Aplicarea rășinilor schimbătoare de ioni în sistemele de tratare a apei

1. Definiția ionului Rășină de schimb

Rășinile schimbătoare de ioni sunt compuși polimerici insolubili care prezintă grupări funcționale și o structură de rețea, de obicei sub formă de sfere sferice. Denumirea completă a unei rășini schimbătoare de ioni este compusă din denumirea sa de clasificare, denumirea matricei (scheletului) și denumirea de bază. În prezent, rășinile schimbătoare de ioni sunt utilizate pe scară largă în numeroase domenii, inclusiv tratarea apei, industria chimică, metalurgie, industria alimentară, fabricarea pielii și producția farmaceutică ultrapură.

2. Clasificarea rășinilor schimbătoare de ioni în funcție de calitatea apei

Rășinile schimbătoare de ioni pot fi clasificate în funcție de tipul de matrice în rășini pe bază de stiren și rășini acrilice. Tipul de grupe funcționale chimic active de pe rășină determină proprietățile sale principale și categoria. În principal, acestea sunt împărțite în două grupe majore: rășini schimbătoare de cationi și rășini schimbătoare de anioni, care pot schimba cationi și respectiv anioni într-o soluție. Rășinile cationice sunt în continuare subdivizate în cationi acizi puternici (SAC) și cationi acizi slabi (WAC). În mod similar, rășinile anionice sunt subdivizate în anioni bazici puternici (SBA) și anioni bazici slabi (WBA).

3. Aplicarea rășinilor schimbătoare de ioni în industria de tratare a apei

Industria de tratare a apei este unul dintre cele mai vechi domenii de aplicare pentru rășinile schimbătoare de ioni și reprezintă o cerere semnificativă, reprezentând aproximativ 90% din producția totală de rășini schimbătoare de ioni. În purificarea apei, aceste rășini sunt utilizate pentru dedurizare, desalinizare și producerea de apă dedurizată, apă pură și apă ultrapură. În tratarea apelor uzate, acestea sunt utilizate în principal pentru a reduce concentrația de ioni de metale grele printr-o reacție de schimb între ionii schimbători ai rășinii și ionii de metale grele din apele uzate, realizând astfel o purificare avansată.

3.1 Aplicarea rășinilor schimbătoare de ioni în dedurizarea apei

a. Compoziția și funcția filtrelor de dedurizare:

Dedurizatoarele de apă complet automate constau în principal din trei componente cheie: rezervorul de rășină, supapa de control automată multi-port și rezervorul de saramură. Rezervorul de rășină este umplut cu rășină schimbătoare de ioni responsabilă de adsorbția ionilor de calciu (Ca²⁺) și magneziu (Mg²⁺) din apă. Supapa de control multi-port acționează ca un controler pentru echipamentul de dedurizare, gestionând ciclurile automate de funcționare, regenerare, clătire, spălare inversă și reumplere a rezervorului de saramură. Rezervorul de saramură stochează sarea (NaCl) utilizată în timpul procesului de regenerare a rășinii.

b. Principiul de funcționare al rășinilor de înmuiere:

Rășinile de dedurizare elimină în principal ionii de duritate din apă prin schimb ionic. Acești ioni de duritate, în principal calciu (Ca²⁺) și magneziu (Mg²⁺), sunt principalii factori care contribuie la duritatea apei. Rășina de dedurizare conține abundenți ioni de sodiu (Na⁺). Pe măsură ce apa trece prin patul de rășină, ionii de sodiu de pe rășină fac schimb cu ionii de calciu și magneziu din apă, eliminând astfel ionii de duritate.

c. Aplicații ale filtrelor de dedurizare:

Aplicațiile includ apa de alimentare a cazanelor, apa de completare pentru sistemele de aer condiționat, schimbătoare de căldură, fabricarea hârtiei, imprimare și vopsire, textile, apa pentru procesele petrochimice, biofarmaceutice, electronică, pretratarea sistemelor de apă pură și sisteme industriale cu descărcare zero de lichide (ZLD).

