WYMIANA JONOWA -
OCZYSZCZANIE WÓD
PRZEMYSŁOWYCH

WYMIANA JONOWA

proces wymiany jonów na inne jony tego samego znaku zachodzący na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie
grupy funkcyjne, obejmuje:
- transport jonu z roztworu do powierzchni ziarna jonitu, a następnie do miejsca wymiany,
- reakcję podwójnej wymiany,
- transport wypartego jonu wewnątrz ziarna jonitu od miejsca wymiany do powierzchni ziarna jonitu a następnie do roztworu.

Jeżeli ciało stałe lub polimer jest używane w sposób wykorzystujący zjawisko wymiany jonowej, wówczas taki materiał nazywa
się wymieniaczem jonowym lub jonitem.

REAKCJE WYMIANY JONOWEJ:

-

Dla wymiany kationitów:

RX

(n-)

+ nAY ↔ R(XA)n + nY

-

-

Dla wymiany anionitów:

RX

(n+)

+ mBZ ↔ R(XZ)m + mB

+

gdzie: R - szkielet polimeryczny,

X - trwale związane ze szkieletem grupy

jonoczynne,

A, B - ruchliwe kationy,
Y, Z - ruchliwe aniony,
n, m - odpowiednie wartościowości kationitu i

anionitu

JONITY (INACZEJ: ŻYWICE
JONOWYMIENNE)

są to polimery, w

których łańcuchy

wbudowane są grupy

funkcyjne. Od

charakteru tych grup

zależą własności

danego jonitu. Jako

polimer bazowy, tzw.

matrycę, stosuje się

przede wszystkim

polistyren (żywice

styrenowe), a także

polimery akrylowe.

KRYTERIA PODZIAŁU JONITÓW:

Podział ze względu na pochodzenie:



organiczne (naturalne, półsyntetyczne, syntetyczne);



nieorganiczne (naturalne, syntetyczne,

półsyntetyczne);

Podział ze względu na grupy funkcyjne:



jednofunkcyjne;



dwufunkcyjne;



wielofunkcyjne.

Podział ze względu na wymianę ładunku:



kationity (wymieniają z roztworem kationy);



anionity (wymieniają z roztworem aniony).

KATIONITY I ANIONITY

Kationity dzieli się na:



obojętne lub słabo kwaśne Kt

s

(-COOH; -OH; -SH; -CH

2

SH),



silnie kwaśne Kt

m

(-SO

3

H, -CH

2

SO

3

H).

Anionity dzieli się na:



słabo zasadowe An

s

(aminy I, II i III-rzędowe),



silnie zasadowe An

m

(aminy IV-rzędowe)

PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA STOPIEŃ DYSOCJACJI GRUP
FUNKCYJNYCH

CYKL PRACY JONITÓW SKŁADA SIĘ Z:



przygotowanie jonitu do pracy (pęcznienie),



właściwy cykl pracy jonitu - wymiana jonowa do
punktu przebicia (czas pracy użytecznej jonitu),



regeneracji złoża, która wymaga:



spulchniania złoża,



regeneracji właściwej,



płukania złoża.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRZEBIEG
WYMIANY JONOWEJ:



ładunek jonów (ładunek rośnie – energia wymiany rośnie),



wielkość jonów (większe jony organiczne są szybciej wiązane,
związki nieorganiczne - siła rośnie w miarę zwiększania się
liczby atomowej pierwiastka),



hydratacja jonu (im promień jonu jest mniejszy tym silniej
jest on wiązany przez jonit),



charakter grup funkcyjnych,



stopień usieciowania jonitu (stopień usieciowania wzrasta-
zmniejsza się zdolność jonitu do wiązania większych jonów),



stężenie roztworu,



temperatura oczyszczanych roztworów i ich pH.

ZASTOSOWANIE WYMIANY JONOWEJ:

- oczyszczanie wody do celów przemysłowych -

zmiękczanie i demineralizacja wody;

- uzdatnianie wody do celów konsumpcyjnych;

- oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń kwaśnych

i zasadowych;.

