Роль ионообменных смол в водоподготовке

Автор: Черепаня Василий, [email protected]

Чистая вода - основа основ качества продукции многих заводов, а значит, и экономической эффективности предприятия в итоге. Очищенной воды, пригодной для производств и питьевого водоснабжения, на нашей планете становится все меньше и одним из самых эффективных и актуальных средств для производства очищенной воды являются ионообменные смолы.

 Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х - в 90-х годов. Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений. Проще говоря, смола способна задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообменные" или же "иониты" (рис 1.)

Рис.1 Процесс работы ионообменной смолы

Как правило, ионообменные смолы получают методами полимеризации или полимераналогичных превращений. Для получения ионообменных смол методом полимеризации используют мономеры, содержащие ионогенные группы. В случае полимераналогичных превращений ионогенные группы вводятся в инертный полимер. Возможен синтез ионообменных смол способом поликонденсации, однако эти ионообменные смолы имеют менее однородную структуру, меньшую осмотическую стабильность и химическую стойкость. Чаще всего используются сетчатые полимеры. Их получают суспензионной полимеризацией стирола, производных акриловой кислоты, винилпиридинов с диенами (рис2).

Рис.2 Процесс очистки води ионообменной смолой

В водоподготовке используются следующие классы ионообменных смол:

• Катионнообменные смолы (катиониты) — содержат кислотные группы, подразделяются на:

- сильнокислотные, обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;

- слабокислотные, способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

• Анионообменные смолы (аниониты) — содержат основные группы, подразделяются на:

- сильноосновные, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;

- слабоосновные, способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6;

- промежуточной и смешанной активности.

• Амфотерные ионообменные смолы — содержат одновременно и кислотные, и основные группы
• Селективные ионообменные смолы — содержат комплексообразующие группы
• Окислительно-восстановительные смолы — содержат функциональные группы, способные к изменению зарядов ионов

Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно - хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия (рис 3). 

Рис.3 Ионообменные смолы

Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является "химически связанной". Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. "Внешняя" же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрифугирования или фильтрования.

Еще одно разделение ионообменных смол по заряду ионов. Если в смоле происходит обмен положительно заряженных ионов (катионов), она называется катионитом; если же отрицательно заряженных (анионов), то ее название будет анионит. Практическое их отличие в способности обмена в воде с различным уровнем кислотности (уровня pH). Некоторые аниониты, например, могут «работать» при pH равным 1 – 6, а катиониты – при pH более 7. Правда, все эти тонкости больше нужно знать специалистам, подбирающим вам фильтры для очистки воды из скважины или другого источника.

Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами - уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении веса к объему (кг/м³).

Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая.

Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.

Рабочая ионообменная емкость – величина, не измеряемая в лабораториях, так как зависит она от очень многих «рабочих» параметров: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока и многих других. Когда рабочая ионообменная емкость смолы исчерпает себя, это будет значить, что ионы в ней полностью обменялись с ионами примесей, и необходимо восстановить ее фильтрующую способность (рабочую емкость).

Изготовители ионообменных смол с помощью дополнительных исследований определяют данные, на основании которых можно рекомендовать оптимальные технологии сорбции-десорбции.

Стоит сказать, что при длительной эксплуатации ионообменной смолы, она начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс «регенерации».

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации.

Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия. Соль должна постоянно находится в солевом баке, из которого во время регенерации порционно поступает в балон.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать одну засыпку. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы ионообменной смолы составляет 3 года, при определенных условиях эксплуатации - до 6 лет. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

В Европейском Сообществе ионообменные смолы утилизируются следующим образом: ионообменные смолы, которые использовались в водоподготовке и сахарной промышленности, утилизируются под кодом 190 905. Рекомендуется обезвреживать данный продукт преимущественно путем СБМ (сжигание бытового мусора). 
Иониты со специфическими (в зависимости от сферы применения) примесями, остающиеся после водоочистки, например, в гальванотехнике, а также фотопромышленности и химической индустрии, попадают под действие предписаний для отходов группы № 190 806. Утилизация в зависимости от действующих местных нормативов проводится путем сжигания в специальной установке или на специальных наземных свалках.

Одним из наиболее известных мировых производителей является Purolite.

Purolite (США) - ведущий производитель качественных ионитов, катализаторов, адсорбентов и специальных высокоэффективных смол, является единственной компанией, которая направляет 100% своих ресурсов на производстве ионообменных смол и разработке соответствующих технологий (рис 4).