3.2 Aplicarea rășinilor schimbătoare de ioni în producția de apă pură și ultrapură

a. Definiția vaselor de schimb cationic/anionic (CAB):

Vasele de schimb cationic/anionic, denumite și schimbătoare de ioni sau demineralizatoare, sunt echipamente de tratare a apei care utilizează capacitatea de schimb ionic a rășinilor pentru a elimina ionii din apă. Funcționarea lor se bazează pe caracteristica de schimb ionic a rășinilor, unde ionii de pe rășină sunt schimbați cu ionii corespunzători din apă, realizând îndepărtarea ionilor.

b. Principiul de funcționare al vaselor de schimb cationic/anionic:

Un sistem tipic de demineralizare cu două paturi constă dintr-un vas de schimb cationic (schimbător de cationi acid) și un vas de schimb anionic (schimbător de anioni bazic) conectate în serie. Apa brută trece mai întâi prin unitatea cationică. Aici, rășina schimbătoare de cationi adsorbe impuritățile cationice din apă, eliberând simultan ioni de hidrogen (H⁺) în apă, făcând-o acidă. Ulterior, apa trece printr-un decarbonator (sau degazificator) pentru a elimina dioxidul de carbon (CO₂) eliberat sub formă de gaz, asigurând un schimb eficient în unitatea anionica în condiții acide. În cele din urmă, apa trece prin unitatea anionica, unde rășina schimbătoare de anioni îndepărtează impuritățile anionice.

c. Domenii de aplicare ale vaselor de schimb cationic/anionic:

În industrii precum cea chimică, energetică și metalurgică, acestea sunt utilizate în mod obișnuit pentru dedurizarea apei de alimentare a cazanelor pentru a preveni formarea de crustă și problemele de coroziune. În irigațiile agricole, utilizarea apei tratate de aceste sisteme poate ajuta la reducerea salinizării solului. De asemenea, ele joacă un rol semnificativ în etapele de pretratare pentru desalinizarea apei de mare, oferind condiții favorabile pentru procesele ulterioare de tratare avansată.

3.3 Aplicarea straturilor mixte lustruite în producția de apă pură și ultrapură

a. Definiția straturilor mixte lustruite:

Rășina de lustruire este utilizată de obicei în etapa finală (etapa de lustruire) a sistemelor de tratare a apei ultrapure pentru a asigura că efluentul respectă standardele necesare, atingând adesea o rezistivitate de 18 MΩ·cm sau mai mare. Este un tip de rășină schimbătoare de ioni, în special un amestec de rășină schimbătoare de cationi puternic acidă sub formă de hidrogen (H⁺) și rășină schimbătoare de anioni puternic bazică sub formă de hidroxid (OH⁻).

b. Principiul de funcționare al rășinilor de lustruire:

Un pat mixt lustruit conține atât rășini schimbătoare de cationi, cât și anioni, amestecate complet în același vas. În acest pat mixt, rășinile cationice și anionice sunt amestecate intim, permițând reacțiilor de schimb cationic și anionic să se desfășoare aproape simultan. Ionii de hidrogen (H⁺) produși prin schimbul cationic de tip H și ionii de hidroxid (OH⁻) produși prin schimbul anionic de tip OH nu se pot acumula și se combină imediat pentru a forma molecule de apă slab disociate. Acest lucru elimină practic efectul contraionilor, permițând reacției de schimb ionic să se desfășoare foarte bine, rezultând un efluent de înaltă puritate. Când ionii din rășina de lustruire sunt epuizați, rășina este regenerată folosind soluții acide și alcaline pentru a restabili eficient ionii de hidrogen și hidroxid, reînnoind capacitatea de lucru a rășinii.

c. Domenii de aplicare:

Industria electronică: Producerea de apă de înaltă puritate necesară pentru semiconductori și alte componente electronice.

Centrale electrice: Utilizare extinsă în sistemele de tratare a apei pure pentru centralele termice.

Chimie sintetică și industria petrochimică: Rășinile schimbătoare de ioni pot acționa ca și catalizatori, înlocuind acizii și bazele anorganice în reacții precum esterificarea, hidroliza și hidratarea.

Industria farmaceutică: Rășinile schimbătoare de ioni joacă un rol important în dezvoltarea antibioticelor de nouă generație și în îmbunătățirea calității antibioticelor existente.