Pramoniniame vandens tiekime ir nuotekų valyme jonų mainų minkštinimas yra viena iš klasikiniausių ir plačiausiai naudojamų vandens kokybės kontrolės technologijų. Nors „dervos mainai“ yra inžinieriams pažįstamas terminas, pagrindinė jonų pusiausvyra ir grįžtami reakcijos mechanizmai tiesiogiai lemia minkštinimo efektą, dervos naudojimo trukmę ir regeneracijos ekonomiką. Atsiradus naujiems procesams, pvz., didelio-druskumo nuotekoms ir nulinės-iškrovos sistemoms, tradiciniai jonų mainų principai susiduria su naujais iššūkiais,-kodėl labai mažėja minkštinimo efektyvumas esant dideliam- druskingam vandeniui? Kodėl regeneravimo sūrymo koncentracija turi būti kontroliuojama 6–10 %? Šis straipsnis prasidės nuo cheminės jonų mainų pusiausvyros, giliai išanalizavus esminius katijonų mainų dervų reakcijų dėsnius transformacijos, minkštinimo ir regeneracijos metu, suteikiant teorinį pagrindą ir praktines inžinierių rekomendacijas, kaip optimizuoti sistemos veikimo parametrus.
I. Pagrindiniai jonų mainų ir regeneracijos principai
Katijonų mainų dervų transformacijos, minkštinimo ir regeneracijos procesai iš esmės yra jonų mainų procesai, panašūs į chemines reakcijas tirpale, išskyrus tai, kad jie vyksta nevienalytėje (kietoje ir skystoje) terpėje. Prieš ir po reakcijos pati dervos struktūra nekinta. Ši „kas kuo keičiasi“ problema iš esmės yra grįžtamasis reakcijos procesas. Kad jonų mainai vyktų sklandžiai, turi būti sutrikdyta cheminė pusiausvyra, stumiant reakciją į dešinę ir iš tirpalo pašalinant kuo daugiau naujai susidariusios medžiagos. Kaip pavyzdį imame mainus tarp RNa-tipo dervos ir CaCl2, kaip parodyta toliau pateiktoje lygtyje:
Remiantis chemine pusiausvyra, statinė reakcija aukščiau pateiktoje lygtyje pasiekia pusiausvyros būseną po tam tikro taško, o tai reiškia, kad ne visas Na+ ant RNa dervos buvo pakeistas. Norint padidinti vandens minkštinimo efektą ir pastumti reakciją į dešinę, susidaręs NaCl turi būti nedelsiant pašalintas.
Remiantis šiuo principu, gamybinėje praktikoje RNa{0}} tipo derva dedama į jonų keitiklį, leidžiantį vandeniu, kuriame yra CaCl2, nuolat tekėti per jį ir taip nuolat šalinti susidariusį NaCl. Tokiu būdu ant dervos esantys Na+ jonai gali nuolat keistis Ca2+ jonais vandenyje, kol pasikeičia beveik visi ant dervos esantys Na+ jonai. Tai yra pagrindinis jonų mainų principas. Regeneravimo procesas yra priešingas: Na+ jonai keičiasi Ca2+ jonais ant R2Ca-tipo dervos, o susidaręs CaCl2 greitai pašalinamas, o tai naudinga regeneracijai.
II. Jonų mainų pusiausvyra ir sutrikimas
Grįžtamoji jonų mainų reakcija paklūsta „masės veikimo dėsniui“, o jonų mainų reakcijos pusiausvyros konstanta K gali būti išreikšta šia formule:
Čia: [Ca2+]e yra Ca2+ koncentracija dervoje esant reakcijos pusiausvyrai; [Na+]e – Na+ koncentracija dervoje esant reakcijos pusiausvyrai; [Ca2+] yra Ca2+ koncentracija vandenyje esant reakcijos pusiausvyrai; [Na+]e – Na+ koncentracija vandenyje esant reakcijos pusiausvyrai.
Kairioji aukščiau pateiktos formulės pusė rodo Ca2+ koncentracijos ir Na+ koncentracijos dervos viduje santykį. Jei ši vertė yra didelė, tai rodo, kad Ca2+ koncentracija yra daug didesnė nei Na+ koncentracija, o derva iš esmės yra R2Ca tipo; jei ši vertė yra maža, derva iš esmės yra RNa tipo. Pirmasis yra minkštinimo efekto reikalavimas, o antrasis – regeneracinio efekto reikalavimas.
