6.5.3. Ионный обмен.

Для удаления ионов из воды широко используется метод ионного обмена. Ионный обмен протекает на ионитах, представляющих собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а ионы противоположного знака заряда способны переходить в раствор и заменяться на другие ионы того же знака заряда.

Способностью к ионному обмену обладают некоторые природные соединения, например алюмосиликаты. Однако более широкое применение получили синтетические ионообменники, которыми обычно служат полимерные материалы. В качестве примера полимеров, служащих основой (матрицей) для ионитов, можно назвать сополимеры стирола с дивинилбензолом и метакриловой кислоты с дивинилбензолом .Ионит состоит из матрицы, на которой имеется большое число функциональных групп. Последние или вводятся в мономер или в реакционную смесь при полимеризации, или прививаются к полимеру после полимеризации. Функциональные группы способны диссоциировать в растворе, при этом ионы одного знака заряда остаются на ионите, а ионы другого знака заряда переходят в раствор. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и аниониты.

У катионитов в раствор переходят катионы, которые затем могут обмениваться на катионы, находящиеся в растворе. Функциональными группами у катионитов обычно служат сульфогруппы —SO₃H, фосфорнокислые группы —РО(ОН)₂, карбоксильные группы —COOH, гидроксильные группы —ОН. При контакте ионита с раствором эти группы диссоциируют, посылая в раствор ионы Н⁺. В результате этого ионит заряжается отрицательно, раствор около ионита — положительно. В зависимости от степени диссоциации функциональных групп различают сильные и слабые катиониты. Катионит после диссоциации функциональных групп можно условно обозначать формулой R^n-nKt⁺, а ионный обмен представить уравнением

где Kt⁺₁ и Kt⁺₂ — катионы, участвующие в ионном обмене.

У анионитов функциональные группы при диссоциации посылают в раствор анионы, а на ионите остаются положительно заряженные ионы. Функциональными группами у анионитов обычно служат аминогруппы --NH₂, =NH,-- N и четвертичные аммонийные основания —NR. При диссоциации этих групп ионит заряжается положи­тельно, а раствор около ионита — отрицательно. Анионит после дис­социации функциональных групп можно обозначить формулой Rⁿ⁺ nA^- ,а анионный обмен представить уравнением

A^-₁ иА^-₂—анионы, участвующие в ионном обмене. Аниониты также могут быть сильными и слабыми.

6.5.4. Катионирование воды.

Чаще всего для обработки природной виды методом катионирования применяются катиониты, у которых обмениваемыми ионами служат ионы Na⁺ (Na-катиониты) или Н⁺ (H-катиониты). Na-Катионит обменивает ионы Na⁺ на ионы, содержа­щиеся, в природной воде. Так как основными катионами в природной воде являются ионы Са²⁺и Mg²⁺, то при Na-катионировании происхо­дит умягчение воды:

В результате Na-катионирования снижается как карбонатная, так и некарбонатная жесткость. Однако солесодержание при этом практически не меняется, так как в раствор переходят ионы Na⁺. Процесс катионирования заключается в пропускании воды через фильтры, загруженные Na-катионитовым порошком. По мере работы Na-катионитовый фильтр истощается (ионит переходит в Ca-Mg-форму). После истощения катионита его регенерируют. Про­цесс регенерации представляет собой ту же реакцию ионного обмена, но проводимую в обратном направлении. Обычно регене­рацию проводят раствором поваренной соли:

В результате регенерации ионит снова восстанавливает свою способ­ность к умягчению воды.

При Н-катионировании происходит обмен ионов Н⁺ ионита на ка­тионы, содержащиеся в воде:

В результате этого обмена из воды удаляются ионы Mg²⁺, Ca²⁺, Na⁺ и др. В воде увеличивается концентрация ионов Н⁺, которые частично связываются карбонат- и гидрокарбонат-ионами:

В результате Н-катионирования происходит умягчение воды, сни­жение щелочности и солесодержания в воде. Однако при этом уменьша­ется рН воды, она становится коррозионно-агрессивной. Поэтому Н-катионирование проводят обычно в сочетании с другими методами ион­ного обмена. Регенерацию Н-катионита проводят раствором кислоты. В качестве примера рассмотрим одно из уравнений реакции, протекаю­щей при регенерации Н-катионита:

Катионирование применяется для очистки не только природных, но и сточных вод. Вредные катионы сточных вод обмениваются на безвредные ионы ионита. Например, для удаления ионов Zn²⁺ из сточной воды последнюю можно подвергнуть Na-катионированию:

Катионирование природных и сточных вод обычно проводят как одну из заключительных стадий для глубокой очистки, так как стоимость ионитной обработки достаточно высока. Если концентрации примесей в воде высока, то основную часть примесей предварительно удаляют другими, более дешевыми методами.