Йонообменно пречистване на води

Йонообменът включва отстраняването на нежелани или опасни йонни компоненти от водите и заместването им с безвредни йони от използваната йонообменна смола. След това временно задържаните заместващи йони се отделят в регенерираща или промиваща течност.

Оборудването за провеждане на йонообменен процес се състои от вертикален цилиндричен съд под налягане с устойчива на корозия облицовка, в която се съдържа смолата. Обикновено съдът се изпълнява като колона с пълнеж, като са възможни няколко различни конфигурации. Съоръженията включват и системата от вентили и тръбопроводи, посредством която третираните води или регенериращият разтвор се насочват по съответните си направления. Системата за регенериране на смолата се състои от оборудване за разграждане на соли и разреждане.

В горната или долната част на съда е разположена система за равномерно разпределяне на входящия воден поток, която предотвратява образуването на кухини в слоя йонообменна смола. Тази система изпълнява и ролята на колектор за промивната вода.

Най-широко използваните йонообменни смоли са макропорести гранули с катионни или анионни функционални групи. Те могат да бъдат:

• силно киселинни катионни смоли, неутрализиращи силни основи и превръщащи неутралните соли в съответстващите им киселини;
• слабо киселинни катионни смоли, които могат да неутрализират силни основи и се използват за деалкализация;
• силно основни анионни смоли, неутрализиращи силни киселини и трансформиращи неутралните соли в съответстващите им основи;
• слабо основни анионни смоли, неутрализиращи силни киселини и прилагани за частична деминерализация.

Цикълът на йонообмен включва самия процес, промивка и отстраняване на натрупалите се частици и повторна класификация на слоя от йонообменна смола. В етапа на регенерация с помощта на малък обем силно концентриран разтвор смолата се презарежда със съответния йон, а нежеланите йонни компоненти се отделят в регенериращия разтвор. Слоят йонообменна смола се промива първо бавно с вода, след което се прави и втора промивка с по-голям дебит на водния поток за отстраняване на всички следи от регенериращия разтвор.

Чрез йонообмен могат да бъдат третирани води с начални йонни концентрации от 10 до 1000 mg/l, като могат да бъдат постигнати крайни концентрации в диапазона между 0,1 и 10 mg/l.

Работен принцип
Слоят от йонообменна смола обикновено е с дебелина между 80 и 150 cm. В някои случаи под него е разположен опорен слой от чакъл или антрацитен филтър. При нормален експлоатационен режим водата постъпва в горната част на съда през тръбата, която я разпределя по повърхността на слоя йонообменна смола. Пречистената вода се събира в тръбопровод на дъното на съда.

През последните няколко години все по-широко приложение намират и няколко нови конструкции йонообменни съдове, което се дължи на по-високата им ефективност и по-ниския риск от течове. При съдовете с кръстосан поток регенериращият разтвор се движи в обратна посока на третирания воден поток. Това означава, че смолата в долния край на слоя е регенерирана в най-висока степен, което намалява риска от възникване на теч. Този вид съдове обаче са по-податливи на експлоатационни проблеми, което налага необходимостта от имобилизиране на слоя смола по време на регенерация и предварително филтриране на водния поток за понижаване на концентрацията на суспендирани частици.

Свързани с процеса въздействия
Регенерирането на йонообменната смола води до формирането на малък обем концентриран киселинен или алкален разтвор, в който се съдържат отстранените йони. Тази обогатена течност трябва да бъде третирана отделно, за да бъдат премахнати йоните, например тежките метали могат да бъдат отделени чрез утаяване.

Промивната вода от етапа на регенерация съдържа същите йони като солевия разтвор, но в относително ниски концентрации. Възможността за директно изпускане на този поток или необходимостта от третирането му се определят от самите концентрации. В някои инсталации промивната вода от етапа на регенерация се използва повторно в скрубери за отпадъчни газове.

Процесът на йонообмен е свързан с използването на смоли, регенериращи разтвори, вода за промивки и енергия за включените в системата помпи. Понякога може да е необходимо и добавянето на допълнителни химикали, например за потискане развитието на микроорганизми.

Нужно е да се провежда внимателен мониторинг на входящите и изходящите потоци от йонообменния съд. Сред параметрите, които трябва да бъдат контролирани, са падът на налягането, електрическата проводимост, pH и концентрацията на целевите йони в постъпващия в системата воден поток.

Приложимост
Йонообменът е подходящ метод за отстраняване на: нежелани йони като тежки метални катиони или аниони, например Cr³⁺ или кадмий и съединенията му с ниски начални концентрации, Cr₄O^2- с висока начална концентрация; подлежащи на йонизация неорганични съединения; разтворими, йонни или подлежащи на йонизация съединения като например карбоксилни и сулфонни киселини, някои феноли, амини и кисели соли, четвъртични амини, алкил сулфати и др.

