![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Використання методу іонного обміну для очистки стічних водІонообмінна очистка використовується для вилучення із стічних вод іонів металів (цинку, купруму, хрому, ніколу, плюмбуму, меркурію, кадмію тощо), а також сполук арсену, фосфору, ціаністих сполук і радіонуклідів. Метод дозволяє проводити рекуперацію цінних речовин при високому ступені очистки води. Метод іонного обміну (ІО) використовується також для знесолення вод в процесі водоиідготовки. Процес ІО являє собою взаємодію розчину з твердою фазою, яка володіє властивостями обмінювати іони, що містяться в ній на інші, які присутні в розчині. Речовини, які складають тверду фазу, називають іонітами і вони, практично, нерозчинні у воді. Якщо речовина твердої фази володіє здатністю поглинати із розчинів позитивно заряджені іони, то такі речовини називають катіонітами, а якщо негативно заряджені іони - аніонітами. Погли-нювальна здатність іонітів характеризується обмінною ємністю, що визначається кількістю еквівалентів іонів, які поглинаються одиницею ваги (або об'єму) іоніту. Розрізняють повну об'ємну, статичну і динамічну ємності. Повна ємність - це кількість поглинутої речовини при повному наси ченні одиниці об'єму або ваги іоніту. Статична ємність - це об'ємна ємність іоніту до досягнення рівноваги у певних робочих умовах. Динамічна обмінна ємність - це ємність іоніту до "проскоку" іонів у фільтрат, яка визначається в умовах фільтрації. Динамічна ємність менша від статичної. У більшості випадків очистку води методом ІО здійснюють шляхом фільтрування стічної води через шар іоніту. Іоніти (катіоніти та аніоніти) можуть бути як органічної, так і неорганічної природи, а також природного походження і штучні. Іоніти природного походження (гумінові і фульвокислоти, цеоліти, слюди, польові шпати, апатити тощо) відіграють важливу роль у процесах самоочищення водних джерел від катіонів і аніонів, але для очистки стічних вод використовують переважно штучні іонти органічного походження - іонітні смоли. Іонітні смоли мають розвинуту поверхню і складаються із просторового карбонового каркасу (скелету), який називають матрицею, та іонообмінних функціональних груп, які здатні обмінювати іони. Реакція ІО проходить за схемою: - катіоніт: RS03H + NaCl ↔ RS03Na + НС1; -аніоніт: ROH + NaCl ↔ RС1+ Na ОН, де R - матриця. ІО проходить в еквівалентному відношенні і, в більшості випадків, є зворотним процесом. Реакція ІО проходить внаслідок різниці хімічних потенціалів обмінних іонів до встановлення іонообмінної рівноваги. Загалом процес ІО можна представити рівнянням: mА + RmB ↔ mRА + B. Швидкість встановлення рівноваги залежить як від зовнішніх, так і від внутрішніх факторів: гідродинамічний режим рідини, концентрації обмінних іонів, структури зерен іоніту тощо. Процес ІО можна зобразити декількома стадіями: ✓ перенос іонів А із потоку рідини до зовнішньої поверхні прикордонної рідинної плівки, яка оточує зерню іоніту; ✓ дифузія іонів через прикордонний шар; ✓ перехід іону через межу розділу фаз в зерно іоніту; ✓ дифузія іонів А всередині зерна іоніту до іонообмінних функціональних груп; ✓ хімічна реакція подвійного обміну іонів А і В; ✓ дифузія іонів В всередині зерна іоніту до межі розділу фаз; ✓ перехід іонів В через межу розділу фаз на внутрішню поверхню плівки рідини; ✓ дифузія іонів В через плівку рідини; ✓ дифузія іонів В у потік рідини. Швидкість ІО визначається найповільнішою із цих стадій - дифузією в плівці рідини або дифузією в зерні іоніту. Хімічна реакція ІО проходить швидко і не визначає сумарну швидкість процесу. Якщо обмінна реакція описується в загальному вигляді наведеним вище рівнянням, то рівновагу іонообмінних процесів можна виразити наступити формулою:
де КАВ - константа рівноваги; g - концентрація іонів в твердій фазі; С - концентрація іонів в рідкій фазі; Х = С/С0 - безрозмірна концентрація в рідкій фазі; У = g / θ - безрозмірна концентрація в твердій фазі; С1 - загальна "еквівалентна" концентрація іонів в рідині; θ - обмінна ємність іоніту. Значення п знаходиться в межах m і 1. Іоніти при контакті з водою не розчиняються, але поглинають кількість води і набухають. Вони є гелями обмеженого набухання. При набуханні розмір мікропор зростає до 4 нм, а розмір макропор-70-130 нм. Об'єм іоніту при цьому зростає в 1,5-3 рази. Ступінь набухання іонітів залежить від їх будови, природи проти від складу розчину. Набухання впливає на швидкість та повноту обміну іонів, а також на селективність іоніту. Сильно набухаючі іоніти називають желеподібними і вони мають питому обмінну поверхню 0,1-0,2 м2/г, макропористі - до 60-80 м2/г. У деяких випадках для підвищення селективності іонітів до певних іонів металів до складу смоли вводять функціональні групи, які здатні з і металів утворювати комплексні сполуки. Підбором таких функціональних груп можна досягти високої селективності іонітів до певних іонів. Очистка стічної води методом ІО проводиться на установках перервної (рис. 4.14) і безперервної дії, причому, як і в попередніх випадках безперервному процесі очистки постій-но подається новий іоніт, а при періодичній очистці - іоніт насичують обмінними іонами до "проскоку", після чого апарат відключають і регенерують смолу. Іноді проводять період регенерацію іоніту. З рис. 4.14 видно, що стічна вода потрапляє всередину апарату, проходить шар іоніту і виходить через розподільник (6). Після цього подасться промивна вода, а далі - регенеруючий розчин. Отже, цикл роботи установки складається з таких стадій: 1) іонний обмін; 2) відмивання Іоніту від механічних домішок; 3) регенерація іоніту; 4) відмивання іоніту від регенеруючого розчину. Робота такої установки може бути інтенсифікована шляхом використання апаратів з киплячим шаром іоніту.
Недоліками установок періодичної дії є великі об’єми апаратів, значні витрати реагентів, велике одночасне завантаження іоніту, складність автоматизації процесу. Безперервний процес ІО дозволяє зменшити витрати смоли, реагентів для регенерації, промивної води, а також використовувати більш компактне обладнання порівнянно з періодичним ІО. Колони безперервної дії можуть працювати як з рухомим шаром іоніту, так і і киплячим (псевдорідженим) шаром. В цих апаратах спостерігається протитечійний рух стічної води та іоніту. Для регенерації іоніту використовують колони з рухливим шаром, або пневмопульсаційні колони. При регенерації іонітну смолу промивають розчином солі з однойменним іоном, якиіі міститься у функціональній іонообмінній групі.
|