Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Fyzikálně chemické procesy

Skupina technologií

Ionexy

Název procesu

Ionexy

Popis technologie

Měniče iontů (ionexy) slouží k zachycování rozpuštěných látek v ionizovaném stavu, nesoucích kladný nebo záporný náboj. V podstatě se jedná o vysokomolekulární látky s prostorově uspořádaným skeletem, na kterém jsou navázány funkční skupiny schopné disociace. Ty při ní uvolňují jednoduché ionty (tzv. protiionty) a samy tak získávají opačný náboj. Protiionty jsou k funkčním skupinám vázány poměrně slabými vazbami a za vhodných podmínek mohou být vyměněny za jiné ionty z roztoku, mající stejný náboj. Ionexy se dělí podle náboje uvolňovaného (vyměňovaného) iontu na katexy a anexy.

Původními, slabě vázanými, protiionty u katexů jsou vodíkové nebo sodíkové kationty, u anexů potom hydroxidové nebo chloridové anionty. Podle protiiontu mluvíme o ionexu v H⁺, Na⁺, OH^- nebo Cl^- formě, případně říkáme, že ionex pracuje v H⁺, Na⁺, OH^- nebo Cl^- cyklu.

Podle schopnosti disociovat v závislosti na hodnotě pH se ionexy dělí na silné a slabé. Disociace funkčních skupin silných (silně kyselých) katexů a silných (silně bazických) anexů není ovlivňována hodnotou pH a tyto ionexy lze použít v kyselém i v alkalickém prostředí. Použití slabých ionexů (slabě kyselých katexů a slabě bazických anexů) je omezeno na oblasti pH, kde disociace jejich funkčních skupin není potlačena.

V principu je iontová výměna proces diskontinuální: každý ionex obsahuje omezený počet funkčních skupin, proto může vyměnit jen určité množství iontů a poté je nutné ho regenerovat. V klasickém kolonovém uspořádání mluvíme o tzv. pracovním cyklu ionexu, který se skládá ze čtyř fází: 

1. Vlastní výměna
   V této fázi dochází k vlastnímu zachycení iontů, které chceme odstranit. Z kolony vytéká voda (eluát) s  koncentrací vyměňovaného iontu podstatně sníženou a naopak zvýšenou koncentrací původního protiiontu ionexu. Míra zadržení není pro všechny ionty stejná – ionexy jsou selektivní.
    
2. Praní a kypření
   Po skončení iontové výměny je ionexové lože propráno vodou, případně směsí vody a vzduchu.
    
3. Regenerace
   Při regeneraci probíhá proces opačný než při iontové výměně. Pro zvrácení procesu je třeba promývat ionex regeneračním roztokem s vysokou koncentrací původních protiiontů. Pro regeneraci katexů pracujících v H+ cyklu se používají několikaprocentní roztoky HCl nebo H₂SO₄, pro regeneraci anexů v OH^- formě roztok NaOH a pro ionexy v Na⁺ nebo Cl^- formě roztok NaCl.
   Např. v energetice se používá pro regeneraci silně kyselého katexu kyselina chlorovodíková, kyselina sírová a kyselina dusičná. Kyselina sírová se používá z obavy před korozí korozivzdorných částí v parovodním okruhu, zejména v parogenerátoru. Kyselina dusičná se používá výlučně v jaderných elektrárnách na úpravu vnitřního okruhu chlazení v primárním okruhu.
    
4.  Vymývání
   Po ukončení regenerace se ionex opět promyje - vodou s malým obsahem iontů.

Díky zakoncentrování zachycených iontů na ionexu a jejich uvolnění do relativně malého objemu regeneračního roztoku mají ionexy značný potenciál pro recyklaci látek zachycených z odpadních vod.

Stejně tak lze ionexy používat pro získání změkčené či demineralizované vody. V energetice kvalita upravené vody za demineralizační linkou nedosahuje požadované kvality a je nutno použít další stupeň - směsné lože (mixbed) ze silně kyselého katexu a silně bazického anexu. Výstup z mixbedu odpovídá kvalitě tzv. ultračisté vody. 
Při úpravě přídavné vody pro napájení parních nebo horkovodních kotlů je dostačující úprava změkčením na silně kyselé ionexové koloně. Podle charakteru upravované vody, a hlavně pro využití vratného kondenzátu je zařazována dekarbonizace (odstraňování hydrogenuhličitanu vápenatého) na slabě kyselém katexu. 
 

Aktuálnost

stávající high-tech

Vhodné pro srážkové vody

ano, pro jejich úplnou demineralizaci

Typické reaktory a jejich uspořádání

Je možné vsádkové i kontinuální uspořádání, které je mnohem běžnější.