Kaip matyti iš formulės, [Ca2+]e/[Na+]e² dydis priklauso nuo pusiausvyros konstantos K ir [Ca2+]/[Na+]² dydžio vandenyje. Šių dviejų veiksnių analizė yra tokia:
(1) K vertė yra didesnė už 1, taigi atspindi būdingą polinkį Ca2+ pakeisti Na+ tarp dviejų jonų. Šią tendenciją lemia mainų potencialas tarp šių dviejų jonų ir pačios dervos, atspindintis pagrindinę tendenciją „kas keičiasi kuo“.
(2) [Ca2+]/[Na+]2 faktorius atspindi santykines Ca2+ ir Na+ koncentracijas vandenyje. Šis ryšys keičiasi priklausomai nuo vandens kokybės ir gali būti dirbtinai įsikišęs.
Naudojant jonų mainus mažo druskingumo vandeniui minkštinti, tiek Ca2+, tiek Na+ koncentracija yra maža, tačiau Ca2+ koncentracija yra santykinai daug didesnė už Na+ koncentraciją. Dėl to gaunama didelė [Ca2+]/[Na+]2 vertė. Kadangi K reikšmė taip pat yra didesnė nei 1, jų sandauga yra dar didesnė, todėl gaunama didelė [Ca2+]e/[Na+]e2 vertė. Tai rodo, kad po jonų mainų derva iš esmės yra R2Ca tipo. Naudojant jonų mainus didelio druskingumo nuotekoms minkštinti, tiek Ca²⁺, tiek Na⁺ koncentracija vandenyje yra labai didelė, o Ca²⁺ koncentracija yra daug mažesnė nei Na⁺. Dėl to gaunama labai maža [Ca²⁺]/[Na⁺]² vertė, kuri, padauginus iš K vertės, taip pat yra labai maža. Todėl sunku gauti didelę [Ca²+]e/[Na+]e² vertę, o tai reiškia, kad jonų mainų metu dervą sunku paversti R2Ca forma. Tai rodo, kad sunku naudoti jonų mainus siekiant suminkštinti didelio{20}druskumo nuotekas.
Regeneracijos metu norime, kad derva būtų visiškai paversta RNa forma. Kad [Ca²⁺]e/[Na⁺]e² vertė būtų labai maža, vienintelis įmanomas būdas yra padidinti Na⁺ koncentraciją vandenyje. Štai kodėl druskos koncentracija regeneracijos metu turi siekti 6% ~ 10%.
Regeneruojant RH- tipo dervą, jei kaip regeneratorius naudojamas HCl, susidaro CaCl₂ ir MgCl₂. Abi šios medžiagos gerai tirpsta vandenyje, todėl nėra kritulių problemos. Todėl nėra jokių specialių HCl tirpalo koncentracijos apribojimų. Tačiau naudojant H2SO4 kaip regeneratorių, susidarančio CaSO4 (gipso) tirpumas yra labai mažas. Todėl labai svarbu užkirsti kelią CaSO4 nusodinimui. Krituliai gali užkimšti dervos susietas{10}}tinklo poras, todėl derva gali prarasti dalį mainų. Taigi, naudojant H2SO4 kaip regeneratorių, koncentracija turi būti ribojama iki 1–2%, o regeneracijos greitis neturi būti per mažas.
Apibendrinant galima pasakyti, kad jonų mainai yra ne tik fizinė adsorbcija, bet ir grįžtama mainų reakcija, kurioje dominuoja cheminė pusiausvyra. Suprasti jo esmę yra būtina praktiniam inžineriniam pritaikymui. Minkštinimo sistemoms, norint pasiekti veiksmingą mainą ir ekonomišką regeneraciją, labai svarbu įvaldyti ryšį tarp reakcijos pusiausvyros konstantos ir jonų koncentracijos vandenyje. Didelio-druskumo nuotekų valymui dar labiau reikia įveikti pusiausvyros apribojimus koreguojant veikimo sąlygas arba naudojant sudėtinius procesus. Tiek pramoniniam vandeniui, tiek pakartotiniam pramoninių nuotekų naudojimui, racionalus jonų mainų dervų pasirinkimas ir regeneracijos kontrolė yra labai svarbūs stabiliam sistemos veikimui ir energijos taupymui. Tik sujungus teoriją su lauko patirtimi, galima iš tikrųjų realizuoti pagrindinę jonų mainų technologijos vertę šiuolaikiniame vandens valyme.
