ИОННЫЙ ОБМЕН - это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.

В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения, обессоливания воды, селективного удаления различных ионов и т.д. Подлежащая очистке вода проходит через один или систему фильтров, заполненных ионитами, подбираемыми в зависимости от требуемой задачи. Иониты удаляют из воды соответствующие ионы и обмениваются с водой эквивалентными количествами других ионов, которые первоначально находились в ионите. Обменивающиеся ионы называются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса - матрицы и функциональных групп - фиксированных ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами.

В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, т.е. являются катионами (например, ионы водорода Н+ или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, т.е. являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.

Основными характеристиками ионитов являются: селективность, рабочая обменная емкость и кинетика ионного обмена.

Селективность ионита показывает, насколько эффективно ионит способен удалять те или иные противоионы в присутствии других конкурирующих противоионов. Селективность ионитов определяется природой матрицы ионита, типом функциональных групп, концентрацией противоионов в растворе и т.д. Как правило, селективность ионитов возрастает с увеличением заряда противоиона, а среди ионов с одним и тем же зарядом - с увеличением атомного веса. Т.е., чем тяжелее противоион и чем выше его заряд, тем большую селективность проявляет к нему ионит. Типичный ряд селективности показан ниже:

Исключение составляют противоионы, которые образуют малодиссоциирующие соединения с фиксированными группами, например, слабоосновные иониты с анионами слабых кислот (карбонатами), или некоторые цеолиты с аммонием. Кроме того, возможны специфические взаимодействия, основанные на хелатном эффекте или на ситовом эффекте.

Обращение селективности наблюдается при увеличении концентрации раствора. Например, двухзарядные противоионы могут быть вытеснены из ионита однозарядными противоионами при контакте с раствором, содержащим однозарядные противоионы в высокой концентрации. Этим определяется важнейшее свойство ионитов - их способность к регенерации после насыщения ионами, удаляемыми из воды, путем промывки примерно 5-6%-ми растворами кислот (для катионитов) или щелочей (для анионитов) или 10-12%-ыми растворами солей. Именно это свойство позволяет многократно, в течение нескольких лет, использовать загрузку ионитов для очистки воды.

Величина рабочей обменной емкости определяет, как долго может работать ионит в данных условиях до первого проскока поглощаемого иона в фильтрат, а, следовательно, показывает ресурс работы ионита в процессе водоподготовки. Обычно обменную емкость принято выражать в эквивалентах на литр набухшего ионита.

Кинетика ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции и, следовательно, требуемую скорость фильтрования. На скорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрация раствора и т.д.

Общая скорость процесса ионного обмена может быть представлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора):

В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды, доминирующим фактором, определяющим скорость ионного обмена, является диффузия ионов внутри зерна ионита. Следовательно, скорость ионного обмена, прежде всего, зависит от размера зерна ионита и увеличивается с уменьшением размера зерна.

В зависимости от природы матрицы различают неорганические и органические иониты.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ

Органические иониты - это в основном синтетические ионообменные смолы. Органическая матрица изготавливается путем поликонденсации мономерных органических молекул, таких как стирол, дивинилбензол, акриламид и т.д. В эту матрицу химическим путем вводятся ионогенные группы (фиксированные ионы) кислотного или основного типа. Традиционно вводимыми группами кислотного типа являются -СООН; -SО₃Н; -РО₄Н₂ и т.п., а основного типа: ≡N; =NH; -NH2; -NR3+ и т.п. Современные ионообменные смолы, как правило, обладают высокой обменной ёмкостью и стабильностью в работе.

Иониты способны к набуханию в воде, что обусловлено присутствием гидрофильных фиксированных групп, способных к гидратации. Однако беспредельному набуханию, т.е. растворению, препятствуют поперечные связи. Степень поперечной связанности задается при синтезе ионитов через количество вводимого сшивающего агента - дивинилбензола (ДВБ). Стандартные смолы, используемые для умягчения, содержат 8% ДВБ. Доступные в настоящее время смолы могут содержать от 2 до 20%. В целом степень набухания ионитов определяется количеством сшивки ДВБ, концентрацией гидрофильных ионогенных групп в объеме зерна ионита и тем, какие противоионы находятся в ионите. Обычно однозарядные ионы, особенно ионы водорода и гидроксила, приводят к наибольшему набуханию; многозарядные противоионы приводят к некоторому сжатию и уменьшению объема зерен.

На данный момент ионообменные смолы выпускаются в двух модификациях: гелевые и макропористые.

Гелевые смолы представляют собой гомогенные поперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены по всему объему полимера. При небольшом содержании сшивки, они обладают высокой обменной емкостью, однако характеризуются невысокой прочностью. При увеличении содержание сшивки повышается прочность, но уменьшается набухание и замедляется скорость обмена.

Макропористые смолы характеризуются фиксированной системой пор и каналов, которая задается во время синтеза, что позволяет вводить большое количество ДВБ для повышения механической устойчивости без замедления кинетики обмена. Однако при этом сокращается обменная емкость, так как доступными для обмена оказываются только фиксированные ионы на стенках пор - это 10-30% всего полимера.

Особого внимания заслуживают монодисперсные смолы, которые в отличие от стандартных полидисперсных смол характеризуются постоянным диаметром гранул с отклонением не более 50 мкм (полидисперсность стандартных смол составляет от 0,3 до 1,2 мм). Монодисперсность обеспечивает увеличение скорости ионного обмена, так как время диффузии ионов во всех гранулах одинаково, что приводит к увеличению рабочей обменной емкости. Кроме того, особый метод синтеза монодисперсных смол обеспечивает увеличение механической прочности.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ

Неорганические иониты - это в основном иониты природного происхождения, к которым относятся алюмосиликаты, гидроксиды и соли поливалентных металлов. Наиболее распространенными и применяемыми для очистки воды неорганическими природными ионитами являются цеолиты.

Цеолиты - это минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов, которые характеризуются наличием трехмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулы воды. Общий объем системы полостей и каналов цеолита составляет до 50% объема каркаса цеолита. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены путем ионного обмена и дегидрации. Ионообменные свойства цеолитов определяются особенностями химического сродства ионов и кристаллической структуры цеолита. При этом необходимо соответствие размеров входных отверстий в цеолитовый каркас и замещающих ионов, т.к. каркас цеолита имеет жесткую кристаллическую структуру и в отличие от органических смол не может набухать с изменением объема.

Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы, извлечение которых другим методом часто представляет большую сложность. Установлена способность цеолитов адсорбировать радиоактивные ионы цезия из растворов, удалять NH₄+, извлекать ионы Cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag и других металлов, очищать природные газы. Ионоситовый эффект позволяет адсорбировать из газовых и жидких систем пары азота, CO₂, SO₂, H₂S, Cl₂, NH₃. Кроме этого, цеолиты могут быть использованы для удаления растворенного железа, марганца и жесткости.

В отличие от органических смол существует ряд особенностей цеолитов. Так, общая минерализация обрабатываемой воды должна быть не менее 80 мг/л, так как при меньшем содержании солей происходит растворение алюмосиликатного каркаса цеолита. При рН обрабатываемой воды ниже 6 также возрастает вероятность разрушения кристаллической решетки.

Динамическая обменная емкость цеолитов ниже динамической обменной емкости органических смол в тех же условиях, что связано с более медленной кинетикой обмена на цеолитах. Остаточная жесткость воды после цеолитов составляет около 0,3 мг-экв/л, тогда как после органических смол - не более 0,1 мг-экв/л.

Таблица 1. Основные типы современных органических и неорганических ионитов, применяемых в практике водоподготовки