Ионообменная смола — это полимерное соединение, нерастворимое в кислотах, щелочных растворах и органических растворителях. Она обладает высокой физической и химической стабильностью и является важным материалом, применяемым в водоподготовке, химическом и биологическом разделении и других областях. Принцип её действия заключается в том, что ионогенные функциональные группы смолы вступают в химическое взаимодействие с ионами в растворе, обеспечивая тем самым разделение и очистку ионов.
Строение
В состав ионообменной смолы обычно входят углерод, водород, кислород, азот и сера. Структурными элементами являются полимерный каркас, привитые к нему функциональные группы и подвижные (обменные) ионы в составе этих групп. Полимерный каркас представляет собой трёхмерную пространственную сетчатую структуру из взаимосвязанных и переплетённых полимерных цепей; сам каркас в реакциях ионного обмена не участвует. На цепях закреплены заряженные функциональные группы, а противоположно заряженные ионы при них называются обменными ионами или противоионами. Полимерный каркас и функциональные группы лишены подвижности, тогда как противоионы способны диссоциировать в растворе в свободно перемещающиеся ионы. Способность при определённых условиях обмениваться с другими внешними противоионами того же знака заряда, а также обратимость процессов диссоциации и десорбции и определяют ионообменные свойства смолы.
Зачем нужна смола?
Избыточная жёсткость воды создаёт серьёзные неудобства во многих отраслях. Так, в хозяйственно-питьевом водоснабжении повышенная жёсткость ухудшает вкус питьевой воды, а в тяжёлых случаях сказывается на здоровье человека. В системах питания котлов ионы жёсткости образуют накипь, что не только ведёт к перерасходу топлива, но и создаёт риск аварии. В сфере опреснения морской воды присутствуют не только значительные количества Na⁺, K⁺, Cl⁻, CO₃²⁻ и SO₄²⁻, но и высокие концентрации Ca²⁺ и Mg²⁺; без надлежащей обработки они выпадают в осадок в большом объёме и вызывают необратимое накипеобразование внутри системы, снижая коэффициент извлечения (выход фильтрата) и стабильность работы, а значит — повышая эксплуатационные расходы. Поэтому как с точки зрения безопасности хозяйственно-питьевой воды, так и с точки зрения защиты опреснительных систем от загрязнения и отложений, поддержание жёсткости воды в заданных пределах является необходимым.
Процесс умягчения воды и регенерации смолы
Обменные ионы катионита, применяемого для умягчения воды, — это, как правило, Na⁺ и H⁺, которые способны вступать в реакцию с ионами Ca²⁺ и Mg²⁺ в растворе. Рассмотрим катионит в Na-форме: в растворе при комнатной температуре и невысокой концентрации, ввиду более сильного сродства Ca²⁺ (или Mg²⁺) к катиониту, реакция идёт вправо — ионы Na⁺ в смоле последовательно замещаются ионами Ca²⁺ (или Mg²⁺) вплоть до достижения равновесия. Когда же концентрация Na⁺ в растворе становится высокой (то есть к смоле добавляют насыщенный раствор поваренной соли или раствор HCl), реакция протекает в обратном направлении — влево: ионы Ca²⁺ (или Mg²⁺) последовательно десорбируются из смолы, и происходит её регенерация.
Расчёт цикла регенерации смолы
Цикл регенерации смолы — это время работы, по истечении которого ионообменная смола постепенно теряет адсорбционную способность и достигает состояния насыщения. На продолжительность цикла регенерации влияет множество факторов: расход воды, общая жёсткость, выбор смолы и др.
Объём загрузки смолы рассчитывают исходя из объёма бака умягчителя; обычно он составляет от 60 % до 90 % высоты бака.
Цикл регенерации определяется по следующей формуле:
Объём воды, производимый за цикл, можно найти как:
- H — цикл регенерации (ч)
- Q c — объём воды за цикл (м³)
- V — объём смолы (м³)
- C — рабочая обменная ёмкость (ммоль/л)
- Q — расход на входе (м³/ч)
- W — общая жёсткость воды (ммоль/л)
Например, при Q = 40 м³/ч; V = 2 м³; C = 800 ммоль/л; W = 5 ммоль/л получаем H = 2 × 800 ÷ (40 × 5) = 8 ч, а Q c = 2 × 800 ÷ 5 = 320 м³.
Расход соли на регенерацию
После истощения смолу необходимо регенерировать соответствующим реагентом — солью, кислотой или щёлочью, — чтобы восстановить её рабочую ёмкость. Регенерационную способность смолы обычно оценивают по расходу регенеранта и удельному расходу регенеранта. Расход регенеранта = удельный расход регенеранта × молярная масса, поэтому расход соли за цикл = удельный расход регенеранта × молярная масса (г/моль) × рабочая обменная ёмкость (моль/л) × объём загрузки смолы (л).
Подобрать оборудование под ваш анализ воды помогут инженеры АВТ ОСМОС — оставьте заявку.
