Wymiana jonowa – podstawowe informacje

Wymiana jonowa to proces polegający na wymianie jonów pomiędzy jonitami a jonami występującymi w otaczającym je roztworze. Proces wymiany jonowej stosuje się do usuwania z wody substancji rozpuszczonych. Dobierając odpowiednio rodzaj stosowanych żywic jonowymiennych w trakcie procesu wymieniane są kationy lub aniony na jony ruchliwe grup funkcyjnych jonitów. Wymianę kationów zapewnia zastosowanie  kationitów, wymianę anionów zastosowanie anionitów. Dobór odpowiedniego układu kationitów i anionitów zapewnia demineralizację wody.

Proces wymiany jonowej można przedstawić schematycznie za pomocą równań:

                                              
gdzie:

Kt– szkielet kationitu; An– szkielet anionitu;  – wymieniane kationy;  – wymieniane aniony; M₁, M₂ – centra aktywne kationitu zawierające jony wymienialne; A₁, A₂ – centra aktywne anionitu zawierające jony wymienialne.

Na przebieg procesu wymiany jonowej składają się następujące etapy:

• przemieszczanie się jonu z głębi roztworu do powierzchni jonitu,
• przemieszczanie się jonu wewnątrz ziarna jonitu do grupy  jonowymiennej,
• chemiczna reakcja podwójnej wymiany,
• przemieszczenie się wymienionego jonu z głębi ziarna w kierunku jego powierzchni,
• przejście wymienionego jonu z powierzchni ziarna do roztworu.

Ruch jonów z głębi roztworu do powierzchni jonitu oraz od powierzchni jonitu w głąb roztworu przez warstewkę międzyfazową to proces dyfuzji zewnętrznej. W przypadku transportu jonów wewnątrz jonitu mamy do czynienia z dyfuzją wewnętrzną.

Na ogólną szybkość całego procesu wymiany jonowej wpływają szybkości poszczególnych etapów procesu. Największy wpływ na ogólną szybkość procesu ma najwolniejszy z etapów, a więc dyfuzja zewnętrzna lub wewnętrzna jonów.

Na ogólną szybkość procesu wpływają:

• rodzaj jonitu,
• usieciowanie jonitu (ze wzrostem usieciowania jonitu maleje szybkość dyfuzji wewnętrznej),
• szybkość przepływu roztworu przez złoże jonitu (jest to związane z procesami mieszania roztworu, im lepsze wymieszanie roztworu tym wielkość warstewki międzyfazowej jest mniejsza a co za tym idzie etap dyfuzji zewnętrznej przebiega szybciej),
• temperatura prowadzenia procesu (im wyższa temp. tym gęstość roztworu jest mniejsza, grubość warstewki międzyfazowej maleje i proces dyfuzji przebiega szybciej),
• stężenie roztworu (im wyższe stężenie jonów w roztworze tym szybkość dyfuzji jest większa).

Wymieniacze jonowe (żywice jonowymienne)

Jonity określane również mianem wymieniaczy jonowych lub żywic jonowymiennych to substancje praktycznie nierozpuszczalne w wodzie które posiadają zdolność wymiany dodatnio lub ujemnie naładowanych jonów z roztworu elektrolitu na równoważne ilości jednoimiennych jonów wchodzących w skład jonitów.

Podziału wśród jonitów można dokonać ze względu na:

1. Rodzaj wymienianych jonów:

• kationity - wymieniające kationy (mają charakter kwasów lub soli)

Wśród kationitów dokonuje się podziału na kationity:

• obojętne lub słabo kwaśne, posiadające słabo zdysocjowane grupy funkcyjne (-OH, -COOH, -SH, -CH2SH),

• silnie kwaśne, zdolne do wymiany wszystkich kationów, posiadające silnie zdysocjowane grupy funkcyjne (-SO3H, -CH2SO3H).

• anionity - wymieniające aniony (mają charakter zasad lub ich soli)

Anionity dzieli się na:

• słabo zasadowe,
• silnie zasadowe.

2. Pochodzenie i sposób otrzymywania:

• nieorganiczne: naturalne i syntetyczne,
• organiczne: naturalne, półsyntetyczne,  syntetyczne.

                                        Przykłady żywic jonowymiennych

Podstawowe pojęcia

Zdolność wymienna jonitu – jest to główny parametr określający chemiczne własności jonitu oraz jego przydatność w procesach oczyszczania wody. Zdolnością wymienną jonitu określa się ilość miligramorównoważników (mgr, val lub mval) wymienianych jonów na jednostkę masy (g) lub objętości jonitu (dm3).
Wartość zdolności wymiennej jonitu jest wprost proporcjonalna do
liczby grup funkcyjnych jonitu oraz odwrotnie proporcjonalna do wzrostu stopnia usieciowania szkieletu jonitu.

