Ионообменные смолы - общее название синтетических полимерных твердых шариков миллиметрового диаметра, которые содержат отрицательно или положительно заряженные центры, способные притягивать ионы противоположного заряда из воды или раствора.
В подавляющем большинстве состоят из сополимера стирола и дивинилбензола, хотя могут использоваться и другие композиции: метакриловая кислота-дивинилбензол и фенолформальдегидные полимеры.
Ионообменные смолы имеют еще одно сокращенное наименование - иониты и применяются в качестве засыпки в фильтры различных объемов от небольших исследовательских (1 см3) до огромных (25 м3) для очистки воды от ионов примесей в процессах водоподготовки на промышленных и энергетических объектах.
Внешний вид ионообменных смолИонообменная смола выглядит как полупрозрачные шарики размером от десятых долей до 1,5 миллиметров в диаметре. Цвет ионообменной смолы может быть белым, желтым и коричневым, но в большинстве случаев это многообразные однотонные комбинации этих цветов.
Если гранулу смолы рассмотреть под микроскопом, то можно найти сходство с клубком спагетти, состоящего из чрезвычайно пористой скелетной структуры или матрицы. Сополимер стирола является каркасным материалом, дивинилбензол - сшивающим. Наибольшее распространение получила сшивка 8 или 10%, причем чем он выше - тем прочнее ионообменная смола. На ощупь горсть смолы слегка влажная и не рассыпается.
Важно понимать, что ионообменные смолы — это не химический реактив или реагент, а физическая среда в которой происходит ионный обмен.
Классификация ионообменных смол
Ионообменные смолы в зависимости от заряда задерживаемых и отдаваемых ионов делятся на 2 основных вида:
- Катионит (катионообменная смола)
- Анионит (анионообменная смола)
Катионит
Катиониты обменивают ионы с положительным зарядом. Наилучший пример: ионы кальция (Ca++) в воде обменивается на ионы натрия (Na+) на ионите. Делятся на сильнокислотные и слабокислотные.
Сильнокислотный катионит
Является самым распространенным видом ионообменной смолы. Сильнокислотные катиониты включают группу сульфоновой кислоты (HSO3?). Работают в кислой, нейтральной и щелочной среде в диапазоне pH 0-14. Может нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты. Максимально эффективен при полном удалении ионов жесткости.
Слабокислотный катионит
Характеризуется очень высокой ионообменной емкостью. Слабокислотные катиониты включают карбоксильные группы (-COOH). Работают в нейтральной и щелочной среде в диапазоне pH 6-14. Способны нейтрализовать сильные основания. Имеет высокую стойкость к окислению и механическую прочность. Максимально эффективен для работы с содержащими воду окислителями, такими как перекись водорода, хлор и т.д.
Анионит
Аниониты обменивают ионы с отрицательным зарядом. Например, ион нитрата (NO3-) замещают гидроксид ионом (ОН-). Делятся на высокоосновные и низкоосновные.
Высокоосновной анионит
Высокоосновные аниониты содержат четвертичные аммониевые группы. Работают в кислой, нейтральной и щелочной среде в диапазоне pH 0-14. Могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в их соответствующие основания. Предназначен для деминерализации, деалкализации и обессоливания, помимо того, что они используются для удаления общего органического углерода (TOC) и других органических веществ. Высокоосновной анионит бывает 2 типов.
Смолы типа I имеет три метильные группы. Смола типа I обладает большей стабильностью, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот.
Смолы типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой. Смолы типа II обеспечивают большую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого химического реагента.
Низкоосновной анионит
Низкоосновные аниониты содержат первичные, вторичные и третичные аминогруппы. Работают в кислой и нейтральной среде в диапазоне pH 1-7. Способны нейтрализовать сильные кислоты. Максимально эффективен для адсорбции кислоты, для удаления хлорида, сульфата, нитрата и других анионов, связанных с сильной кислотой.
Как ионообменная смола работает
Принцип работы ионообменной смолы основан на законе ионного обмена. Ионный обмен - обратимый процесс, при котором происходит обмен нежелательных ионов с определенным зарядом желаемыми ионами того же заряда в растворе.
Рассмотрим принцип работы ионообменной смолы на примере самой распространенной: сильнокислотного катионита и самого распространенного процесса: умягчения (снижение жесткости) воды.
Этот процесс применим и к остальным типам ионитов, только будут другие целевые ионы. Ионный обмен не является поверхностным явлением - 99 процентов ионного обмена происходит внутри шарика ионита. Минеральные соли разлагаются на ионы в водных растворах и могут свободно обмениваться с ионами аналогичного заряда. Они подвижны и могут свободно перемещаться. Поверхность полистирольных нитей смолы имеет прикрепленные отрицательно заряженные функциональные группы, которые притягивают свободные положительно заряженные ионы.
Ионы жесткости (кальций и магний) поступают в фильтр и проходят через слой ионита, прикрепляясь к функциональным группам и выбивая ионы натрия. Умягчители воды работают, потому что этот процесс обратим. Важно понимать, что пока смола не истощена, все ионы, поступающие с водой, окажутся на смоле, а все ионы на смоле будут выбиты в раствор H2O, т.е. обменены.
Что такое регенерация ионообменной смолы
Перезарядка или регенерация ионообменной смолы раствором реагента
Ионообменные смолы имеют конечную обменную емкость и при истощении удерживают конечную массу ионов жесткости в умягчителе. Они больше не могут обменивать ионы, так как истощены и необходимо перезарядить или регенерировать, чтобы восстановить до исходного рабочего состояния.
Вещества, используемые для этого, могут включать хлорид натрия, а также соляную кислоту, серную кислоту или гидроксид натрия и называются регенерирующим раствором.
Чтобы очистить смолу от ионов жесткости, необходимо провести регенерацию - промыть шарики смолы объемом солевого раствора (8-10%). Во время цикла регенерации ионообменная реакция по существу меняется на противоположную за счет применения концентрированного раствора регенерата.
Регенерирующий раствор NaCl поступает в умягчитель до тех пор, пока масса рассола не пройдет через смолу и не вытеснит эквивалентное количество ионов жесткости.
Смола теперь находится в равновесном состоянии. После этого необходимо запустить процесс промывки и ионит вновь готов к работе.
