Метод очистки воды при помощи ионного обмена основан на замещении одних ионов, связанных с функциональными группами ионообменного материала, на другие. При этом происходит извлечение из воды нежелательных ионов, которые в результате переходят в фазу ионообменного материала и химически связываются с ней, а в водную фазу переходят ионы, не представляющие опасности для здоровья человека. Этот способ подходит для очистки воды от ионов тяжелых металлов и обессоливания. В настоящее время в сфере водоподготовки существует большой ассортимент ионообменных материалов, что позволяет применять метод ионного обмена для эффективного удаления широкого спектра химических загрязнителей. Кроме того, применение специальных ионообменных материалов позволяет селективно извлекать из растворов определенные целевые компоненты (различные тяжелые металлы и нежелательные анионы). При реализации процесса очистки методом ионного обмена вода пропускается через иониты – нерастворимые твердые полимеры, в состав которых входят функциональные группы, способные к обмену ионами с электролитами.
В зависимости от функциональных свойств ионитов различают следующие их типы.
Катиониты. У ионитов данного типа функциональные группы обладают кислотными свойствами, т. е. они способны к ионному обмену с положительно заряженными ионами – катионами. Регенерацию катионитов (т. е. восстановление их способности к поглощению катионов загрязняющих веществ) проводят с помощью обработки растворами сильных кислот. В зависимости от свойств функциональных групп катиониты могут быть сильно- и слабокислотными. Первые содержат в качестве функциональных групп остатки сильных кислот, которые способны к полной диссоциации в водном растворе. Ионный обмен на катионитах этого типа может происходить в щелочной, кислой и нейтральной средах. Вторые содержат остатки слабых кислот, которые способны к частичной диссоциации в растворе. Катиониты этого типа эффективны только в воде с нейтральным или щелочным рН.
Аниониты. Аниониты способны к обмену с отрицательно заряженными частицами раствора – анионами. В зависимости от свойств функциональных групп анионитов выделяют сильно-, слабо- и среднеосновные подтипы. Иониты первого типа могут обменивать ионы в средах с нейтральной, щелочной и кислой реакцией. Аниониты второго типа способны к ионному обмену только в условиях нейтральных и кислых сред. Аниониты третьего типа содержат функциональные группы, характерные как для сильно-, так и слабоосновных анионитов и в зависимости от рН раствора могут проявлять способность к сорбции разных типов анионов.
Полиамфолиты. Иониты данного типа сочетают в себе свойства катионитов и анионитов и способны к обмену с водным раствором как катионами, так и анионами.
ФОРМЫ, В КОТОРЫХ МОГУТ ПРИМЕНЯТЬСЯ ИОНООБМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Смолы. Материалы данного типа представляют собой высокомолекулярные соединения с трехмерной пространственно-сшитой пористой структурой, выпускаемые в форме твердых нерастворимых сферических гранул размером от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров.
Волокна. Материалы данного типа также представляют собой пространственно-сшитые трехмерные полимерные структуры, но выпускаемые в форме тонких волокон с диаметром сечения от нескольких до десятков микрометров.
Полотна. Являются неткаными материалами, т. е. состоят из ионообменных волокон или нитей, соединенных между собой без применения методов ткачества.
Применение ионообменных материалов в той или иной форме определяется в каждом конкретном случае, исходя из поставленных задач и условий эксплуатации.
ПРИНЦИПЫ ИОННОГО ОБМЕНА. КАКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОЖНО УДАЛИТЬ ПРИ ПОМОЩИ ИОННОГО ОБМЕНА
Метод очистки с применением технологии ионного обмена используется для удаления из раствора катионов, обуславливающих жесткость воды, таких как кальций, магний, железо, катионов тяжелых металлов, а также с целью декарбонизации воды (удаления гидрокарбонат-ионов за счет их перевода в слабую угольную кислоту с последующим разложением до углекислого газа и воды). На поверхности ионита находятся функциональные группы (остатки кислот или оснований), заряд которых компенсируется расположенными вблизи противоионами, слабо связанными с функциональными группами. В процессе ионного обмена происходит замещение безопасных противоионов, изначально находящихся рядом с функциональными группами в фазе ионита, на ионы загрязняющих веществ того же знака заряда (положительного или отрицательного), поступающие из воды, которая подвергается очистке. При этом ионы загрязнителей для того, чтобы связаться с функциональными группами ионита и быть удаленными из воды, должны сначала проникнуть сквозь пленку раствора, окружающего гранулу ионита, после чего войти в его поры, а оказавшись внутри, устремиться к соответствующей функциональной группе и связаться с ней посредством химической связи. При обессоливании воды из смеси удаляются и катионы, и анионы посредством последовательного прохождения через катионообменные и анионообменный смолы (катиониты и аниониты).