Całkowita zdolność wymienna jonitu - jest wartością stałą dla danego jonitu a jej wielkość określa łączną liczbę miligramorównoważników jonów, które w najkorzystniejszych
warunkach mogą być wymienione przez jednostkę masy lub objętości jonitu.

Robocza zdolność wymienna – stanowi część całkowitej zdolności wymiennej, która może być wykorzystana w czasie eksploatacji jonitów. Wyraża liczbę miligramorównoważników jonów, które są wymieniane przez jednostkową ilość jonitu do chwili przebicia złoża. Zazwyczaj zawiera się w przedziale od 60 do 80 % całkowitej zdolności wymiennej.

Na wielkość roboczej zdolności jonitu mają wpływ parametry takie jak:

• warunki prowadzenia procesu,
• skład i stężenie roztworu,
• ilość, skład i stężenie czynników regenerujących,
• dokładność przepłukania złoża po przeprowadzeniu regeneracji.

Punkt przebicia jonitu - jest to taki moment w procesie wymiany jonowej, kiedy zostanie osiągnięte założone stężenie wymienianego jonu w oczyszczonym roztworze. Po osiągnięciu punktu przebicia jonitu złoże jonitu poddaje się procesowi regeneracji (oczyszczenia mającego na celu przywrócenie początkowych własności jonowymiennych złoża jonitu).

Cykl wymiany jonowej

Na pełen cykl pracy wymienników jonowych składają się następujące etapy:

• Przygotowanie złoża (ponieważ jonity są sprzedawane w postaci suchej przed ich pierwszym użyciem należy poddać je procesowi pęcznienia, który realizuje się poprzez zalanie złoża jonitu wodą destylowaną lub roztworem wodnym kwasu, zasady lub soli).
• Okres użytecznej pracy jonitu, a więc proces wymiany jonowej, który trwa do osiągnięcia punktu przebicia; długość trwania wymiany jonowej zależy od: roboczej zdolności wymiennej jonitu,  ilości wymienialnych jonów, czasu trwania przygotowania złoża.
• Regeneracja złoża, na którą składają się następujące etapy:

• spulchnianie złoża (przeciwprądowe płukanie złoża wodą mające na celu rozluźnienie złoża, usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych, bardzo rozdrobnionych ziaren oraz pęcherzyków gazów wydzielonych na powierzchni ziaren);
• regeneracja właściwa (polega na przepuszczeniu przez zużyte złoże roztworu czynnika regenerującego, ma na celu usunięcie z grup funkcyjnych przyłączonych w czasie dejonizacji jonów oraz wprowadzenie na ich miejsce odpowiednich jonów ruchliwy;
• płukanie złoża (ma na celu usunięcie ze złoża pozostałości po czynniku regenerującym, w przypadku kationitów stosuje się zdekationizowaną wodę, w przypadku anionitów wodę zdeanionizowaną).

Urządzenia do wymiany jonowego

Proces wymiany jonowej prowadzi się zazwyczaj w zbiornikach ciśnieniowych.  W dolnej części zbiornia znajduje się układ drenażowy, natomiast w górnej części układ rozdzielczo – odbiorczy (najczęściej jest to zawór wielodrogowy, który odpowiada za równomierny rozdział i odbiór wody, dawkowanie czynnika regenerującego oraz płukanie złoża).
Serce zbiornika stanowi kolumna wypełniona jonitem.

Główne parametry układu do wymiany jonowej:

• średnica kolumn: 170 – 1500mm,
• wydajność nominalna produkowanej wody: 0,1 - 100m3/h,
• ciśnienia robocze: 0,2 - 0,8MPa.

  Instalacja do wymiany jonowej firmy ChemTech

Wykorzystanie żywic jonowymiennych w technikach membranowych

Obszar zastosowań technik membranowych jest ogromny i ulega ciągłemu wzrostowi. Z zastosowanie membran wiąże się szereg korzyści (patrz „Technologia membranowa”) jednak nie są one pozbawione wad i ograniczeń. Jednym z niekorzystnych zjawisk, z jakim spotykamy się podczas eksploatacji instalacji membranowych jest spadek wydajności hydraulicznej membran, będący następstwem foulingu (proces blokowania membran). W celu poprawy jakości oczyszczanej wody oraz zmniejszenia intensywności blokowania membran procesy membranowe łączy się z procesami fizyczno-chemicznymi, tj. wymiana jonowa (jako metoda wstępnego uzdatniania wody), adsorpcja na węglu aktywnym czy koagulacja.

Wykorzystanie procesu wymiany jonowej przy użyciu żywic jonowymiennych jako wstępnego procesu oczyszczania wody z zanieczyszczeń organicznych, mającego na celu ochronę membran, po raz pierwszy zostało opisane pod koniec lat 70-tych XX wieku.