Ионообменный метод устранения жесткости

Ионитами называют органические и неорганические вещества, прак­тически нерастворимые в воде, содержащие группы с подвижными иона­ми, способные обменивать их на ионы, содержащиеся в воде, включая ио­ны жесткости.

Существуют, в основном, два типа ионитов: катиониты (обмени­вающие катионы) и аниониты (обменивающие анионы).

В настоящее время известны следующие иониты:

1. Неорганической природы - катиониты, например, цеолиты. Это
алюмосиликаты, т.е. минералы состава Ме₂О; Al₂O_3*SiO_2*nH₂O,

где Me - Na (реже - К); иногда имеются примеси CaO, BaO, SrO; m=l-2;

n-от2до 14. К ним относятся:

а) глины, одной из разновидностей которых является каолинит -
Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O;

б) искусственные алюмосиликаты, или пермутиты, общей формулы
K₂O*Al₂O₃*2SiO_2*nH₂O.

2.Органической природы - катиониты, например, целлюлоза, сульфированные угли, гудроны; синтетические ионообменные смолы - катио­ниты и аниониты; гумусовые вещества почвы - амфотерные иониты.

3.Искусственные иониты специального назначения (в основном,
мембраны). К ним относят фторорганические полимеры или нафионы, по-
лисилоксановые полимеры, металлические газоразделительные мембраны.

Катиониты имеют в макромолекуле полимера группы с подвижными атомами водорода - кислотные группы, которые различаются по типу на группы с сильно выраженными кислотными свойствами:

-SO₃H (сульфогруппа), -РО_зН₂ (фосфогруппа) и слабо выраженными кислотными свойствами:

-СООН (карбоксильная группа),

-ОН (фенольный гидроксил )

Катиониты можно представить общей формулой - R-H,

где R - высокомолекулярный радикал (фрагмент полимерной цепи), свя­занный с кислотной группой.

Такая форма катионита называется Н-катионитом.

Однако на практике выпускаемые промышленностью Н-катиониты часто переводят в их натриевые соли (чем это вызвано, поясним ниже). Та­кой Na катионит можно представить формулой R-Na.

Процесс устранения жесткости воды методом ионитной очистки можно описать следующими уравнениями:

2R-Н+Са(НСОз)2=R2-Са+Н₂СОз

/\

Н₂О СО₂

2R-H+MgCl₂=R₂-Mg+2HCl

В последнем случае устранение жесткости сопровождается образо­ванием сильной соляной кислоты, которая будет вызывать коррозию труб и других металлических конструкций. Чтобы избежать этого, лучше ис­пользовать Na-катионит:

2R-Na+MgCl₂=R₂-Mg+2NaCl

2R-Na+CaSO₄=R₂-Ca+Na₂SO₄

Можно добиться полного обессоливания воды, применяя, наряду с катионитами, аниониты. Аниониты можно представить общей формулой -R-OH, где R - высокомолекулярный радикал. Аниониты имеют основной характер и обменивают входящие в их состав гидроксил-ионы -ОН на анионы кислот, например, на СГ, SO₄^2-, HCO ₃. К анионитам с сильно вы­раженными основными свойствами следует отнести полимеры на основе алифатических четвертичных аммониевых оснований - [R₄N]OH.

Для полного обессоливания воду пропускают сначала через катионит, а затем - через анионит. Протекающие при этом процессы ионного обмена можно представить уравнениями:

2R-H+MgCl₂=R₂-Mg+2HCl,

2R-H+CaSO₄=R₂-Ca+H₂SO₄ .

Пройдя через катионит, вода освободилась от ионов Са²⁺ и Mg²⁺, a затем - ионный обмен с анионитом и освобождение от кислотных остатков:

R-OH+HC1=R-C1+H₂O,

2R-OH+H₂SO₄=R₂-SO₄+2H₂O,

Очищенную воду собирают вемкость или подают непосредственно в производство.

В процессе работы ионитыпостепенно теряют свою активность, и их необходимо регенерировать. Для этого через отработанный катионит про­пускают (в зависимости от используемой формы) концентрированный рас­твор НС1 или NaCl:

R₂-Ca+2HCl=2R-H+CaCl₂ ,

R_rMg+2NaCl=2R-Na+MgCl₂ ■

При этом ионы Са²⁺ и Mg²⁺ выходят в раствор, а катионит вновь насыщает­ся ионами H^- или Na⁺.

Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щелочи или соды (раствор соды вследствие гидролиза имеет щелочную реакцию):

R₂ S0₄+2Na0H=2R-0H+Na₂S0₄ .