Ионный обмен (умягчение воды)

Классификация методов обессоливания и опреснения воды для производственных нужд. Их сущность

Обессоливание - снижение содержания солей в воде до величин,

Опреснение - снижение солесодержания в воде до величин, соответствующих

Все применяемые методы обессоливания и опреснения воды классифициру-

1. Дистилляция (однокорпусная, многокорпусная)

2. Вымораживание (с использованием естественного и искусственного холо-

3. Ионный обмен (с использованием катионитов и анионитов)

4. Электродиализ (путем пропускания воды через ванны,

Разделенные на камеры электрохимически активными мембранами)

5. Обратный осмос (путем фильтрования воды через полупроницаемые мембраны)

6. Экстракция и адсорбция (путем извлечения из соленой воды примесей

или воды с помощью специально подобранных экстрагентов или адсорбен-

7. Биологический метод опреснения – за счет способности некоторых

водорослей и организмов извлекать из воды соли.

Ионный обмен (от умягчения до обессоливания и специальных процессов) Вне зависимости от происхождения вода всегда содержит растворённые вещества, которые, растворяясь, образовывают заряженные частицы - ионы. Наличие в воде ионов приводит часто к возникновению различных проблем в промышленных, коммерческих сферах применения, а также в быту. Наиболее распространённой и нежелательной во многих случаях проблемой является присутствие в исходной воде ионов жёсткости, т.е. Кальция и магния, соли которых, например, разлагаясь при высоких температурах, приводят к образованию накипи и т.п. Удаление солей жёсткости, частичная или глубокая деминерализация могут быть достигнуты различными способами. Однако, решение подобных задач с помощью ионообменных процессов является одним из наиболее надёжных. Основной принцип ионообменных процессов заключается в следующем: подлежащая очистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионообменными смолами (подбираемыми в зависимости от требуемой задачи - для умягчения, снижение щёлочности, обессоливание, удаление нитратов и т.д.), которые, в свою очередь удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются эквивалентными количествами других ионов того же заряда, выпущенных ионитом. На сегодняшний день существует большое разнообразие ионообменных смол от различных производителей - классифицируемых как по свойствам, используемым для их изготовления материалам, так и по областям применения. Современные ионообменные смолы - это синтетические материалы, обладающие, как правило, высокой обменной ёмкостью, стабильностью в работе и способностью регенерироваться (восстанавливаться). Представляют из себя частицы сферической формы размером от 0.3 до 1.2 мм. Ионообменная смола.(ионит) может быть солью, кислотой или основанием в твёрдой форме, которые не растворяются в воде, но гидратируются. В зависимости от знака заряда обмениваемых ионов иониты делят на катиониты, аниониты, и специальные (комплексные, адсорбентные, инертные и т.п.). Иониты состоят из полимерной матрицы и функциональных групп, которые взаимодействуют с ионами раствора. Значительно реже используются иониты природного происхождения - с неорганической матрицей. В качестве матрицы при изготовлении современных ионообменных смол применяются в основном следующие полимеры - полистирол, дивинилбензол, полиакриламид. С техническими данными наиболее широко применяемых ионообменных смол некоторых производителей вы можете ознакомится в разделе материалы для водоподготовки. Ионный обмен применяется в большом количестве технологических процессов, которые укрупнённо можно разделить на следующие: умягчение, разделение и деминерализация. В качестве примера можно привести пример снижения жёсткости воды с помощью ионного обмена: известно, что общая жёсткость воды (Жо) определяется суммарным содержанием в ней неё катионов кальция и магния выраженным в миллиграмм - эквивалентах на литр (мг-экв/л). Часть общей жёсткости (в предельном случае - вся) эквивалентная концентрации бикарбонат - ионов нсо3- называется карбонатной (временной) жёсткостью (Жк) и зависит от содержания связанной углекислоты. Разность между общей и карбонатной жёсткостью - это постоянная (некарбонатная) жёсткость. Схематично эти соотношения представлены на таб.1. Таблица 1.

