Анимация - Изотерма адсорбции выпуклая Анимация - Изотерма адсорбции выпуклая
Уравнение (4.3) применимо только к равновесному состоянию системы ионит - раствор. В производственных условиях, когда раствор фильтруется через слой ионита, равновесия не достигают из-за влияния кинетических факторов, т.е. скорости ионного обмена. Понятия, связанные со скоростью обменных процессов, можно проиллюстрировать с помощью рис. 4.5, на котором показана схема взаимодиффузии на зерне ионита в H-форме при обмене в динамических условиях с ионами натрия. Зерно RH окружает статический слой раствора, известный как пленка Нернста толщиной от 10-2 до 10-3 см, в котором перемещение ионов происходит только за счет диффузии. Диффузия сквозь пленку и в зерне ионита происходит при разных скоростях, поэтому определить скорость обмена могут эти два процесса:
1) диффузия ионов внутри зерна;
2) диффузия в пленке.
Рис. 4.5. Схема диффузии ионов сквозь пленку и внутри зерна
Более медленный процесс контролирует общую скорость ионного обмена. При высоких концентрациях ионов в растворе (более 0.2 н) лимитирующей является внутридиффузионная кинетика, при обработке природных вод с солесодержанием менее 1 г/дм3, т.е. при низком градиенте концентраций в неподвижной пленке Нернста, скорость ионного обмена определяется внешенедиффузионной кинетикой. Скорость ионного обмена (скорость истощения) при исчерпании 50% обменной емкости обычно составляет несколько десятков секунд.
При пропуске обрабатываемого раствора, содержащего ионы B, через ионит, первоначально насыщенный ионами A (рис. 4.6), протекая, раствор будет постоянно контактировать с новыми слоями свежего (неиспользованного) ионита. Со временем, верхние слои ионита отдадут все ионы A и потеряют свою ионообменную способность, они как бы истощатся (зона a). Вследствие этого переходная зона, в которой происходит ионный обмен (зона b), будет все дальше и дальше перемещаться вниз по слою. При определенных условиях эта зона достигает стационарной ширины. Распределение концентраций обменивающихся ионов в этой зоне носит название фронта фильтрования. В нижних слоях (зона c) ионит еще полностью насыщен ионами A. Когда нижняя граница переходной зоны достигнет конца слоя ионита, наступит проскок иона B в фильтрат, что служит обычно сигналом для отключения фильтра на регенерацию.
Рис. 4.6. Схема ионообменного процесса в ионитном фильтре
В зависимости от коэффициента селективности обменивающихся ионов фронт фильтрования может сформироваться острым и переноситься параллельно или размытым (диффузным), расширяющимся при движении по высоте слоя ионита. Кривая, показывающая зависимость концентрации примесей в фильтрате от времени работы фильтра (или объема пропущенного через фильтр раствора), носит название выходной кривой. Примеры выходных кривых при остром и диффузном фронтах фильтрования приведены на рис. 4.7. От вида кривой фронта фильтрования зависит степень использования обменной емкости при работе фильтра, поэтому при обосновании ионообменной технологии иониты подбирают так, чтобы сорбция наиболее важных ионов в водоподготовке происходила при остром фронте фильтрования.
Рис. 4.7. Фронты фильтрования и выходные кривые в ионитных фильтрах: 1 – диффузный слой фильтрования; 2 – выходная кривая при диффузном фронте; 3 – острый фронт фильтрования; 4 – выходная кривая при остром фронте; x – высота слоя ионита; t - время работы фильтра
На формирование фронта фильтрования влияют так же гидродинамические процессы, определяемые скоростью фильтрования, структурой зернистого слоя, конструкцией дренажных устройств и рядом других факторов.
Ионообменные технологии основаны на пропускании воды через фильтрующий слой ионообменного материала, нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. При этом ионы, которые необходимо удалить, задерживаются в слое ионообменного материала.
Ионообменный
материал (ионит), естественный или
искусственный, содержит ионные группы,
которые сбалансированы противоионами
таким образом, чтобы в целом среда была
электронейтральной. При пропускании
воды через эти материалы определенные
ионы задерживаются, а противоионы из
ионита переходят в воду. Существуют
различные ионно-обменные материалы,
позволяющие избирательно удалять из
воды те или иные микроэлементы (смолы
специальной селективности).
Ионообменные смолы делятся на катиониты и аниониты, в зависимости от того какими ионами происходит обмен: катионами или анионами.
Некоторые природные материалы (глина, бокситы и др.) обладают способностью к обмену ионами, однако в настоящее время применяются в основном синтетические ионообменные смолы.
Важное свойство ионообменного материала – количество ионов, которое может быть удалено из обрабатываемой воды. Общая емкость ионообменного материала зависит от количества функциональных групп в ионообменной смоле. Фильтроцикл на ионообменном фильтре продолжают до момента проскока в фильтрат задерживаемых ионов. Тогда фильтр отключают на регенерацию, а на время регенерации вода должна проходить очистку на параллельных ионитовых фильтрах.
Регенерация заключается в пропускании через слой ионообменной смолы регенерирующего раствора. Для регенерации катионитов используют растворы поваренной соли, серной или соляной кислот (в зависимости от типа катионита). Регенерация анионитов проводится, как правило, кальцинированной содой, едким натром или гидрокарбонатом натрия. Отработанные регенерационные растворы затем утилизируются.
Научно-производственное предприятие «Национальный центр водных технологий» применяет ионный обмен на катионитовых фильтрах для умягчения воды (извлечения ионов Ca2+ и Mg2+), для удаления из воды ионов других металлов, например, Ba2+, Sr2+ и тяжелых металлов, а также для обессоливания воды. Для извлечения анионов, например, NO3-, SO42-, гуминовых кислот применяются аниониты.