепловых электростанций.

Синтетическая химия и нефтехимическая промышленность: ионообменные смолы могут действовать как катализаторы, заменяя неорганические кислоты и основания в таких реакциях, как этерификация, гидролиз и гидратация.

Фармацевтическая промышленность: Ионообменные смолы играют важную роль в разработке антибиотиков нового поколения и улучшении качества существующих антибиотиков.