Іонний обмін у розчинах стічних вод

Іонообмінне очищення застосовується для вилучення зі стічних вод важких металів (цинку, міді, хрому, нікелю, свинцю, ртуті, кадмію, ванадію, марганцю), а також сполук миш'яку, фосфору, ціаністих сполук і радіоактивних речовин.

Іонний обмін - це процес взаємодії розчину з твердою фазою, що володіє властивостями обмінювати іони, які містяться у ній, на інші іони, присутні у розчині. Речовини, що становлять цю тверду фазу, називаються іонітами. Вони практично не розчиняються у воді. Ті з них, які здатні поглинати з розчинів електролітів позитивні іони, називаються катіонітами, а поглинати негативні іони - аніонітами.

Катіоніти мають кислотні властивості, а аніоніти - основні властивості. Якщо іоніти обмінюють катіони та аніони, їх називають амфотерними.

Поглинальна здатність іонітів характеризуються обмінною ємністю, яка визначається числом еквівалент-іонів, що поглинаються одиницею маси або об'єму іоніту. Розрізняють повну, статичну і динамічну обмінні ємності.

Повна ємність - це кількість речовини, що поглинається при повному насиченні одиниці об'єму або маси іоніту.

Статична ємність - це обмінна ємність іоніту у стані рівноваги у даних робочих умовах. Статична обмінна ємність нижче повної.

Динамічна обмінна ємність - це ємність іоніту до моменту «проскоку» іонів у фільтрат, що визначається в умовах фільтрації. Динамічна ємність нижче статичної.

Іоніти поділяються на неорганічні (мінеральні) і органічні.

До неорганічних природних іонітів відносяться цеоліти, глинисті мінерали, польові шпати, різні слюди. Їх катіонобмінні властивості обумовлені вмістом алюмосилікатів - Na₂OAl₂O₃.nSiO₂mH₂O. До неорганічних синтетичних іонітів відносять силікагелі, пермутіти, важкорозчинні оксиди та гідроксиди деяких металів (алюмінію, хрому, цирконію).

Органічні природні іоніти - це гумінові кислоти Грунтів і вугілля. Вони виявляють слабокиснотні властивості. Для посилення кислотних властивостей і обмінної ємності вугілля подрібнюють і сульфують у надлишку олеуму. До органічних штучних іонітів відносяться іонообмінні смоли з розвиненою поверхнею. Вони мають найбільше практичне значення для очищення стічних вод.

Термічна стійкість аніонітів нижче, ніж катіонітів. Значення рН стічної води, при якому відбувається обмін іонами, залежить від константи дисоціації

Рисунок 3.8 - Іонообмінна система (знесолення води)

іонообмінних груп смоли. Сильнокиснотні катіоніти дозволяють здійснювати процес у будь-яких середовищах, а слабокиснотні - у лужних і нейтральних середовищах. Іоніти при контактуванні з водою не розчиняються, але поглинають певну кількість води і набухають. При цьому розмір мікропор зростає, а об’єм іонітів збільшується у 1,5-3,0 рази. Селективність іонного обміну залежить від величини тиску набухання у порах і від розміру пор іоніту. При незначному розмірі пор великі іони не можуть досягти внутрішніх активних груп. З метою підвищення селективності іонітів до певних металів до складу смоли вводять речовини, здатні утворювати з іонами цих металів внутрішньокомплексні сполуки (хелати).

Іонний обмін найчастіше є оборотним процесом. Реакції іонного обміну перебігають внаслідок різниці хімічних потенціалів іонів, що обмінюються. У загальному вигляді ці реакції можна представити так

Реакція перебігає до моменту встановлення іонообмінної рівноваги. Швидкість встановлення рівноваги залежить від зовнішніх і внутрішніх факторів: гідродинамічного режиму рідини; концентрації іонів, що обмінюються; структури зерен іоніту; його проникності для іонів.

може бути представлений у вигляді

наступних стадій:

- перенесення іонів А з ядра потоку рідини до зовнішньої поверхні прикордонної рідкої плівки навколо зерна іоніту;

- дифузія іонів через прикордонний шар;

- перехід іона через межу розділу фаз у зерно смоли;

- дифузія іонів А всередині зерна смоли до іонообмінних функціональних груп;

- хімічна реакція подвійного обміну іонів А і В;

- дифузія іонів всередині зерна іоніту до межі розділу фаз;

- перехід іонів через межу розділу фаз на внутрішню поверхню плівки рідини;

- дифузія іонів через плівку;

- дифузія іонів у ядро потоку рідини.

Швидкість іонного обміну визначається самою повільною з цих стадій - дифузією у плівці рідини або дифузією у зерні іоніту.

Катіоніти регенерують 2-8%-ми розчинами кислот. Потім після розпушування і промивання катіоніти заряджаються шляхом пропускання через

Процес перенесення речовини

них розчину кухонної солі. Відпрацьовані аніоніти регенерують 2-6%-ми розчинами лугів. Аніоніти при цьому переходять в ОН-форму.

1.2.1