Теорія йонного обміну для очищення водних середовищ

Процес йонного обміну використовують для очищення стічних вод від багатьох органічних і неорганічних сполук, а також від катіонів кольорових металів. При хімічному очищенні стоків від катіонів кольорових металів за допомогою подачі вапна або їдкого натру і осадження у вигляді гідратів оксидів не завжди вдається очистити стоки повністю. Крім того, осадження гідратів оксидів вимагає суворого дотримання визначених значень рН стоків. Недоліками хімічного способу очищення стоків є значні витрати вапна і великі обсяги отриманих осадів гідратів оксидів металів. Використання більш досконалих процесів йонного обміну дозволяє практично повністю виділити зі стічних вод катіони кольорових металів та утилізувати отримані метали.

Найбільше розповсюдження при йонному обміні одержали синтетичні йонообмінні нерозчинювані у воді смоли — іоніти (катіоніти й аніоніти). Катіоніти — іоніти, у яких протийони мають кислотний характер, тобто обмінюють йони водню на інші катіони. Аніоніти — іоніти, у яких протийони мають лужний характер, тобто обмінюють гідроксильні йони лугу або аніони солей на інші аніони. При йонообмінному очищенні стічних вод застосовують також сильнокислотні сульфокатіоніти КУ-1 та КУ-2, слабокислотний карбоксильний катіоніт КБ-4, аніоніти ЕДЕ-10П і АВ-17.

У стічних водах звичайно містяться різні катіони кольорових металів, тому за таких умов важливе значення має селективність поглинання катіонів іонітами. Так, при йонному обміні на сульфокатіоніті КУ-2 за енергією витиснення йони розташовуються в такій послідовності:

H⁺<Na⁺<NH₄⁺<Mg²⁺<Zn²⁺<Co²⁺<Cu²⁺<Cd²⁺<Ni²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<Pb²⁺<Ba²⁺.

Стічні води очищують при фільтруванні зі швидкістю до 0,16 м/хв. крізь нерухомий або псевдорозріджений шар іоніту. Найчастіше застосовують очищення стоків у завислому шарі, оскільки у цьому випадку частинки іонітів переміщаються в об'ємі колони, постійно перемішуючись. Швидкість очищення у такому шарі більша, ніж у нерухомому. Застосування завислого шару не вимагає ретельного очищення стічних вод від завислих твердих домішок. По мірі заміщення в смолах протийонів катіонами кольорових металів густина зерен іонітів суттєво збільшується, тому такі зерна переміщуються у нижні шари іоніту, звідки іоніт відводиться на регенерацію. Найчастіше застосовують йонообмінні колони з решітками і конічними перетічними трубами (рис. 1).

У йонообмінній колоні 3 на різній висоті встановлені безпровальні 2 і провальна 1 решітки. У безпровальних решітках змонтовані конічні перетічні лійки 6. У верхній частині колони передбачені кільцевий зливний жолоб 4 і конічна лійка 5 для подачі іоніту. Стічна вода подається у нижню частину колони і переміщується з визначеною швидкістю знизу вгору, при цьому на безпровальних решітках утворюється завислий шар іоніту. Очищена вода відводиться з колони через кільцевий жолоб. При насиченні іоніту збільшується його густина, тому він переміщується з верхнього шару в нижній через перетічні лійки. Насичений іоніт відводиться з конічного днища колони і за допомогою аероліфта 7 подається зверху в регенераційну колону 8, звідки розчин надходить у колону знизу. З колони регенерований іоніт подається у промивну колону 9. Відмитий іоніт знову повертається у йонообмінну колону.

Особливістю йонообмінного методу очищення стічних вод є можливість очищення до будь-якого ступеня та утилізація цінних компонентів, що виділяються зі стічних вод. Йонообмінне очищення ціанистих стоків дозволяє утилізувати кольорові та благородні метали у вигляді товарної продукції. Для вилучення благородних металів і очищення стоків їх спершу пропускають через фільтри з активованим вугіллям. Фільтрат вугільних фільтрів після вилучення золота і срібла подається в іонітові фільтри для вилучення міді та цинку. Сорбентом в іонітових фільтрах слугує аніонообмінна смола марки АВ-17.