ОЧИСТКА И ОБЕССОЛИВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД ИОННЫМ ОБМЕНОМ

Очистка и обессоливание сточных вод ионным обменом - удаление из сточных вод токсичных неорганических и органических примесей посредством гетерогенной химической реакции двойного обмена между ионами на твердом зерне ионообменного материала и раствора.
Ионный обмен — универсальный процесс, обеспечивающий удаление ионизированных токсичных примесей до любой заданной концентрации. Он осуществляется с помощью синтетических ионообменных смол, представляющих собой практически нерастворимые в воде и растворах электролитов полимерные вещества, имеющие подвижный ион (катион или анион), способный вступать в реакцию обмена с ионами того же заряда, находящегося в растворе. При положительном заряде подвижных ионов, фиксированных на матрице, ионит обменивает катионы. Такие иоииты называют катионитами. При отрицательном заряде фиксированном на матрице ионов иониты обменивают анионы и называют анионитами. Иониты выпускают в виде гранул размером 0,2—2 мм. По степени ионизации групп иониты делят на: сильнокислотные катиониты, содержащие, например, сульфогруппы, остатки фосфорной или фосфориновой кислот (сульфокатиониты КУ-2, КУ-2-20, КУ-23); слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные, сульфогидрильные, оксифенильные группы (КБ-2, КБ-4); сильноосновные аммониты (АВ-16, АВ-17, АВ-29), имеющие группы аммониевых или сульфониевых оснований; слабоосновные аниониты (АН-2ФН, АН-18, АН-22, АА-31, АА-251), содержащие аминогруппы различной степени замещения; аниониты промежуточной основности (ЭДЭ-10П). Одной из основных характеристик ионитов является обменная емкость. Различают полную обменную емкость — емкость иоиита до полного насыщения, статическую (или равновесную) обменную емкость, динамическую обменную емкость и рабочую обменную емкость — емкость ионита в динамических условиях при определенной степени регенерации до проскока в фильтрат извлекаемых ионов в заданных концентрациях. Обменная емкость ионитов выражается в единицах массы сорбируемых веществ, отнесенных к массовой или объемной единице ионита (г/кг, кг/м , мг-экв/г, г-экв/м2), либо в процентах извлекаемого вещества от массы воздушно-сухого ионита. Наиболее часто рабочая обменная емкость ионитов в технологических расчетах ионообменных установок выражается в эквивалентах (г-экв/м2). Обменная емкость сильнокислотных анионитон и сильноосновных анионитов по отношению к различным ионам остается постоянным в широком диапазоне значений рН. Емкость слабокислотных катионитов и слабоосновных анионигов в сильной степени зависит от величины обрабатываемого раствора, максимальна для слабокислотных катионитов в щелочных средах, а для слабоосновных анионитов — в кислых средах.
Иониты смет, типа в обменных реакциях проявляют свойства сильной и слабой кислот (катиоиит КУ-1) или сильного и слабого основания (аниониг ЭДЭ-10П). При контакте с водой и растворами электролитов происходит набухание ионитов и увеличение их объема (обычно в 1,5—2 раза). Большинство ионитов выпускается и хранится во влажном состоянии или под слоем воды, в связи с чем в зимнее время они должны находиться в отапливаемых помещениях. Высохший ионит для приведения в рабочее состояние рекомендуется выдерживать в течение 20—25 часов в 20%-ом растворе хлорида натрия. Изменение объема большинства ионитов происходит и при переходе из рабочего (для катионитов в Н+- или Ма+-, для анионитов в ОН-форме) состояния в солевое, которое составляет для ионитов гелевой структуры 10—15, а макропористой 7—10%. Характерной особенностью ионитов, важной для их практического применения в технологии очистки и обессоливания сточных вод, является способность к обратным реакциям, что дает возможность регенерации отработанных (насыщенных) ионитов, десорбции из них сорбированных ионов.
При проектировании ионообменных установок предусматривают следующие процессы — перед поступлением на ионообменную установку сточной воды удаление из нее взвешенных веществ, нефтепродуктов и других органических примесей, сильных окислителей (например, хроматов); ионирование сточной воды — извлечение из нее катионов и анионов при контакте с катионитом и анионитом; взрыхление отработанного ионита перед регенерацией; регенерацию ионитов — десорбцию задержанных катионов и анионов, восстановление рабочего состояния ионита; послерегенерационную отмывку ионитов от компонентов регенерационных растворов; дополнительную обработку очищенной или обессоленной воды в соответствии с требованиями потребителя; обезвреживание, переработку, ликвидацию элюатов, образующихся при регенерации ионитов.
Для неполного обессоливания при отсутствии в сточных водах анионов слабых кислот или воды, содержащей указанные анионы, рекомендуются схемы одноступенчатого Н-катионирования и одноступенчатого ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита. Для более глубокой очистки или обессоливания сточной воды схема установки должна включать одно-двухступенчатое Н-катионирование и двухступенчатое ОН-анионирование с использованием как на I, так и на II ступенях катионирования сильнокислотного катионита, на I ступени анионирования — елабоосиовного и на II ступени — сильноосновного анионитов. При наличии в сточных водах большого количества углекислоты и ее солей для предотвращения быстрого истощения емкости сильноосновного анионита после Н-катионирования вода подвергается дегазации в специальных дегазаторах. Удаление углекислоты из Н-катионированной воды производится в дегазаторах с загрузкой из колец Рашига, с деревянной хордовой насадкой или в других аппаратах. В состав установки по ионообменной очистке сточных вод, как правило, включаются сооружения предочистки от механических примесей на кварцевых фильтрах и от органических загрязнений на сорбционных фильтрах, загружаемых активными углями. В ряде случаев для стабилизации величины рН и извлечения анионов слабых кислот в ионообменных установках вместо анионитовых фильтров II ступени используются фильтры смешанного действия, загружаемые сильнокислотным катионитом (КУ-2) и сильноосновным анионитом (АВ-17-8). Расчет ионообменных установок производстводительностью на основании данных по расходу сточной воды, подвергаемой очистке, ее солесодержанию, рабочей обменной емкости ионитов и частоты регенераций ионитовых фильтров. При расчете ионообменных установок для очистки или обследования многокомпонентных сточных вод обменную емкость ионита принимают по наименее сорбируемому иону, а за его концентрацию — суммарное содержание всех извлекаемых ионов (катионов или анионов).