W Polsce wymiana jonowa nie jest stosowana w

zakładach uzdatniania wody przeznaczonej do
zaopatrzenia ludności.

JONITOWE OCZYSZCZANIE WODY DO
CELÓW PRZEMYSŁOWYCH



Zmiękczanie wody,



Demineralizacja i odsalanie



Usuwanie fosforanów i azotanów,



Usuwanie azotu amonowego i metali,



Usuwanie zanieczyszczeń organicznych,

ZMIĘKCZANIE WODY

czyli pozbawienie jej częściowo lub całkowicie

składników powodujących twardość, tj. soli wapnia i

magnezu.



Twardość niewęglanowa jest wynikiem

obecności w wodzie chlorków, siarczanów,

krzemianów, azotanów, fosforanów wapnia i

magnezu.



Twardość węglanowa wynika z obecności w

wodzie wodorowęglanów wapnia i magnezu.



Twardość ogólna jest sumą twardości

węglanowej i niewęglanowej.

ZMIĘKCZANIE WODY

- w zależności od wymaganego stopnia zmniejszenia twardości
wody oraz rodzaju usuwanej twardości stosuje się wymianę
jonową:

a) w cyklu wodorowym na kationitach słabo

kwaśnych – usuwanie twardości węglanowej,

kationit słabo kwaśny

2Kt-H + Ca(HCO

3

)

2

Kt

2

-Ca + 2H

2

O + 2CO

2

2Kt-H+ Mg(HCO

3

)

2

Kt

2

-Mg + 2H

2

O + 2CO

2

Kt-H+ NaHCO

3

Kt

-Na + H

2

O + CO

2

w czasie regeneracji
Kt

2

-Ca + 2HCl 2Kt-H + CaCl

2

Kt

2

-Mg + 2HCl 2Kt-H

+ MgCl

2

Wymiana jonowa przebiega zgodnie z poniższymi reakcjami:

ZMIĘKCZANIE WODY

b) w cyklu sodowym lub wodorowym na kationitach
silnie kwaśnych – usuwanie twardości węglanowej i
niewęglanowej

,

Wymiana jonowa w cyklu sodowym:

kationit silnie kwaśny (regenerowany
NaCl)

2Kt-Na + MgCl

2

Kt

2

-Mg + 2NaCl

2Kt-Na + CaSO

4

Kt

2

-Ca + Na

2

SO

4

2Kt-Na + Ca(HCO

3

)

2

Kt

2

-Ca + 2NaHCO

3

Wymiana jonowa w cyklu wodorowym:

kationit silnie kwaśny (regenerowany HCl)

2Kt-H + Ca(HCO

3

)

2

Kt

2

-Ca + 2H

2

O + 2CO

2

2Kt-H+ Mg(HCO

3

)

2

Kt

2

-Mg + 2H

2

O + 2CO

2

2Kt-H+ CaCl

2

Kt

2

-Ca + 2HCl

2Kt-H+ MgSO

4

Kt

2

-Mg + H

2

SO

4

ZMIĘKCZANIE WODY

c) w cyklu wodorowym (słaby lub silny kationit) i cyklu
sodowym (silny kationit) – usuwanie twardości
węglanowej i niewęglanowej,

Szeregowy układ wymienników sodowego i wodorowego.

1-woda surowa,
2-wymiennik wodorowy

kationit słabo
kwaśny,

3-odgazowywacz,
4-doprowadzenie

sprężonego powietrza,

5-odprowadzeni CO

2

,

6-odprowadzenie wody

zdekarbonizowanej do
celów ruchowych,

7-wymiennik sodowy,

kationit silnie
kwaśny

8-woda zmiękczona.

