Procesy sorpcji i wymiany jonowej w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków.
Procesy sorpcji i wymiany jonowej biorą udział w uzdatnianiu wody oraz oczyszczaniu ścieków.
W technologii oczyszczania wód proces adsorpcji na adsorbentach porowatych stosuje się głównie w celu usunięcia z wody rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych, których nawet śladowe ilości mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi.. W przeszłości adsorpcja była stosowana przede wszystkim do usuwania zanieczyszczeń pochodzenia naturalnego powodujących smak i zapach wody. Obecnie, z uwagi na poziom zanieczyszczenia wód związkami organicznymi syntetycznymi, które w niewystarczającym stopniu są usuwane w procesach koagulacji, sedymentacji i filtracji, adsorpcja jest procesem praktycznie niezbędnym w układach oczyszczania tych wód. Ponadto włączenie adsorpcji do układu oczyszczania wody po procesie utleniania chemicznego, pozwala na zmniejszenie stężenia „wtórnych" zanieczyszczeń, którymi są uboczne produkty utleniania chemicznego i dezynfekcji. Generalnie sorpcję stosuje się do usuwania z wody rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych powodujących barwę i zapach wody bądź będących prekursorami ChZO i THM (trihalometany) oraz zanieczyszczeń mających często cechy związków niebezpiecznych dla zdrowia konsumentów wody. Adsorbentem najczęściej stosowanym w oczyszczaniu wody są węgle aktywne. Proces adsorpcji na adsorbentach porowatych, jakimi są węgle aktywne, polega na wiązaniu usuwanych zanieczyszczeń (adsorbantów) na powierzchni adsorbenta. Jeżeli siły wiążące adsorbant są duże proces jest praktycznie nieodwracalny, wówczas zachodzi adsorpcja chemiczna chemisorpcja. Jeżeli siły te są słabsze, jak to ma miejsce przy wiązaniu siłami van der Waalsa, to proces ma charakter odwracalny i jest to wówczas adsorpcja fizyczna. Podczas sorpcji fizycznej cząsteczki adsorbantu nie są trwale umiejscowione w centrach aktywnych powierzchni adsorbetów, lecz znajdując się w strefie oddziaływania tych centrów mogą przemieszczać się po powierzchni adsorbenta.. Sorpcja chemiczna ma miejsce wówczas gdy siły wywołujące adsorpcję mają naturę chemiczną, a adsorpcja polega ma chemicznym łączeniu się cząstek adsorbantu z powierzchnią adsorbenta. Siły warunkujące chemisorpcję są siłami kowalencyjnymi, z mniejszym lub większym udziałem sił jonowych.
Do sorpcji zanieczyszczeń z wód najczęściej stosuje się węgle aktywne w postaci ziarnistej lub granulowanej (Z/GWA) oraz pylistej (PWA). Ostatnio do wstępnej sorpcji, przed (Z/GWA), stosuje się również sorbenty syntetyczne, które sorbują ok. 60% adsorbentu. Tego typu sorbenty określane są mianem „scavanger". O skuteczności i przydatności węgli aktywnych w oczyszczaniu wody decydują ich następujące cechy: pojemność sorpcyjne, wielkość powierzchni właściwej, wielkość porów i ich rozkład, chemiczna natura powierzchni i uziarnienie, a w przypadku Z/GWA dodatkowo ich wytrzymałość na ścieranie i kruszenie. Cechy węgli aktywnych zależą od rodzaju surowca, z którego są wytwarzane oraz warunków aktywacji. Surowcami mogą być: węgiel drzewny, antracyt, półkoksy: torfowy i ksylitowy, węgle brunatne oraz kamienie, trociny, łupiny orzechów, pestki, kości itd. Początki stosowania adsorpcji datuje się na pierwsze dziesiątki lat XX wieku. W 1920 r. w USA zastosowano PWA do usuwania z wody chlorofenoli powodujących smak i zapach wody. Natomiast w 1930 sorpcję na granulowanym węglu aktywnym włączono do układów technologicznych uzdatniania wody w Niemczech i stanie Michigan. Ze względu na zwiększoną różnorodność i ilość związków organicznych, głównie syntetycznych, w wodach naturalnych - przede wszystkim powierzchniowych - oraz stwierdzone powstawanie uciążliwych produktów ubocznych utleniania chemicznego i dezynfekcji, systematycznie zwiększa się liczba zakładów uzdatniania wody stosujących adsorpcję na węglach aktywnych.
