Ионообменное равновесие. Функциональную зависимость противоионного состава ионита от противоионного состава внешнего раствора при постоянных температуре и давлении называют изотермой ионного обмена.

Изотермы изображаются графически в безразмерных координатах - :

; (6.50) , (6.51)

где и - эквивалентные доли i - го иона в фазе ионита и в растворе; и - концентрации i- го иона в ионите и в растворе в условиях равновесия системы, моль ионов на 1 г ионита; z_i - заряд i- го иона.

Величины и изменяются в интервале от 0 до 1, следовательно, изотермы обмена изображаются в квадрате, сторона которого равна единице.

Отношение называется коэффициентом распределения i-го иона при сорбции К_pi. Этот коэффициент является мерой обогащения или обеднения ионита данным веществом. При К_pi <1 ионит обеднен, а при К_pi >1 обогащен компонентом по сравнению с равновесным раствором.

Если в растворе содержится не один, а несколько ионов, например А и В, то селективность ионита оценивается коэффициентом селективности (избирательности) К_А,В, равным отношению коэффициентов распределения конкурирующих ионов:

. (6.52)

При К_А,В >1 ионит селективен к иону А; при К_А,В >1 избирательно сорбируется ион В; при К_А,В =1 ионит не проявляет селективности ни к одному из ионов.

Если обменная реакция описывается уравнением в общем виде, то равновесие ионообменных процессов выражается формулой:

, (6.53)

где К_А,В – константа равновесия; - концентрация ионов в твердой фазе; с- концентрация ионов в жидкой фазе; x = c/c₀ – безразмерная концентрация в жидкой фазе; y= / - безразмерная концентрация в твердой фазе; с₀ – общая “эквивалентная” концентрация ионов в жидкости;  - обменная емкость смолы (значение  находится в пределах n и 1).

Форма изотермы ионного обмена зависит от величины коэффициента селективности К_А,В: при К_А,В >1 изотерма выпуклая; при К_А,В <1 – вогнутая; а при К_А,В =1- линейная и совпадает с диагональю.

При концентрации вещества в сточных водах менее 0,003 моль/л, или при значении числа Био: Bi = ^.r₀/(k_ГD)<<1, скорость обмена определяется диффузией ионов через пленку жидкости (пленочная кинетика). При концентрации 0,1 моль/л (или Вi >>1) скорость процесса определяется диффузией ионов внутри зерна (гелевая кинетика). В области концентраций 0,003…0,1 моль/л определяющими являются оба вида диффузии.

Здесь  - коэффициент массоотдачи; r₀ - радиус зерна ионита; К_Г - константа Генри; D - коэффициент массопроводности (диффузии).

Коэффициенты диффузии различных ионов в смоле имеют порядок 10^-6…10^-9 см²/с, а в воде 10^-4…10^-5 см²/с. Коэффициент диффузии снижается при увеличении размера гидратированных ионов в растворе и росте заряда обменивающихся противоионов смолы.

Для внешнедиффузионной области при значениях числа Re_э от 2 до 30 для расчета коэффициента массоотдачи используется следующая зависимость:

, (6.54)

где Nu_э = ^.d_э/D – число Нуссельта; Re_э =w^.d_э/ - число Рейнольдса; Pr_D=/D – число Прандтля.

Регенерация ионитов. Катиониты регенерируют 2…8%-ми растворами кислот. Регенерационные растворы - элюаты содержат катионы. Затем после рыхления и промывки катиониты заряжаются путем пропускания через них раствора поваренной соли.

Отработанные аниониты регенерируют 2…6%-ми растворами щелочи. Аниониты при этом переходят в ОН-форму.

Элюаты содержат в сконцентрированном виде все извлеченные из сточных вод анионы. Элюаты, представляющие собой растворы кислот и щелочей, нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов. Нейтрализацию проводят смешением кислых и щелочных элюатов, а также дополнительным введением кислоты или щелочи.

Степень регенерации ионитов (в %) определяют по формуле:

, (6.55)

где _в - восстановленная обменная емкость; _п - полная обменная емкость.

На степень регенерации влияет тип ионита, состав насыщенного слоя, природа, концентрация и расход регенерирующего вещества, температура, время контакта и расход реагентов.

6.4.5. Обратный осмос и ультрафильтрация в растворах сточных

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны, избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных в них веществ, под давлением, превышающим осмотическое давление.

В основе этих способов лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану. Давление  в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим. Создав над раствором давление p₁, равное осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление p₂, превышающее осмотическое давление  на величину p, то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.

Величина осмотического давления  (в Па) для растворов определяется по уравнению Вант-Гоффа

 = i^.R^.T^.c/M, (6.56)

где i = (1 + ) – коэффициент Вант-Гоффа;  - степень диссоциации растворенного вещества; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура раствора, К; c – концентрация растворенного вещества, г/л; M – молекулярная масса растворенного вещества, г/моль.

Механизм фильтрования через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц d_ч на порядок больше. В процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются высокомолекулярные вещества, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через поры мембраны. При обратном осмосе мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных веществ, а проходит через поры мембраны только почти чистый растворитель.

Условные границы применения этих процессов: обратный осмос: d_чя = 0,0001…0,001 мкм; ультрафильтрация: d_ч = 0,001…0,02 мкм; макрофильтрация: d_ч = 0,02…10 мкм.

От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6…10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1…0,5 МПа).

Обратный осмос и ультрафильтрование принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и ультрафильтровании образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и предприятий по производству полупроводников, кинескопов, медикаментов, для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.

Установка обратного осмоса (рис. 6.7) состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно.