Основы процесса ионного обмена

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

п ри контакте с катионитом: RSO₃H + NaCl RSO₃Na + HCl

п ри контакте с анионитом: ROH + NaCl RCl + NaOH

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:

m A + RmB mRA + B

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов:

• гидродинамического режима жидкости;

• концентрации обменивающихся ионов;

• структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов.

Схемы ионообменных установок

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия. Схема установки периодического действия показана на рис.

Сточная вода поступает внутрь аппарата, проходит слой ионита и выходит через распределитель 6. Затем подается промывочная вода и после этого регенерирующий раствор. Таким образом, цикл работы аппарата состоит из следующих стадий:

• ионообмен

• отмывка ионита от механических примесей

• регенерация ионита

• отмывка ионита от регенерирующего раствора

Работа установки может быть интенсифицирована путем использования аппаратов с кипящим слоем ионита. Скорость процесса в этом случае увеличивается в 2-3 р. Взвешенный слой имеет меньшее гидравлическое сопротивление.

Недостатки установок периодического действия: большие объемы аппаратов; значительный расход реагентов; большая единовременная загрузка сорбента; сложность автоматизации процесса.

Непрерывный ионообмен дает возможность уменьшить затраты смолы, реагентов для регенерации, промывочной воды, а также применять более компактное оборудование по сравнению с периодическим ионообменом. Колонны непрерывного действия могут работать как с движущимся слоем смолы, так и с кипящим слоем. Схема колонны с движущимся слоем смолы показана на рис.

Сточная вода подается снизу, а смола сверху. Колонна имеет сравнительно небольшую удельную производительность 1-5 м³/(м²ч). Малоэффективна из-за сильного перемешивания фаз и неравномерного распределения смолы по сечению колонны.

Для увеличения эффективности используется колонна с псевдоожиженным слоем или пульсацией. Колонная с тарелками «провального типа» имеет удельную производительность 30-45 м³/(м²ч). Тарелки с лопатками расположены под углом 30⁰. Лопатки двух соседних тарелок направлены в разные стороны. Это обеспечивает спиральное противоточное движение сорбента и реагента.

Для регенерации смолы используют колонны с движущимся слоем, или пневмопульсационные (рис.). Смола подается через коническую трубу. При подаче воздуха смола в рабочем объеме аппарата движется навстречу раствору и удаляется сверху, столб смолы в трубе действует, как обратный клапан. Можно проводить процесс регенерации при малой разности плотностей раствора и сорбента.

Метод ионного обмена может использоваться для очистки сточных вод многих химических производств:

• электрохимических – от ионов тяжелых металлов цианидов и др.;

• синтетических волокон – от ионов цинка и др.;

• азотных удобрений – от аммиака, меди и др.;

• коксохимических – от тиосульфатов, роданитов и др.;

• искусственных и естественных изотопов – от радиоактивных веществ и т.д.