Ионообменные смолы
Опубликовано: 09 июня 2010 г.
799
Ионный обмен – один из самых распространенных способов умягчения и обессоливания воды. Он предусматривает замену растворенных в воде ионов на ионы специальных веществ – ионитов, через которые она пропускается.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Классификация, достоинства и недостатки
По свойствам ионогенных групп иониты делятся на аниониты, катиониты, амфолиты и селективные иониты. Аниониты обмениваются отрицательно заряженными ионами (анионами), катиониты – положительно заряженными ионами (катионами). Амфолиты используют там, где, в зависимости от условий, ионит должен работать как анионит или как катионит. Селективные иониты преимущественно выделяют из воды ионы какого-то определенного вещества или группы веществ. Обычно их используют для очистки воды от тяжелых металлов или радионуклидов.
Основными характеристиками ионитов являются обменная емкость, селективность, осмотическая стабильность, механическая прочность, химическая, термическая и радиационная стойкость. Обменная емкость количественно характеризует способность ионита отдавать ионы и сорбировать их из раствора. Она бывает полной, динамической и рабочей. Селективностью называют способность ионита забирать из раствора только ионы определенных веществ. Осмотическая стабильность – способность зерен ионита сопротивляться «осмотическому шоку» или напряжению, возникающему из-за того, что при изменении состава рабочей среды внешний слой частицы ионита расширяется или сжимается быстрее, чем ее ядро.
Неорганические иониты бывают природными (цеолиты, глины, соли поливалентных металлов и др.) и синтетическими. Большинство из них – катиониты, отличающиеся высокой термической и радиационной стойкостью, поэтому их используют при решении достаточно специфических задач, например, для очистки сточных вод от радиоактивных веществ. По остальным основным характеристикам (обменная емкость, скорость обмена, химическая стойкость и т.д.) они сильно уступают органическим ионитам.
Самыми распространенными органическими ионитами являются так называемые ионообменные смолы. Их получают путем полимеризации или поликонденсации различных органических веществ. Ионообменные смолы, полученные методом полимеризации, выпускаются в виде небольших шариков диаметром от 0,6 до 3,0 мм. Поликондесационные смолы представляют собой частицы неправильной формы с размером от 0,4 до 2 мм. Ионообменные смолы могут быть гелевыми или макропористыми. Первые из них функционируют только в набухшем состоянии, но обладают высокой объемной емкостью. Вторые характеризуются высокой механической прочностью, осмотической стабильностью и улучшенной кинетикой обмена.
Аниониты бывают сильно- (ионообмен происходит при рН от 0 до 14), средне- (рН от 0 до 5) и слабоосновными (рН от 0 до 7). В свою очередь катиониты делятся на сильно- (ионообмен происходит при рН от 1 до 14), средне- (рН от 3 до 14) и слабокислотные (рН от 6 до 14).
Сегодня в мире производятся десятки марок ионообменных смол. Кроме водоподготовки, их широко применяют в фармацевтике, пищевой и атомной промышленности, для обработки конденсата, катализа органических реакций в водных и неводных средах и т.д.
Если при восстановлении ионита регенерирующий раствор протекает через слой смолы в том же направлении, что и очищаемая жидкость, такая регенерация называется прямоточной, а в противоположном – противоточной. Осуществить прямоточную регенерацию проще, однако ее проведение требует больше регенерирующих веществ. Кроме того, часть сорбируемых ионов может попасть в нижние слои смолы, что приводит к снижению качества очистки воды.
Первые фильтры, использующие противоточную регенерацию, разработаны компанией Bayer еще 1960-х и назывались: Rinsebett (очищаемая вода движется сверху вниз, а регенерация ионита происходит снизу вверх); Liftbett и Schwebebett (очищаемая вода движется снизу вверх, а регенерация происходит сверху вниз). В последствии они были усовершенствованы и сегодня известны как Amberpack и Purepack. Другой распространенной схемой с противоточной регенерацией стала технология UPCORE, созданная компанией Dow Chemical.
