Приложение на йонообменни смоли в системи за пречистване на вода

1. Определение на йон Обменна смола

Йонообменните смоли са неразтворими полимерни съединения, характеризиращи се с функционални групи и мрежова структура, обикновено изглеждащи като сферични перли. Пълното наименование на йонообменната смола се състои от нейното класификационно наименование, наименование на матрицата (скелета) и основно наименование. В момента йонообменните смоли се използват широко в множество области, включително пречистване на вода, химическа промишленост, металургия, хранително-вкусова промишленост, производство на кожа и производство на ултрачисти фармацевтични продукти.

2. Класификация на йонообменните смоли по качество на водата

Йонообменните смоли могат да бъдат класифицирани въз основа на вида на матрицата им на смоли на стиренова основа и смоли на акрилна основа. Видът химически активни функционални групи върху смолата определя нейните основни свойства и категория. Първоначално те се разделят на две основни групи: катионнообменни смоли и анионообменни смоли, които могат да обменят катиони и аниони в разтвор, съответно. Катионните смоли се подразделят допълнително на силно киселинни катиони (SAC) и слабо киселинни катиони (WAC). По подобен начин анионните смоли се подразделят на силно основни аниони (SBA) и слабо основни аниони (WBA).

3. Приложение на йонообменни смоли в индустрията за пречистване на вода

Индустрията за пречистване на вода е една от най-ранните области на приложение на йонообменните смоли и представлява значително търсене, представляващо приблизително 90% от общото производство на йонообменни смоли. При пречистването на вода тези смоли се използват за омекотяване на вода, обезсоляване и производство на омекотена вода, чиста вода и ултрачиста вода. В пречистването на отпадъчни води те се използват предимно за намаляване на концентрацията на тежки метални йони чрез обменна реакция между обменните йони на смолата и тежките метални йони в отпадъчните води, като по този начин се постига високо пречистване.

3.1 Приложение на йонообменни смоли за омекотяване на вода

а. Състав и функция на омекотяващите филтри:​​

Напълно автоматичните омекотители за вода се състоят основно от три ключови компонента: резервоар за смола, автоматичен многопортов контролен вентил и резервоар за саламура. Резервоарът за смола е запълнен с йонообменна смола, отговорна за адсорбирането на калциеви (Ca²⁺) и магнезиеви (Mg²⁺) йони от водата. Многопортовият контролен вентил действа като контролер за омекотяващото оборудване, управлявайки автоматичните цикли на работа, регенерация, изплакване, обратно промиване и пълнене на резервоара за саламура. Резервоарът за саламура съхранява сол (NaCl), използвана по време на процеса на регенерация на смолата.

б. Принцип на действие на омекотяващите смоли:

Омекотителните смоли премахват предимно йоните на твърдост от водата чрез йонен обмен. Тези йони на твърдост, главно калций (Ca²⁺) и магнезий (Mg²⁺), са основните фактори за твърдостта на водата. Омекотителната смола съдържа изобилие от натриеви йони (Na⁺). Докато водата преминава през слоя от смола, натриевите йони върху смолата се обменят с калциевите и магнезиевите йони във водата, като по този начин премахват йоните на твърдост.

в. Приложения на омекотяващи филтри:​​

Приложенията включват захранваща вода за бойлери, допълваща вода за климатични системи, топлообменници, производство на хартия, печат и боядисване, текстил, вода за нефтохимически процеси, биофармацевтика, електроника, предварителна обработка за системи за чиста вода и промишлени системи с нулево изпускане на течности (ZLD).

3.2 Приложение на йонообменни смоли в производството на чиста и ултрачиста вода

а. Определение на съдове за катионен/анионнообменен обмен (CAB):​​

Катионно-анионните обменни съдове, наричани още йонообменници или деминерализатори, са оборудване за пречистване на вода, което използва йонообменната способност на смолите за отстраняване на йони от водата. Тяхното действие се основава на йонообменната характеристика на смолите, при която йоните върху смолата се обменят със съответните йони във водата, постигайки отстраняване на йони.

б. Принцип на работа на съдове за катионен/анионен обмен:

Типична система за деминерализация с два слоя се състои от катионнообменен съд (киселинен катионнообменен съд) и анионообменен съд (основен анионообменен съд), свързани последователно. Суровата вода първо преминава през катионния блок. Тук катионнообменната смола адсорбира катионни примеси от водата, като едновременно с това освобождава водородни йони (H⁺) във водата, правейки я киселинна. Впоследствие водата преминава през декарбонатор (или дегазификатор), за да отстрани въглеродния диоксид (CO₂), освободен като газ, осигурявайки ефективен обмен в анионния блок при киселинни условия. Накрая водата преминава през анионния блок, където анионнообменната смола отстранява анионните примеси.

в. Области на приложение на съдове за катионен/анионнообменен обмен:​​

В индустрии като химическата, енергийната и металургичната, те често се използват за омекотяване на захранващата вода за котли, за да се предотврати образуването на котлен камък и проблеми с корозията. В напояването на селското стопанство използването на вода, третирана от тези системи, може да помогне за намаляване на засоляването на почвата. Те също така играят важна роля в етапите на предварителна обработка за обезсоляване на морска вода, осигурявайки благоприятни условия за последващи процеси на усъвършенствано третиране.

3.3 Приложение на полирани смесени слоеве в производството на чиста и ултрачиста вода

а. Определение за полирани смесени слоеве:​​

Полиращата смола обикновено се използва в последния етап (етап на полиране) на системите за пречистване на ултрачиста вода, за да се гарантира, че качеството на отпадъчните води отговаря на необходимите стандарти, често постигайки съпротивление от 18 MΩ·cm или по-високо. Тя е вид йонообменна смола, по-специално смес от силно киселинна катионнообменна смола във водородна (H⁺) форма и силно базична анионнообменна смола в хидроксидна (OH⁻) форма.

б. Принцип на работа на полиращите смоли:

Полираният смесен слой съдържа както катионни, така и анионни обменни смоли, старателно смесени в един и същ съд. В този смесен слой катионните и анионните смоли са интимно смесени, което позволява реакциите на катионния и анионния обмен да протичат почти едновременно. Водородните йони (H⁺), получени от катионния обмен от H-тип, и хидроксидните йони (OH⁻), получени от анионния обмен от OH-тип, не могат да се натрупат и незабавно да се комбинират, за да образуват слабо дисоциирани водни молекули. Това по същество елиминира ефекта на противойоните, позволявайки на реакцията на йонния обмен да протече много добре, което води до получаване на отпадъчни води с висока чистота. Когато йоните в полиращата смола се изчерпят, тя се регенерира с помощта на киселинни и алкални разтвори, за да се възстановят ефективно водородните и хидроксидните йони, подновявайки работния капацитет на смолата.

в. Области на приложение:​​

Електронна индустрия: Производство на високочиста вода, необходима за полупроводници и други електронни компоненти.

Електроцентрали: Широко приложение в системи за пречистване на чиста вода за топлоелектрически централи.

Синтетична химия и нефтохимическа промишленост: Йонообменните смоли могат да действат като катализатори, замествайки неорганични киселини и основи в реакции като естерификация, хидролиза и хидратация.

Фармацевтична индустрия: Йонообменните смоли играят важна роля в разработването на антибиотици от ново поколение и подобряването на качеството на съществуващите антибиотици.