4.1.1. Процесс обессоливания воды ионным обменом

Сущность ионнообменного обессоливания заключается в последова­тельном прохождении воды через катионо- и анионообменные фильтры.

При прохождении воды через катионитовую загрузку в водород-форме происходят реакции с задержанием в фильтрующем слое катио­нов солей и образованием минеральных кислот и углекислого газа в фильтрате.

Н-катионированная вода далее поступает на анионообменные филь­тры в ОН-форме, где происходит сорбция анионов сильных ки­слот по следующим уравнениям:

[Ан]ОН + НCl = [Ан] Cl + H₂O

2[Ан]ОН + H₂SO₄ = [Ан]₂ SО₄ + 2Н₂О

После истощения емкости поглощения ионнообменные фильтры не­обходимо регенерировать. Н-катионитовые фильтры регенерируют 1-1,5%-ным раствором серной кислоты.

Анионитные фильтры регенерируют 4%-ным раствором кальцини­рованной соды или едкого натра, при этом происходят следую­щие реакции:

[Ah]₂SO₄ + Na₂CO₃ = [Ан]₂СО₃ + Na₂ SO₄

[Ah]₂SO₄ + Na₂OH = [Ан]₂ОH+ Na₂ SO₄

После соответствующей отмывки загрузки от продуктов регенера­ции фильтры вновь включают в работу.

Катиониты, применяемые в технологии обессоливания воды, те же, что при ее умягчении.

Аниониты подразделяют на слабоосновные и сильноосновные.

Слабоосновные аниониты способны обменивать свои активные группы на анионы сильных кислот (Cl, SO₄) и не способны к обмену ОН-ионов анионита на анионы солей, а также на анионы слабых кислот (кремние­вой SiO₃^2-, SiO₄^4- угольной (СО₂, Н₂СО₃, НСО₃^—, СО₃^2—) и т.д.). Этими свойствами обладают сильноосновные аниониты, способные поглощать из воды кремниевую, угольную и дру­гие слабые кислоты при отсутствии в воде сильных кислот и их солей.

Функциональными группами анионитов являются различные амины (-NH2, =NH, ºN), расположенные в порядке возрастания силы их основности, а также группы четвертичного аммониевого основания (-NR₃OH). При присоединении первых трех групп образуются слабоосновные аниониты, а группа -NR₃OH придает аниониту сильноосновной характер. Аминогруппы способны присоединять ион водорода с образованием комплексов -NH₃, =NH₂ (потенциалообразующих ионов) с последующим образованием диффузного слоя противоионов.

Из-за низкой основности функциональных аминогрупп слабоосновные аниониты работоспособны лишь в кислых средах и могут осуществлять ионный обмен только с анионами сильных кислот (Cl-, SO₄^2-, NO^3-).

Сильноосновные (сильно диссоциирующие) аниониты с группой -NR₃OH вступают в обменные реакции с анионами как сильных, так и слабых кислот (например, HCO^3-, HSiO₃) в широкой области значений pH. Среди сильноосновных анионитов различают - аниониты типа 1 с функциональной группой -N(CH₃)₃OH и типа 2 с группой -N(CH₃)₂ · (CH₂ · CH₂OH)OH. Их отличие состоит в том, что анионит типа 2 хуже поглощает анион HSiO^3-, но имеет более высокую обменную емкость и лучшую регенерируемость по сравнению с анионитом типа 1.

Механизм выделения анионов из обрабатываемой воды аналогичен задержанию катионов жесткости.

ОН-анионирование. При ОН-анионировании воды обменным анионом является ион ОН^, который в процессе фильтрования воды через слой анионита поглощает из нее анионы. В технологии химического обессоливания данный процесс сочетают с водород-катионированием, поэтому на анионитный фильтр поступает вода, содержащая сильные и слабые минеральные кислоты (рис. 3.5).

Для удаления из обрабатываемой воды анионов сильных кислот (Сl^—, SO₄^2—, NO₃^—, NO₂^—) фильтр загружают низкоосновным анионитом.

НСl + ROH  RCl + H₂O

H₂SO₄ + 2ROH  R₂SO₄ + H₂O

HNO₃ + ROH  RNO₃ + H₂O.

Фильтр, загруженный высокоосновным анионитом, способен удалять из воды анионы как сильных, так и слабых кислот (НСО₃^—; СО₃^2—; НSiО₃^—; SiО₃^2— и т.д.), но ввиду дороговизны его используют преимущественно на второй ступени обессоливания для удаления анионов слабых кислот и предотвращения проскоков анионов сильных кислот. Реакции, характерные для высокоосновного анионита:

Н₂SiО₃ + 2ROH  R₂SiO₃ + 2H₂O

H₂CO₃ + 2ROH  R₂CO₃ + 2H₂O

Процессы ионного обмена на ионитных фильтрах заканчиваются по мере истощения обменных ионов в слое ионита и фильтры отключают на регенерацию.

Основные технические данные по анионитам, применяемым в технологии обессоливания

Марка	Размер	Насыпная масса, т/м3			Обменная емкость, г-экв/м3 по ионам			Влажность товарного	Коэффициент
анионитов	зерен мм	товарно­го воз­душного сухого		набухше­го в воде продукта	SO42-	Cl	SiO32-	воздушного сухого про­дукта, %	набуха­ния КНБ
Низкоосновные:
АН-31 АН-221	0,4-2,0 0,315-1,25	0,7-0,8 0,83	0,8 0,34		850 850	- 850	- -	30-50 40-60	2,1 3,0
Высокоосновные:
ЭДЭ-10П АВ-17-8"	0,4-1,6 0,315- 1,25	0,6 0,6-0,7	0,95 0,74		1200 430	800 430	30 250	10 35-50	2,2 2,2

Обменная емкость ионитов является их важнейшей технологической характеристикой. Способность к ионному обмену определена, как известно, наличием в ионитах функциональных групп, которые у катионитов носят кислотный характер -SO₃H (сульфогруппа), -COOH (карбоксильная группа), у анионитов - основной.

Монофункциональные катионы, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными (сильно диссоциирующими), а содержащие карбоксильные группы - слабокислотными (слабо диссоциирующими). Сильнокислотные катиониты (например, КУ-2-8) осуществляют обмен ионов практически при любых значениях pH среды, так как их функциональные группы диссоциируют, как и сильные кислоты, при любых значениях pH. Слабокислотные функциональные группы в кислой среде практически остаются в недиссоциированном состоянии, что резко уменьшает способность карбоксильных катионитов (типа КБ) к ионному обмену в таких условиях, поэтому их рекомендуется применять при обработке растворов с pH ³ 7. Отечественный катионит "сульфоуголь" содержит оба типа функциональных групп, поэтому его относят к среднекислотным катионитам.