Жёсткость общая	Временная	Жо	Щёлочность	Анализ исходной воды
Постоянная	∑а сильных кислот
	Na
K

При ионообменном способе умягчения происходит замена солей кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) на натрий (Na⁺) по следующей схеме:

Таким образом, вместо кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), вводится эквивалентное количество натрия (Na⁺).

Данный процесс реализуется в фильтрах (различной конструкции и размеров в зависимости от производительности, требований к проведению самого процесса и т.п.). Сам ионообменный процесс происходит это при фильтровании воды через слой ионообменной смолы (представляющей собой сильнокислотный катионит в na-форме), загруженный в фильтр и периодически, по истощению, регенерируемый раствором поваренной соли.

Корпуса ионообменных фильтров малогабаритных установок, как правило, выполняются из армированного пластика либо металла с антикоррозионной обработкой. Промышленные же установки обычно изготавливаются из стали, а внутренние рабочие поверхности сосудов гуммируются. Управление технологическими операциями в современных ионообменных установках - такими как регенерация, промывка и т.п. Может осуществляться как в ручном, но чаще в полуавтоматическом или автоматическом режимах.

Технологии, оборудование для водоподготовки

дегазация
осветление и реагентная обработка (дозирование окислителей, коагуляция и флокуляция)
удаление марганца, железа
механическая фильтрация
сорбция
Ионный обмен (от умягчения до обессоливания и специальных процессов)
обратноосмотическое фильтрование
обеззараживание
микро-, ультра-, нанофильтрация, а также многие другие необходимые для получения воды с заданными параметрами технологии

Ионный обмен – совершенно другой принцип водоочистки. Если на сетках механических фильтров и в порах угля и синтетических волокон частицы попросту физически задерживаются, застревают, то при ионном обмене они встраиваются в структуру фильтрующего вещества химическим образом, если так можно выразиться. И если механическую очистку и адсорбцию – самые прямые и незатейливые принципы фильтрации, то ионный обмен по сравнению с ними весьма изящен.

Этот принцип предназначен для извлечения из воды ионов многих металлов. Прежде всего – кальция и магния. Их карбонаты представляют собой соли жесткости, они приносят множество неудобств, отлагаясь наростами на всех поверхностях, с которыми соприкасается насыщенная ими вода. Соли жесткости не только отрицательно влияют на кожу и волосы при мытье, но и разрушают бытовую приборы и сантехнику, выводят из строя трубы. Однако, ионы металлов – чрезвычайно мелкие частицы. Их невозможно уловить в порах угля или синтетических волокон: поры слишком крупны для них. Что делать? На помощь приходят ионообменные смолы.

Ионообменная смола – это нерастворимое высокомолекулярное соединение. Оно замечательно тем, что содержит в себе ионы натрия. Жесткая вода, проходя через ионообменную смолу, отдает ей свои двухвалентные ионы – кальция и магния. То есть даже лучше сказать так: смола с удовольствием их поглощает, отдавая воде взамен свои одновалентные ионы натрия, два из один. Таким образом, концентрация солей в воде не уменьшается, но изменяется их состав. Вместо солей жесткости (карбонатов кальция и магния) в воде теперь будут присутствовать карбонаты натрия, которые нигде не откладываются и поэтому практически совершенно безобидны. Таким образом происходит умягчение воды.

Понятно, что ионообменные смолы задерживают не только ионы кальция и магния, но и других металлов, в том числе тяжелых, если их концентрации не слишком велики. Поэтому помимо угля в картриджи многих бытовых фильтров засыпают ионообменные смолы. Но главное их применение – в умягчителях воды, которые используются в быту и в промышленности. Например, для умягчения воды в коттедже требуется целое ведро ионообменной смолы. Она представляет собой достаточно мелкие шарики полимера, внешне похожие на икру минтая или лосося. Кстати, многие ионообменные смолы обладают также способностью физической сорбции целого ряда веществ, которые могут осаждаться в объеме смолы. Это попутное фильтрующее свойство иногда бывает весьма полезным. Но встречаются и так называемые хелатирующие ионообменные волокна. Они хороши тем, что обладают высокой ионообменной емкостью и удаляют ионы тяжелых металлов даже при высоких концентрациях солей жесткости, успешно работая "на два фронта".