Іонний обмін є одним з ефективних методів видалення з води аніонів та катіонів. Це одна з найважливіших стадій очищення, яка використовується як етап попереднього очищення, так і для отримання води очищеної.
Іонний обмін заснований на використанні іонітів - сітчастих полімерів різного ступеня зшивання, гелевою мікро- або макропористою структури, ковалентно пов'язаних з йоногенних групами (рис.1):
Мал. 1. Загальний вигляд іонітів, використовуваних в іонообмінних смолах.
Дисоціація цих груп у воді або в розчинах дає іонну пару - фіксований на полімері іон і рухливий противоион, який обмінюється на іони однойменного заряду (катіони або аніони) з розчину. При хімічному обессоливании обмін іонів є оборотним процесом між твердою і рідкою фазами. Включення до складу смол різних функціональних груп призводить до утворення смол вибіркової дії.
Іонообмінні смоли діляться на аніонообмінні і катіонообмінні. Катіонообмінні смоли містять функціональні групи, здатні до обміну позитивних іонів, аніонообмінні - до обміну негативних (рис. 2):
Рис.2. Принцип іонного обміну
Смоли можуть бути додатково розділені на 4 основні групи: сильнокислотную, слабокислотні катіонообмінні смоли і сильноосновні і слабоосновние аніонообмінні смоли.
Існує два типи іонообмінних апаратів, як правило, стовпчик:
- З роздільним шаром катіоніту і аніоніти;
Апарати першого типу складаються з двох послідовно розташованих колон, перша з яких по ходу оброблюваної води заповнена катионитом. а друга - анионитом (рис.3). Апарати другого типу складаються з однієї колони, заповненої сумішшю цих іонообмінних смол.
Мал. 3. Принцип роботи ионообменной установки
Примітка: катионит регенерується хлористоводневою кислотою; анионит - гідроксидом натрію.
Перевагами іонного обміну є малі капітальні витрати, простота, відсутність принципових обмежень для досягнення великих производительностей.
Використання методу іонного обміну доцільно в технологіях водопідготовки при слабкої мінералізації води: нижче 100 200 мг / л солей, тому що вже при помірній (близько 1 г / л зміст солей) для очищення 1 м 3 води буде необхідно затратити 5 л 30% розчину соляної кислоти і 4 л 50% розчину лугу.
Смоли мають ряд суттєвих недоліків, які ускладнюють їх використання:
- Більшість іонообмінних смол має низьку гидрофильностью, що обумовлює малу швидкість дифузії іонів всередину гранул смоли і низьку швидкість сорбції і десорбції;
- На практиці іонообмінні смоли застосовуються у вигляді гранул, злежування яких в колонці під час процесу сорбції викликає необхідність проведення примусового розпушування призводить до поступового механічного руйнування гранул в процесі експлуатації;
- Іонообмінні смоли вимагають частої регенерації для відновлення обмінної здатності.
Регенерація іонообмінних смол проводиться як правило розчинами кислоти хлористоводневої (для Н + форми) і натрію гідроксиду (для ОН - форми). На якість регенерації впливає вибір регенеруючого розчину, тип іонообмінної смоли. швидкість, температура, чистота, тип і концентрація регенеруючого розчину, час його контакту з іонітами.
Для приготування розчинів кислоти хлористоводневої і натрію гідроксиду, їх зберігання та захисту персоналу від можливих витоків, необхідні спеціальні ємності.
У процесі регенерації утворюється велика кількість сильно кислих і сильно лужних промивних вод, які повинні піддаватися нейтралізації перед скиданням в систему стічних вод.
Системи іонного обміну вимагають попереднього очищення від нерозчинних твердих частинок, хімічно активних реагентів (хлору в потоці води, щоб уникнути забруднення смоли і погіршення її якості.
Ионообменная технологія забезпечує класичне знесолення води і являетсяекономічной системою при отриманні води очищеної. Дана технологія дозволяє отримувати воду з дуже низьким показником питомої електропровідності. Однак при тривалому використанні ионообменников може спонтанно виникнути проблема зростання мікроорганізмів. Для зниження мікробної контамінації використовуються УФ-лампи, постійна рециркуляція води в петлі розподілу, зведення до мінімуму або взагалі виключення перерв в роботі обладнання. Оскільки даний метод не забезпечує мікробіологічної чистоти через використання іонообмінних смол. тому його використання для отримання води очищеної доцільно в поєднанні зі стерилизующей (0,22 мкм) мікрофільтрації.