Умягчение воды ионообменной смолой
Внутрь корпуса засыпается ионообменная смола которая на химико-молекулярном уровне производит очистку за счёт ионного обмена.
Вода поступает в баллон фильтра со смолой, далее ионы кальция остаются на смоле, а нейтральные ионы со смолы поступают в воду. Принцип ионного обмена активно используется в современных системах умягчения воды.
Разберёмся в процессе подробнее.
Что такое ионообменные смолы?
Ионный обмен-обратимая химическая реакция, при которой растворенные ионы удаляются из раствора и заменяются другими ионами того же или аналогичного электрического заряда. Не химический реагент сам по себе, IX смола вместо физической среды, которая облегчает реакции ионного обмена.
Сама смола состоит из органических полимеров, которые образуют сеть углеводородов.
По всей полимерной матрице расположены ионообменные центры, где так называемые “функциональные группы” либо положительно заряженных ионов (катионов), либо отрицательно заряженных ионов (анионов) прикреплены к полимерной сетке.
Эти функциональные группы легко притягивают ионы противоположного заряда, за счёт притяжения ионов кальция происходит умягчение воды.
Из чего сделаны ионообменные смолы?
Матрица ионообменной смолы образуется путем сшивания углеводородных цепей друг с другом в процессе, называемом полимеризацией.
Сшивание придает полимеру смолы более прочную, эластичную структуру и большую емкость (по объему).
При этом химический состав большинства ионообменных смол составляет полистирол некоторые типы изготавливаются из акрила (акрилонитрила или метилакрилата).
Затем полимер смолы подвергается одной или нескольким химическим обработкам для связывания функциональных групп с ионообменными центрами, расположенными по всей матрице.
Эти функциональные группы дают ионообменной смоле свои возможности разъединения, и поменяют значительно от одного типа смолы к следующему.
Наиболее распространенные композиции ионообменных смол:
Сильные смолы обмена катиона кислоты (SAC).
Смолы SAC составлены матрицы полистирола с группой сульфоната (SO 3 ) функциональной которая или поручена с ионами натрия (Na 2+) для размягчая применений, или ионами водорода (H +) для деминерализации.
Слабокислотные катионообменные смолы.
Смолы WAC составлены акрилового полимера который был hydrolyzed С или серной кислотой или каустической содой для того чтобы произвести функциональные группы карбоновой кислоты. Из-за их высокого сродства к ионам водорода (H+) смолы WAC обычно используются для селективного удаления катионов, связанных со щелочностью.
Сильные низкопробные смолы обмена аниона (SBA).
Смолы SBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию и аминированию для фиксации анионов в местах обмена. Смолаы типа 1 SBA произведены применением trimethylamine, которое производит ионы хлорида (Cl–), пока смолы типа 2 SBA произведены применением dimethylethanolamine, которое производит ионы окисоводорода (OH – ).
Смолы обмена аниона слабого основания (WBA).
Смолы WBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию с последующим аминированием диметиламином. Смолы WBA уникальны тем, что они не имеют обменных ионов и поэтому используются в качестве поглотителей кислоты для удаления анионов, связанных с сильными минеральными кислотами.
Хелатирующие смолы.
Хелатирующие смолы являются наиболее распространенным типом специальных смол и используются для селективного удаления некоторых металлов и других веществ. В большинстве случаев полимерная матрица состоит из полистирола, хотя для функциональных групп используются различные вещества, в том числе тиол, триэтиламмоний, аминофосфония и многие другие.
Как работает ионообменная смола?
Чтобы полностью понять, как работают ионообменные смолы, важно сначала понять принципы ионообменной реакции.
- Проще говоря, ионный обмен представляет собой обратимый обмен заряженными частицами—или ионами—с частицами аналогичного заряда.
Это происходит, когда ионы, присутствующие на нерастворимой матрице ионообменной смолы, эффективно меняются местами с ионами аналогичного заряда, которые присутствуют в окружающем растворе.
Ионообменная смола функционирует таким образом из-за своих функциональных групп, которые по существу являются фиксированными ионами, которые постоянно связаны внутри полимерной матрицы смолы.
Эти порученные ионы охотно скрепят с ионами сопротивляясь обязанности, которые поставлены через применение разрешения противоиона. Эти противоионы будут продолжать связываться с функциональными группами до достижения равновесия.
Во время ионообменного цикла обрабатываемый раствор добавляют в слой ионообменной смолы и пропускают через шарики.
Когда раствор проходит через ионообменную смолу, функциональные группы смолы притягивают любые противоионы, присутствующие в растворе.
Если функциональные группы имеют большее сродство к новым противоионам, чем те, которые уже присутствуют, то ионы в растворе вытеснят существующие ионы и займут их место, связываясь с функциональными группами через общее электростатическое притяжение. В общем, чем больше размер и/или валентность Иона, тем большее сродство он будет иметь с ионами противоположного заряда.
Применим эти понятия к типичной ионообменной системе умягчения воды.
В этом примере механизм размягчения состоит из катионообменной смолы, в которой сульфонатные анионные (SO 3 – ) функциональные группы прикреплены к матрице ионообменной смолы. Затем на смолу наносят противоионный раствор, содержащий катионы натрия (Na+). Na + держатся к фиксированным SO 3 анионам электростатической привлекательностью, приводящим в сетчатом нейтральном заряде в смоле.
Во время активного ионообменного цикла к катионообменной смоле добавляют поток, содержащий ионы жесткости (Ca 2+ или Mg 2+). Так как SO 3– функциональные группы имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к ионам Na+, ионы жесткости вытесняют ионы Na+, которые затем вытекают из ионного блока в составе обрабатываемого потока . Ионы твердости (Ca 2+ или Mg 2+ ), с другой стороны, сохранены смолой IX.
Что такое регенерация смолы?
Со временем ионы загрязнений связываются со всеми доступными местами обмена в ионообменной смоле.
После того, как смола исчерпана, она должна быть восстановлена для дальнейшего использования через так называемый цикл регенерации.
Во время цикла регенерации реакция по существу меняется на противоположную посредством применения концентрированного раствора регенеранта.
- В зависимости от типа смолы и применения регенерант может представлять собой соль, кислоту или каустический раствор.
По мере того как цикл регенерации продолжается, ионообменная смола выпускает ионы загрязняющего вещества, заменяя их на ионы, присутствующие в растворе регенерирующего вещества.
Ионы загрязняющего вещества выйдут из ионообменной смолы как часть потока сточных вод регенерата и должны быть должным образом выгружены. В большинстве случаев смолу промывают для удаления остаточного регенеранта перед следующим активным ионообменным циклом.
Примеры водоочистки на ионном обмене
В любой засыпной фильтр баллонного типа, может засыпаться ионообменная смола для умягчения воды.
Смола засыпается в балонный фильтр, который вставляется в пластиковый кабинет, этот «кабинет» является одновременно ёмкостью для реагента восстановления ионообменных свойств смолы.
Классическая компоновка фильтра умягчения воды с ионообменной смолой, это отдельный фильтр и бак для регенерирующей смеси.
Данная компоновка позволяет использовать фильтры разного объёма так как не ограничена кабинетом, но занимает больше места так как фильтр и бак для соли разъеденены.