Proces adsorpcji na węglach aktywnych stosowany jest przede wszystkim do usuwania z wód uciążliwych, a często niebezpiecznych, rozpuszczalnych związków organicznych pochodzenia naturalnego i antropogenicznego. Węgle aktywne wykazują również dużą skuteczność w wiązaniu chloru wolnego i chloramin, a także usuwają pewne ilości wirusów i niektórych zanieczyszczeń nieorganicznych. Skuteczność sorpcji zanieczyszczeń nieorganicznych zależy głównie od wartości ich potencjału adsorpcji oraz rodzaju i ilości grup funkcyjnych na powierzchni węgla aktywnego.
W procesie wymiany jonowej usuwane są z wody substancje rozpuszczone. W Polsce wymian jonowa nie jest stosowana w zakładach uzdatniania wody przeznaczonej do zaopatrzenia ludności. Technika ta jest natomiast wykorzystywana do oczyszczania wód przemysłowych, głównie stosowanych w energetyce i wód chłodniczych, a jej celem jest zmniejszenie poziomu zasolenia wody do poziomu wymaganego przez odbiorcę.
Do oczyszczania wody do picia stosowane mogą być tylko żywice jonowymienne posiadające atest PZH. Na świecie istnieją zakłady uzdatniające wodę na potrzeby komunalne, w których stosuje się proces wymiany jonowej do zmiękczania wody oraz usuwania niektórych kationów lub anionów i związków organicznych. W przeszłości jako wymieniacze jonowe stosowano zeolity i krystaliczne glinokrzemiany. Obecnie zastąpiono je żywicami jonowymiennymi, które charakteryzują się większą pojemnością jonowymienną i żywotnością.
Podczas wymiany jonowej obecne w wodzie jony i cząsteczki mające określony ładunek wiązane są przez jonit oddający równocześnie do roztworu jony nieszkodliwe, najczęściej OH-, H,+ Na+, Cl+. W procesie tym oprócz czystej wymiany jonowej zachodzą zjawiska sorpcji. W związku z tym ciężko jest znaleźć wymieniacz jonowy zapewniający tylko czystą wymianę jonową. Jeżeli istnieje konieczność usuwania z wody kationów, to stosuje się proces dekationizacji na kationitach, jeżeli anionów - to deanionizacji na anionitach. Wymieniaczami jonowymi (jonitami) są substancje praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, które wymieniają z roztworu elektrolitu dodatnio lub ujemnie naładowane jony, na równoważne ilości jednoimiennych jonów wchodzących w skład jonitów. Ze względu na rodzaj wymienianych jonów, jonity dzieli się na:
• Kationity (Kt) - wymieniające kationy,
• Anionity (Ań) - wymieniające anionity.
Kationity mają charakter kwasów lub ich soli, a anionity zasad lub ich soli. Oprócz podanych istnieją również jonity bipolarne, zawierające zarówno grupy kwasowe jak i zasadowe oraz amfolity posiadające takie grupy funkcyjne, które w zależności od pH mogą zachowywać się jak grupy kwasowe lub zasadowe.
Jonitowe uzdatnianie wody znajduje głównie zastosowanie do:
• Zmiękczania;
• Demineralizacji i odsalania; polega na usunięciu z niej wszystkich kationów i anionów. Częściowe usuwanie jonów nazywane jest odsalaniem.
• Usuwania fosforanów i azotanów; Są one bardzo skutecznie usuwane z wody przy zastosowaniu silnie zasadowych anionitów.
• Usuwania azotu amonowego, metali i radionuklidów; Wysoki stopień usuwania jonów NH4+ zapewniają kationity syntetyczne, które są równie; skuteczne w wymianie metali ciężkich oraz radionuklidów. Do usuwani kationów należy stosować kationity, a wymianę anionowych form tych zanieczyszczeń zapewniają anionity.
• Usuwania zanieczyszczeń organicznych;