ZMIĘKCZANIE WODY

d) w cyklu wodorowym (kationit słabo kwaśny–
dekarbonizacja), kationit silnie kwaśny – usuwanie twardości
węglanowej i niewęglanowej),

Szeregowy układ wymienników wodorowych.

1-woda surowa, 2-kationit słabo kwaśny, 3-kationit silnie kwaśny, 4-
doprowadzenie sprężonego powietrza, 5-odgazowywacz, 6-odprowadzenie CO

2

,

7-woda zdekationizowana.

ZMIĘKCZANIE WODY

e)

dekarbonizacja i dekationizacja na układzie, który stanowi

silnie kwaśny kationit pracującym w cyklu sodowym i silnie
zasadowy anionit pracujący w cyklu chlorkowym.

Wymiana jonowa w cyklu sodowym:

Wymiana jonowa w cyklu chlorkowym:

NaHCO

3

+ An-Cl An-HCO

3

+ NaCl

anionit silnie zasadowy

kationit silnie kwaśny

2Kt-Na + MgCl

2

Kt

2

-Mg + 2NaCl

2Kt-Na + Ca(HCO

3

)

2

Kt

2

-Ca + 2NaHCO

3

DEMINERALIZACJA WODY

- polega na usunięciu z niej wszystkich kationów i

anionów.

Na kationicie usuwane są z wody wszystkie kationy,
zastępując je kationem wodorowym:

Ca

2+

+ 2Kt-H → Ca(Kt)

2

+ 2H

+

Mg

2+

+ 2Kt–H → Mg(Kt)

2

+ 2H

+

Na

+

+ Kt–H → NaKt + H

+

K

+

+ Kt–H → KKt + H

+

Wymianę jonów zapewnia układ technologiczny
obejmujący dekationizację i deanionizację.

Następnie woda przechodząc przez masę anionitową,

wymienia zawarte w wodzie aniony na jon wodorotlenowy:

HCO

3-

+ An-OH → An-HCO

3

+ OH

-

SO

42-

+ 2An-OH → An

2

SO

4

+ 2OH

-

Cl

-

+ An-OH → AnCl + OH

-

NO

3-

+ An-OH → AnNO3 + OH

-

Kationy i aniony osadzają się na masach jonitowych, a

wydzielające się jony tworzą cząsteczkę wody:

H

+

+ OH

-

→

H

2

O

Po wyczerpaniu zdolności wymiennej żywic jonitowych,

poddaje się je procesowi regeneracji. Żywice kationitowe

regeneruje się kwasem takim jak HCl lub H

2

SO

4

, a żywice

anionitowe przy pomocy ługu sodowego NaOH.

DEMINERALIZACJA WODY

UKŁAD DEMINERALIZACJI WODY BEZ
ODKRZEMIANIA

1-woda surowa, 2-kationit wodorowy silnie kwaśny, 3-anionit słabo zasadowy

pracujący w cyklu wodorotlenowym, 4-wymiennik dwujonitowy (kationit+ anionit).

UKŁAD PEŁNEJ DEMINERALIZACJI WODY Z
ODKRZEMIANIEM

1-woda surowa, 2-silnie kwaśny kationit wodorowy, 3-odgazowywacz, 4-silnie

zasadowy anionit wodorotlenowy, 5-wymiennik dwujonitowy (kationit + anionit), 6-
pompa.

URZĄDZENIA DO JONITOWEGO
UZDATNIANIA WODY

1-dopływ wody,
2-odpływ wody po wymianie jonowej,
3-złoże jonitu,
4-warstwa podtrzymująca,
5-drenaż,
6-odpowietrzenie,
7-odprowadzenie wody po płukaniu,
8-spust,
9-wodomierz,
10-miernik przepływu,
11-kurek probierczy,
12-doprowadzenie czynnika

regenerującego

Schemat standardowego wymiennika jonowego.

Opracowano na podstawie:

A.L. Kowal, M. Świderska-Bróz „Oczyszczanie

wody”, Wrocław 1996.

Dziękuję za uwagę