В этих системах используются так называемые монодисперсные смолы, отличающиеся высокой однородностью размеров гранул: у 90 % из них отклонение размеров от заявленного среднего значения не превышает 10 %. Они создают более низкое гидравлическое сопротивление, чем обычные (полидисперсные) смолы с гранулами аналогичных размеров. Их использование для умягчения и обессоливания воды позволяет снизить расход реагентов, используемых при регенерации, на 10–20 %, сократить время регенерации и промывки, уменьшить количество химически активных стоков. Гранулы таких ионитов отличаются высокой механической прочностью, осмотической стабильностью и, соответственно, более длительным сроком службы.
Российский рынок ионообменных смол
Согласно некоторым оценкам, ежегодно российские предприятия потребляют около 15 тыс. т ионообменных смол. На долю отечественной продукции приходится только 20 % рынка органических ионитов. Остальные смолы в Россию поставляют американские, западноевропейские, украинские, китайские и индийские компании.
В Советском Союзе органические иониты широко использовались в ядерной энергетике, и их разработке уделялось достаточно много внимания. Так, еще в 1970-е годы был налажен массовый выпуск катионита КУ-2-8, который по качеству соответствовал лучшим мировым аналогам и до сих пор широко используется при подготовке воды. После распада СССР большая часть заводов, выпускающих ионообменные смолы, прекратила свое существование. Сегодня наиболее крупными отечественными производителями смол являются, например, такие предприятия, как ПО «Токем», КОАО «Азот» и «Уралхимпласт». В основном, их продукция используется в энергетике. По некоторым данным, отечественные смолы применяются для умягчения и обессоливания воды примерно на 50 % российских энергетических установок. В свою очередь предприятие «Уралхимпласт» поставляет в США анионит АН-31, используемый при производстве мембран.
Для подготовки воды в бытовом секторе иониты отечественного производства практически не применяются. Это связано с содержанием в них большого количества посторонних примесей, так называемого органического смыва. Единственным исключением является катионит КУ-2-8чс («чс» – чистый), ограниченно используемый для умягчения воды в пищевой промышленности. Монодисперсные смолы в России в настоящий момент не производятся.
Ионообменные смолы западных производителей представлены на российском рынке, например, продукцией компаний Lanxess (Германия), Dow Chemical, Rohm & Haas (США), Purolite (Великобритания) и др. Разница в стоимости импортных и отечественных ионитов может составлять от 20 до 200 %. В то же время западные производители предлагают потребителю очень широкий ассортимент смол, которые могут быть использованы для решения самых различных технических задач. Достаточно сказать, что одна компания Dow Chemical производит около 30 марок только сильнокислотных катионитов, в то время как всеми российскими предприятиями освоен выпуск не более 20 видов смол (в промышленных объемах из них выпускается только семь марок). Еще одно важное преимущество западных производителей – наличие в их ассортименте монодисперсных смол.
На Украине ионообменные смолы выпускают ОАО «Азот» (Черкассы) и ГП «Смолы» (Днепродзержинск). Поскольку производимые ими иониты разработаны еще в Советском Союзе, по своим характеристикам они практически не отличаются от смол отечественного производства. Достаточно широкий ассортимент органических ионитов предлагают китайские производители. По качеству они сопоставимы с другими зарубежными, в основном, полидисперсными аналогами. Наиболее полно на российском рынке Китай представлен смолами марки «Гранион» (Jangsu Suqing). Сегодня большинство китайских фирм (Taiyuan Resin Factory, Kingland Chemicals Company Limited и др.) ориентировано на очень емкий, не насыщенный до конца внутренний рынок и почти не занимаются продвижением своей продукции в России. Тем не менее многие эксперты считают, что доля китайских ионообменных смол на российском рынке будет расти. Предлагаются в нашей стране и индийские смолы, в частности, продукт марки Tulsion, выпускаемый компанией Thermax. Обзор некоторых ионообменных смол, присутствующих на российском рынке, представлен на с. 38.
Ионитами называют твердые, нерастворимые в воде вещества, содержащие так называемые ионогенные группы, или соединения, диссоциирующие на ионы. При соприкосновении ионита с раствором, его ионы будут легко замещаться на ионы растворенных в воде веществ.
Материал опубликован в журнале «Аква-Magazine», #4 (9) 2008