Наиболее широкими группами смол Purolite считаются смолы, разделенные по составу. Так, например, различают аниониты и катиониты смол Purolite. Как и следует из названий, 

катионообменные смолы Purolite в своей основе  имеют катионный обмен, в то время как принцип действия анионитов строится на анионном обмене.

Также следует разделять смолы Purolite согласно типу функциональных групп и степени диссоциации, что разделяет области их применения.

• Сильнокислотные катионообменные смолы Purolite своей целью имеют умягчение воды и ее обессоливание.
• Слабокислотные катионообменные смолы Purolite используются для устранения временной жесткости, а также повышенной щелочности воды.
• Сильноосновные анионообменные смолы Purolite применяются в основном для обессоливания воды с очень высоким содержанием солей и кремния, что обуславливается высокой скоростью обмена сильноосновных анионитов Purolite. Этот способ по скорости превосходит метод очистки воды обратным осмосом.
• Слабоосновные анионообменные смолы Purolite используются чаще всего для обессоливания органических соединений, в числе которых сахароза, молочная сыворотка, глюкоза и другое.
• Также существует подвид смол Purolite, которые используют сразу несколько типов смол, сочетание которых обуславливается содержанием тех или иных нежелательных элементов, так же возможно применение для очистки воды от железа.

Ионообменные смолы Purolite различаются также по структуре гранул, напрямую зависящей от состава той или иной смолы. Разделяют несколько видов структур матриц смол Purolite: полистирольные, гелевые и макропористые. Также возможны смешанные структуры такие как полистирольная-гелевая и полистирольная-макропористая. Возможно применение для очистки воды от извести.

Активным компонентном, за счет которого происходит ионный обмен, смол Purolite чаще всего является натрий, однако в некоторых сильноосновных анионитах используется хлор.

Смолы Purolite гелевого типа, как и любые другие ионообменные смолы при контакте с водой набухают, в это время их объем увеличивается в полтора-два раза. Ионный обмен в такого рода смолах Purolite происходит довольно быстро, однако в скорости однозначно уступает макропористой структуре смолы, которая в отличии от гелевых смол Purolite еще и не так сильно набухает.

Ионообменные смолы Purolite представляют собой мелкие полупрозрачные гранулы сферической формы. Цвет гранул смолы Purolite зависит от состава смолы: так, например, сильнокислотные катионообменные смолы Purolite обладают ярко-желтым или коричневым цветом, в то время как слабоосновные аниониты Purolite представляют собой белые непрозрачные гранулы.

Промывка смол Purolite ничем не отличается от промывки остальных ионообменных смол, которые промываются специальными регенерационными растворами, восстанавливающими слой активных ионов. Частота промывки смол Purolite напрямую зависит от степени загрязненности и количеству обрабатываемой воды.

Рис.4 Ионообменная смола Purolite C100E.

Существуют и другие смолы западного производства, к примеру Lewatit (Германия) и  Amberlite (США) (рис 5 и 6)

Рис.5 Ионообмееные смолы Amberlite

По предназначению эти смолы не отличаются друг от друга, каждый производитель создаёт свою марку смолы под отдельные цели.

Эти смолы отвечают всем требованиям и нормативам по пищевым продуктам и материалам, применяемым в пищевой промышленности Германии (FDA 21 CFR 173.25(a), соответствует требованиям резолюции Европейского Совета АР (97)-1 по максимальному составу экстрагируемых органических субстанций.

Так же существуют аналогичные ионообменные смолы от отечественных производителей. Последние, в отличие от вышеперечисленных, сделаны согласно соответствующим ГОСТам, что является важным для многих предприятий и потребителей. Помимо этого, отечественные ионообменные смолы на порядок ниже в цене, что делает их более доступными для потребителей.

В таблице 1 приведена выдержка из ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия (с Изменениями № 1-5) 

Производством отечественных ионообменных смол занимается множество предприятий. Называются они, как правило, в соответствии с маркой из вышеупомянутого ГОСТа. Так же приведём таблицу их соответствия (таблица 2)

Рис.6 Ионообмееные смолы Amberlite

Таблица 1. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия (с Изменениями № 1-5) ГОСТ 20298-74

Таблица 2 Сравнительная таблица ионообменных смол.

Стоит отметить, что благодаря большим достижениям в синтезе ионообменных смол, их стали применять далеко за пределами первоначальной области их использования — в водоочистке. Иониты применяются всюду, где требуется удаление, выделение и концентрирование ионов в растворах, к примеру:

• для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;
• для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;
• при очистке возвратных и сточных вод;
• для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;
• для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;
• в качестве катализатора для органического синтеза.