Как подобрать ионообменную смолу

Ионообменные смолы — это высокомолекулярные синтетические соединения с трёхмерной гелевой или макропористой матрицей, которая содержит функциональные группы, способные к реакциям ионного обмена. Эта матрица, состоящая из сополимера стирола и дивинилбензола, образует структуру, в которой зафиксированы заряженные группы, способные обмениваться ионами с раствором. Принцип работы ионообменной смолы основан на обратимых процессах ионного обмена. При прохождении воды через колонну с ионообменной смолой, ионы, растворённые в воде, притягиваются к функциональным группам смолы и замещаются безопасными ионами с таким же зарядом. Таким образом, ионный состав воды изменяется, при этом сумма зарядов остается постоянной.

Рисунок 1. Схема структуры ионообменной смолы

Ионообменные смолы выглядят как маленькие шарики, размер их может составлять от 0,3 до 1,2–1,5 мм (или 300–1200 мкм).  Мелкая смола (0,3–0,8 мм) чаще используется в бытовых системах, где важна высокая скорость ионного обмена и компактность установки. Крупная смола применяется в больших промышленных фильтрах, где важно уменьшить перепад давления через фильтр в связи с большими расходами пропускаемой воды.

Рис. 2. Катионит Lewatit S 1567

Ионообменные смолы делятся на катиониты (обмениваются с водным раствором положительно заряженными ионами, например, Na⁺, H⁺) и аниониты (обмениваются с водным раствором отрицательными ионами, например, OH^-, Cl^-). Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводится регенерация. Катиониты при их регенерации растворами NaCl, H₂SO₄, NH₄Cl образуют соответственно натриевую, водородную, аммонийную формы, которые соответственно можно обозначить NaR, HR, NH₄R. При пропуске обрабатываемой воды, содержащей ионы жёсткости, через отрегенерированный катионит протекают реакции обмена катионов Са²⁺ и Mg²⁺, на ионы Na⁺, Н⁺ или NH₄⁺, содержащиеся в катионите; этот процесс называется катионированием.

Аниониты, отрегенерированные щёлочью (NaOH и другие), образуют гидроксильную форму, условно обозначенную ROH. Если через отрегенерированный анионит пропускать раствор кислоты, например, HCl, произойдет реакция обмена анионов (анионирование) и осуществится взаимная   нейтрализация ионов Н⁺ (кислоты) и ионов ОН^-, вытесненными анионами из ионита.

В зависимости от состава функционально активных групп различают типы ионитов по кислотности (или основности). Катиониты подразделяются на сильно-, средне- и слабокислотные, соответственно, аниониты на сильно-, средне- и слабоосновные. По своим технологическим свойствам они имеют существенные отличия.

Таблица 1. Технологические характеристики ионообменных материалов

Слабоосновными анионитами задерживаются только анионы сильных кислот, анионы слабых кислот HSiO₃^- и HCO₃^- удаляются только сильноосновными анионитами.

На ВПУ энергетических объектов применяются катиониты: сульфоуголь, катионит КУ-2 (термостойкий), реже — катионит КУ-1 и слабокислотный КБ-4-П2. Сильнокислотные катиониты КУ-2 и КУ-1 незначительно изменяют обменную ёмкость  с понижением рН<7. Слабокислотные катиониты проявляют способность к обмену ионов при рН>7.

Обработка воды способом Na-катионирования основан на пропуске обрабатываемой воды через форму катионита, для чего предварительно катионит регенерируется поваренной солью (NaCl). Из обрабатываемой воды удаляются катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, а в обрабатываемую воду поступают ионы Na⁺, анионный состав воды при этом не меняется. При одноступенчатом Na-катионировании можно получить воду с остаточной жесткостью 0,1 мг-экв/л, в схеме двухступенчатого Na-катионирования остаточная жесткость фильтрата должна обеспечиваться менее 0,01 мг-экв/л. Двухступенчатое Na-катионирование применяется для приготовления питающей воды котлов низкого и среднего давления, а также в технологических схемах, где критически важно исключить отложения солей жёсткости.

При NH₃-катионировании обрабатываемая вода фильтруется через слой катионита, отрегенерированный солями аммония. Содержащийся в катионите ион аммония обменивается на катионы Са²⁺ и Mg²⁺, Na⁺, присутствующие в природной воде, при этом в фильтрате образуются соли аммония, соответствующие имеющимся в воде анионам. Подобная обработка воды применяется совместно с Na-катионированием при приготовлении питающей воды для котельных установок, не имеющих в тепловой схеме аппаратов и деталей из латуни или медных сплавов или когда пар используется для систем горячего водоснабжения или открытых систем теплоснабжения.

Na-CL-ионирование — это метод обработки воды обработки воды, основанный на применении катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме, регенерация обоих ионитов проводится раствором поваренной соли. Cl-ионирование проводится после предварительного Na-катионирования. Метод применяется в исключительных случаях.

Помимо вышеперечисленных разновидностей ионитов существуют амфотерные иониты (амфолиты) — ионообменные материалы, содержащие в своей структуре одновременно кислотные (катионообменные) и основные (анионообменные) функциональные группы. В зависимости от pH среды они способны обменивать как катионы, так и анионы, что отличает их от специализированных катионитов или анионитов. Амфолиты применяются для тонкой очистки воды, разделения смесей аминокислот, извлечения редких металлов и в фармацевтике, легко регенерируются водой.

Таким образом, выбор ионообменных смол зависит от целого ряда физико-химических условий процесса, требований к качеству очищенной воды, а также от состава исходной среды.