Ионообменные смолы
1. Для чего нужны ионообменный смолы
2. Какие бывают ионообменные смолы
3. Принцип работы ионной смолы
1. Для чего нужны ионообменный смолы?
Что же такое ионообменные смолы или, как их еще называют, иониты? Это синтетические полимерные соединения с определенной структурой, включающие в себя положительные или отрицательные ионы, способные совершать обмен. Внешне выглядят как небольшие шарики, похожие на икру рыбы. Но имеют уникальные свойства впитывать различные вещества, отдавая взамен свои ионы. Используются как засыпной материал для фильтров. Применяются на различных производствах и в быту.
Шарики смолы могут быть разного размера, но чаще всего до 2-х миллиметров. По цвету выделяют желтые, коричневые и белые. Если положить одну гранулу под микроскоп, то будет видна пористая структура. Ионная смола – не является реагентом. Это физическая очистка воды.
Применяется метод очистки с помощью ионного обмена практически повсеместно. Самое широкое распространение смола получила при обессоливании. Подходит для использования как в бытовых условиях, так и в промышленном секторе. Кроме умягчения является катализатором органического синтеза, регенерации отходов, чистке сточных вод, разделение препаратов в химической промышленности.
Рис. 1 Ионная смола
Получают ионную смолу разными способами, но самый основной из сшитого стирола. Винилбензол является жидкостью, которая не растворяется в воде. Его взбалтывают в воде и образуются небольшие капельки, которые полимеризуют с помощью нагрева. В итоге получаются прозрачные нерастворимые гранулы, которые соединяют с определенными функциональными группами. После их добавления шарики становятся полноценной ионной смолой и способны к реакции.
У ионной смолы должен быть определенный набор физических и химических свойств.
Физические:
- определенный размер гранул;
- масса;
- прочность;
- структура (катионит или анионит)
- стабильность
Химические:
- прикрепленная определенная функциональная группа;
- кислотность (если катионит);
- основа (если анионит);
- устойчивость;
- емкость;
Основным показателем выделяют рабочую емкость смолы. Чем он выше, тем больше ионов способен поглотить ионит. И регенерация смолы будет значительно реже. Еще одним важным значением является внутренняя влажность смолы. Именно она позволяет связывать. При ее отсутствии гранулы начнут разрушаться. Внешняя влага может быть удалена.
2. Какие бывают ионообменные смолы?
Ионообменные смолы подразделяются на несколько видов и подгрупп, с определенными характеристиками. Самыми известными и часто используемыми являются катиониты и аниониты. Они также имеют различия.
Катионитовая ионная смола может быть слабо или сильно кислотной. Сильнокислотная используется для умягчения воды и снижения концентрации соли. Слабокислотная способна лишь на некоторое время устранить жесткость и понизить pH. Внешне выглядят как круглые темные шарики. Но если поднести такую гранулу к свету, то она будет полностью просвечиваться. А как только произойдет контакт с водой, потемнеет. Часто катиониты применяются именно в многоступенчатых системах водоочистки. Кислотно-щелочной баланс особо не влияет на качество работы, но желательно не превышать отметку 14 единиц. Поверхность гранулы ровная. Поэтому данная структура способна держать ионы вместе, чтобы они не распались. Нормативы по необходимой влажности указаны в инструкции.
Анионитовая ионная смола имеет более стабильные химические характеристики и способна производить качественную очистку. Основа ионитов может быть сильной или слабой. Высокоосновной анионит применяется при умягчении и обессоливании раствора. А также подходит для очистки от кремния. Низкоосновные аниониты чаще используются в пищевой промышленности для устранения органических загрязнений. Внешне также, как и катиониды могут быть круглыми или иметь более вытянутую форму. Бывают с пористой или гелевой структурой. Если говорить об эффективности, то макропористая лучше. Так как прочнее, быстрее очищается от загрязнений и имеет улучшенные характеристики. Гелевая структура не подходит для очистки органики. Причина в быстром заполнении смолы и частой регенерации, что сокращает срок ее службы. Иониты очень быстро загрязняются и требуют частой регенерации. Аниониты используются для очистки воды, но не более 60 градусов. Можно, конечно, производить фильтрацию и горячей воды, но эффективность значительно снизится.
Рис.2 Ионообменная смола
У ионитов должна быть высокая механическая прочность. Так как гранулы постоянно подвергаются физическому воздействию как при очистке, так и при регенерации. Важный показатель – осмотическая стабильность. Потому что при изменении свойств воды на смолу оказывается определенное воздействие. Если меняется кислотно-щелочной баланс, содержание соли, то объем гранул изменяется. В концентрированных растворах он меньше, чем в разбавленных. Внешний слой шариков сжимается быстрее, чем ядро и появляется напряжение, при котором может произойти раскалывание внешнего слоя. Каждый тип ионитов может выдержать определенное количество таких изменений. Более стабильны сильнокислотные катиониты, так как у них происходит наиболее минимальное изменение объема. Соответственно слабокислотные катиониты менее стабильны.
3. Принцип работы ионной смолы
Так как смола очищает обменом. То при попадании её в воду происходит замещение ионов примесей на ионы, которые содержаться в гранулах. И так происходит до тех пор, пока смола не отдаст все свои запасы и не наполнится загрязнениями. После этого требуется ее промывка специальным сильно концентрированным раствором. Такой процесс называется регенерация и длится, в среднем, 40 минут. Но зависит от степени загрязнения ионной смолы и ее характеристик. В процессе очистки не только устраняются накопленные примеси, но и гранулы вновь заполняются ионами. Таким образом смола вновь может использоваться для очистки без замены.
Рис. 3 Оборудование для ионного обмена
Если рассматривать процесс на конкретном примере, то понятнее будет взять самый распространенный вариант – умягчение. Для этого используются сильнокислотный катионит. Сама очистка происходит не на поверхности, внутри гранулы. Соли жесткости распадаются на ионы в воде, свободно перемещаясь. К поверхности полистирольных нитей смолы прикреплены отрицательные ионы, которые притягивают положительные. Ионы кальция и магния, проходя через такой загрузочный материал, прикрепляются к гранулам, выбивая ионы натрия. А натрий является безопасным веществом. При наполнении гранул производится очистка смолы.
Полноценным аналогам ионной смолы нет. По качеству, стоимости и эффективности на современном рынке аналогов метода не существует. Конечно, ионная смола чаще применяется на промышленных производствах, где требуется умягчение и устранение других примесей в больших объемах. То, что ее не требуется заменять после заполнения примесями, делает иониты экономически выгодным вариантом в процессе водоподготовки. Так же ионная смола может быть добавлена на любом этапе цикла водоочистки.
Ионная смола является универсальной для обработки воды от различных загрязнений, хотя изначально использовалась только для умягчения. При выборе смолы требуется уточнять ее свойства. Например, аниониты не так эффективны в кислой среде.
Обязательно проверять емкость смолы. От этого зависит частота регенерации. Ионной загрузкой можно пользоваться долго, но не вечно. У нее тоже есть свой срок выработки. С каждой очисткой происходит снижение впитывающих свойств. То есть при регенерации гранулы уже не могут впитывать максимальное количество, например, ионов натрия. А, следовательно, емкость снижается. В этом случае производится полная замена загрузочного материала. Некоторые производители покрывают внешний слой гранулы специальным покрытием, которое продлевает сроки эксплуатации, позволяя противостоять механическим загрязнениям.
Так как ионная смола не является химическим веществом, ее используют для очистки любого типа воды, даже питьевой. Что актуально для пищевого, химического и других производств.