Йонообменът е изключително подходящ като краен етап от третирането на води, като най-голямото му предимство се крие в потенциала за регенериране на смолата. Освен че се използва за обработка на отпадъчни води, методът се прилага и за пречистване на промивни води и химикали. Концентрацията на суспендирани частици във входящия воден поток трябва да е под 50 mg/l, за да не се стигне до запушване на системата. За тази цел преди процеса на йонообмен е добре да се приложи гравитачна или мембранна филтрация.

Като предимства на йонообменното пречистване на води могат да бъдат посочени възможността за отстраняване на редица йони, ниската чувствителност към промени в дебита, потенциалът за постигане на висока ефективност и възстановяване на ценни йони, както и наличието на голямо разнообразие от смоли. Недостатъците на метода включват необходимостта от предварителна филтрация на водите, развитието на микроорганизми върху повърхността на смолата, интерференцията в резултат от наличието на пречещи йони и нуждата от третиране на получаващите се утайки и регенериращи разтвори.

Йонообменни смоли
Синтетичните йонообменни смоли се състоят от малки порести зърна, които са неразтворими във вода и органични разтворители. Най-често използваните материали за основната структура на смолите са полистирен и полиакрилат. Диаметърът на зърната варира между 0,3 и 1,3 mm, като те се състоят от 50% вода, разпределена в гелообразната структура на йонообменната смола.

Силно киселинните катионни смоли са сред най-често използваните. Те представляват полимерна матрица, към която са свързани функционални групи, например сулфонатна. Този вид смоли се регенерират или с разтвор на натриева сол при приложения за омекотяване, или с разтвор на киселина при приложения за деминерализация на води.

Силно киселинните катионни йонообменни смоли се използват широко в системи за омекотяване и са изключително ефективни за отстраняване на свързаните с твърдостта на водата магнезиеви и калциеви йони. Подходящи са и за приложения, в които два вида смоли се използват паралелно – първата за омекотяване и получаване на алкален разтвор, а втората за деминерализация, като резултатът е редуциране на алкалността на смесения воден поток. Разработени са и някои разновидности на силно киселинните катионни смоли, които са предназначени за отстраняване например на бариеви и радиеви йони от питейни води. Тези смоли могат да бъдат увредени от окислители и да бъдат замърсени от железни и манганови съединения.

Слабо киселинните катионни смоли премахват катионите, свързани с алкалността на водата (временната твърдост). Функционалните групи в тези смоли обикновено са на карбоксилни киселини, а регенерацията им се извършва със сярна или солна киселина. Този вид смоли се използват за деминерализация и деалкализация. Високият им афинитет към бивалентни катиони ги прави подходящи за отстраняване на йони, свързани с твърдостта и алкалността на водата. При висока временна твърдост на водния поток слабо киселинните катионни смоли могат да бъдат включени в двустъпален йонообменен процес. Този вид смоли се отличава и с относително висока устойчивост на окисление и механична издръжливост, което определя приложимостта им за потоци, съдържащи окислители като водороден пероксид и хлор например.

Силно основните анионни смоли се предлагат в множество разновидности, включително Тип 1, Тип 2 и акрилни или макропорести. Всеки от отделните видове е свързан с уникален набор от ползи и ограничения, който трябва да бъде съобразен с конкретното приложение. Тези смоли обикновено се използват за деминерализация и деалкализация, както и за отстраняване на общ органичен азот (TOC) и други органични компоненти в зависимост от вида на смолата. Йонообменните смоли Тип 1 се прилагат за селективно премахване на нитрати, сулфати и перхлорати, за обща деминерализация и отстраняване на силициеви йони. Смолите от Тип 2 се използват за приложения, в които се изисква пълно отстраняване на анионите, и когато ниските концентрации на силиций не са от критично значение за процесите.

Слабо основните анионни смоли са единственият вид без обменни йони – те адсорбират киселинните йони. Имат аминни функционални групи и обикновено се регенерират с натриев хидроксид, амоняк или натриев карбонат. Този вид смоли намира приложение за частична деминерализация. В по-големи инсталации, предназначени за пълна деминерализация, освен слоят слабо основна анионна смола, може да се добави и слой силно основна анионна смола. Слабо основните смоли се използват и за отстраняване на хлориди, сулфати, нитрати и други аниони, свързани със силни киселини. Не са ефективни за премахване на слабо киселинни съединения като силициев диоксид и въглероден диоксид.

На пазара се предлагат и редица специални йонообменни смоли, предназначени за различни специфични приложения. Хелатообразуващите смоли са най-широко използваният вид специална смола и се прилагат за селективно отстраняване на определени метали. Функционалните групи на специалните смоли варират в широки граници в зависимост от приложението, като могат да бъдат тиолни, на аминофосфорната киселина и др.

Хелатообразуващите смоли се използват широко за отстраняване на метали като кобалт и живак. Друг вид специални смоли са магнитните йонообменни смоли, които намират приложение за отделянето на естествена органична материя от водните потоци.