4.1.4. Йонен Обмен

Йонообменните процеси са широко използвани в пречистването на питейни и отпадни води, за да се отстраняват нежелателните йонни замърсявания. Първите йонообменни процеси използвали неорганични зеолити, добивани от естествени находища като катионообменници за омекотяване на водата. Съвременните синтетични обменници на средата на полимерна основа, днес се използват като катионо- и анионо-обменници. Йонообменните процеси се използват също и в много специфични приложения, например за намаляване или премахване на потенциално вредните йонни замърсявания от източници на питейна вода в химичните процеси и за изолиране и пречистване на специални продукти, като хроматографски разделяния по размер, заряд и като катализатори (Gottlieb, 2005 г.).

Йонообменните процеси премахват нежеланите йони от суровата вода, като ги прехвърлят към твърдия материал, наречен йонообменник, който ги приема като отдава еквивалентен брой желани видове, съхранявани в йонообменния скелет (Kemmer, 1988). Някои йони в разтвора се абсорбират предпочитаемо от йонообменното твърдо вещество и поради необходимостта от поддържане на електронеутралност, твърдите обменници отделят заместващи йони обратно в разтвора. Реакциите са стехиометрични и обратими и се подчиняват на закона за действието на масите (Reynolds, 1982). Йонообменният процес е обмен на йони от една фаза към друга. В пречистването на водите, обмена на йони се случва между твърдата фаза на йонообменика и входящия поток вода. В омекотителите за вода, катионобменната смола оперираща в натриева форма обменя натриеви йони за еквивалентно количество калциеви и магнезиеви йони, отделящи се от суровата вода чрез смолата и еквивалентен брой натриеви йони, добавени към водата от смолата (Gottlieb, 2005).

Йонообменниците, използвани във водните инсталации са със скелетоподобни структури, които имат много йонообменни места, както е показано на фигура 4.8. Неразтворимият пластмасов скелет е много голям йон, който е електрически зареден и привлича йони с противоположен заряд. Йонобменникът има ограничен капацитет за съхранение на йони в скелета си, наречен капацитет за обмен; поради това, йонообменникът евентуално ще се изчерпи от неговите желани йони и насити с нежелани йони (Kemmer, 1988). Омекотителят е подобен по дизайн на филтъра под налягане, със смоли на мястото на филтърната среда (Фигура 4.8).

Фигура 4.8. Ляво изображение: Модел на катионообмен (Kemmer, 1998),Дясно изображението: Йонообменен омекотител (URL 6).

Използват се два вида йонообменни материали: катионообменнен материал и анионообменнен материал. Катионнообменният материал обменя катионни, докато анионообменния материал обменя аниони. Неразтворимите части от обменения материал се наричат гостоприемник (Sincero и Sincero, 2003b).

4.1.4.1. Капацитет на смолата

Единиците за изразяване на капацитета на смолата са еквиваленти на литър (eq/L), милиеквиваленти на милилитър (meq/mL), килограм на кубичен фут (kg/ft3) и грам на литър (g/L). Като цяло, химиците използват първите две единици, а последните две са практически единици, използвани от проектантите и собствениците на системи (Flynn, 2009).

4.1.4.2. Процес на обмен на йони

Важно е да се има предвид, че процесът на обмен на йони работи правилно само с йони. Вещества, които не се йонизират във вода, не се отстраняват чрез йонен обмен. Всеки тип йонообменна смола проявява зависимост от предпочитанията на различните йони. Това може да бъде изразено количествено чрез коефициента на селективност. Всяка йонна двойка има уникална селективност за всяка йонообменна смола. Колкото е по-висок коефициентът на селективност, толкова е по-висок относителният афинитет на йона на смолата. Колкото е по-висок афинитетът, толкова по-лесно е да се зареди йона, и обратно толкова по-трудно е да се премахне по време на регенерация (Gottlieb, 2005).

Йонообменникът проявява тенденция на предпочитание към: 1) йони с по-висока валентност, 2) йони с малък солватиран обем, 3) йони с по-голяма способност да поляризират, 4) йони, които реагират силно с йонообменни места от твърдия обменник, 5) йони, които участват най-малко с други йони, за да образуват комплекси. За обичайните катионообменници, предпочитаната серия от най-често срещаните катиони е както следва (Reynolds, 1982):

Ba⁺²>Pb⁺²>Sr⁺²>Ni⁺²>Cd⁺²>Cu⁺²>Co⁺²>Zn⁺²>Mg⁺²>Ag⁺¹>Cs⁺¹>K⁺¹>NH₄⁺¹>Na⁺¹>H⁺¹

За обичайните анионообменници, предпочитаната серия от най-често срещаните аниони е както следва (Reynolds, 1982):

SO₄^-2>I^-1>NO₃^-1>CrO₄^-2>Br^-1>Cl^-1>OH^-1

Работното представяне, капацитетът и данните за изтичане на йонообменните смоли, за най-често срещащите се йони във водата, обикновено се предоставят от производителя на смолата (Gottlieb, 2005).

4.1.4.3. Капацитет на смолата и регенериране

Йонообменните смоли имат ограничен капацитет. Когато този капацитет се изчерпи, самите смоли се изчерпват и се увеличава изтичането на нежелани йони. Изчерпаната смола може да бъде обновена с разтвори на сол, киселина или основа, съдържащи йони във "форма" в която смолата ще заработи. Те преминават през леглото на смолата в достатъчно количество и при достатъчно висока концентрация, за да преобърне обмяната, десорбцията и да замени предварително обменените йони от смолата с йоните от разтвора на регенеранта. Най-често използваният регенерант, приложим за йонообмен в питейни води е натриевият хлорид. Той се използва за омекотяване, деалкализиране, и отстраняване на барий, радий, уран, селен, арсен, нитрат (Gottlieb, 2005).

4.1.4.4. Йонообменни операции

Първите търговско използвани йонообменни материали са естествено срещащите се порести пясъци, които обикновено са наричани зеолити. Зеолитите са били първите йонообменници, използвани за омекотяване на води. Въпреки това, те са почти напълно заменени в последните години от синтетичните органични смоли, които имат много по-голям йонообменен капацитет. Синтетичните катионни обменни смоли са полимерни материали, които притежават реактивни групи, като например сулфонови, фенолни, карбоксилни и които се йонизират и могат да бъдат заредени със сменяеми катиони. Също така, срещат се синтетични анионобменни смоли, които притежават йонизиращи групи, такива като кватернерен амоний или амино-групи, които могат да се зареждат със сменяеми аниони (Reynolds, 1982).

Фигура 4.9 показва схема на съоръжение за йонообменни операции. Фигура 4.9.a показва катионен обменник и Фигура 4.9.б показва анионен обменник. В двете единици, входящият поток се въвежда в горната част на канала. Находището на йонообменни материали е вътре в канала, където, водата предназначена за пречистване преминава през системата и се извършва обмен на йони. Този обмен на йони е химична реакция от процеса на единичен йонообмен; чисто физичното преминаване през водата със съпътстващо изпомпване, представлява единична йонообменна операция (Sincero и Sincero, 2003b).

Фигура 4.9. Опериране на единиците на йонообменния ппоцес (Sincero и Sincero, 2003b)