Pro kontinuální aplikace je obvyklým uspořádáním systém náplňových kolon.

Pro čištění vstupních vod s vyšším obsahem nerozpuštěných látek jsou vhodné kolony s ložem ve vznosu.

Iontovou výměnu lze provádět i v nepřetržitém provozu v kontinuální koloně, ve které se voda i ionex pohybují v protiproudém uspořádání. Ionex postupně prochází oblastí výměnnou, prací, regenerační a vymývací a vrací se do oblasti výměnné.

Komerčně dostupné ionexy jsou obvykle na bázi polymerních pryskyřic, vyráběné ve formě zrn o průměru desetin mm až po cca 1,5 mm.

Typické schéma

Cílené znečištění

Ionty; primárně anorganické, nicméně v některých případech lze použít i na látky organické v iontové formě.

Typické koncentrace cílového znečištění

V případě ionexů jsou požívány látkové koncentrace (mol/l).

Vzhledem k omezené kapacitě ionexů se vstupní koncentrace odstraňovaných iontů pohybují maximálně v desítkách mmol/l, což může odpovídat hmotnostním koncentracím cca do 1000 mg/l.

Kritické parametry

Selektivita ionexu: Míra zadržení není pro všechny ionty stejná, je dána vlastnostmi ionexu i iontu samotného. Pro konkrétní složení vstupní vody je třeba zvolit správný typ ionexu.

Inhibiční vlivy

Teplota vody: Vysoká teplota negativně ovlivňuje funkci některých ionexů.

Přítomnost agresivních látek: Některé sloučeniny (např. silná oxidační činidla) mohou vést k destrukci ionexu.

Sloučeniny tvořící nevratnou vazbu: Některé organické i anorganické sloučeniny se mohou nevratně vázat na ionex a tak ho vyřadit z provozu.

Další relevantní parametry

Kapacita ionexu: Počet molů iontů dělený jejich nábojovým číslem, které zachytí hmotnostní či objemová jednotka ionexu. Běžně v jednotkách mol/kg.

Specifické zatížení: Průtok kolonou ionexu vztažený na jednotkový objem, obvykle 10 - 25 m³/(m³.h).

Výška lože (vrstvy ionexu): typicky 0,75 - 2 m

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

Za optimálních podmínek je účinnost odstranění cílového iontu až 99 %.

Hygienizační funkce

Ne, naopak v některých případech se ionex může stát nosičem mikroorganismů.

Investiční náklady

Dány jednak kolonami, potrubím a čerpadly, jednak vlastními ionexovými náplněmi. Závisí na objemu a složení vstupu i na požadavcích na kvalitu výstupu.

Prostorová náročnost

V kolonovém uspořádání je zastavěná plocha malá.

Energetická náročnost

Spojená s čerpáním vstupní vody, prací vody a regeneračního roztoku.

Náročnost na obsluhu

Je nutná schopnost vyhodnotit data procesu a na jejich základě rozhodnout o včasné regeneraci ionexu.

Provozní náklady

Kromě elektrické energie jsou hlavní náklady spojeny s regeneračními činidly. Obecně platí: čím vyšší vstupní koncentrace iontů, tím vyšší provozní náklady.

Chemikálie

Regenerační činidla: Podle typu ionexu kyseliny (HCl, H₂SO₄, někdy HNO₃), hydroxid (NaOH), nebo NaCl.

Měření a regulace

pH, konduktivita, tlaková ztráta, koncentrace konkrétních iontů

Kapalné

Vyčerpaný regenerační roztok: buď je likvidován jako kapalný odpad, v některých případech může být zpracován pro rekuperaci zachycených látek.

Prací voda

Pevné

Ve specifických případech se ionex neregeneruje, ale likviduje jako odpad.

Vyžadovaná předúprava

Separace nerozpuštěných látek, tuků, olejů a agresivních sloučenin.

V případě příliš vysokých koncentrací cílového znečištění adekvátní technologie předčištění (např. srážení, koagulace, membránová separace).

Vyžadované dočištění

Obvykle koncový stupeň čištění.

Typická průmyslová odvětví

Povrchová úprava kovů Chemický průmysl Energetika Veškerá odvětví využívající ultračistou vodu

Harland, C. E. (1994). Ion Exchange: Theory and Practice. Cambridge, Royal Society of Chemistry.

Zagorodni, A. A. (2007). Ion Exchange Materials: Properties and Applications.

Tchobanoglous, G., et al. (2014). Wastewater engineering: treatment and resource recovery. New York, NY, McGraw-Hill Education.