§ 5. Ионообменная очистка газов

Ионный обмен основан на свойстве некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать содержащиеся в них ионы на другие ионы, содержащиеся в растворах или в газовых смесях и подлежащие удалению. Иониты, способные поглощать из раствора и газов положительные ионы, называются катионитами, а способные поглощать отрицательные ионы — анионитами. Первые обладают кислотными свойствами и имеют общую формулу HR, а вторые — основными свойствами и пишутся и имеют общую формулу HCR, где R — радикал, а Н и ОН — обменивающиеся ионы. Иониты могут иметь и солевую форму, например R₂CO₃ или R₂SO₃.

В жидкостях иониты имеют значительно большую активность, чем в газах, и поэтому для очистки жидкостей иониты получили уже широкое промышленное применение. Для очистки газов, т.е. извлечения из газовых смесей определенных газообразных компонентов, иониты еще только начинают применяться в народном хозяйстве после прохождения стадий лабораторных и полупромышленных исследований.

Реакции обмена в газах протекают следующим образом:

кислотная форма ионита HR + NH_{3 raз} → NH₄R;

основная форма ионита HCR+HCl _raз → RCl + Н₂O;

солевая форма ионита R₂CO₃+SO_{2 raз} → R₂SO₃+CO₂.

Реакция идет до достижения ионообменного равновесия, скорость установления которого зависит от гидродинамического режима движения газа, концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов. Скорость ионного обмена определяется диффузией в пограничном слое газа и диффузией в зерне ионита. Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет общую скорость процесса.

Таким образом, отличие ионообменных процессов от обычных адсорбционных состоит в том, что обмен ионами, происходящий между ионитами и газовой смесью, связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитом и каким-либо газообразным компонентом, находящимся в газовой смеси. Наиболее изученным процессом является сорбция аммиака катионитом. Результаты исследований показывают, что активность катионита сильно зависит от его влажности, с увеличением которой катионит резко активируется. Это объясняется меньшей доступностью для ионов функциональных групп сухого ненабухшего катионита. Активность катионита несколько снижается при повышении концентрации аммиака в газе, видимо, в результате повышения температуры при экзотермической реакции взаимодействия катионита с аммиаком. При увеличении толщины слоя активность катионита возрастает, однако уже при 12 см достигает максимума и перестает изменяться. С увеличением скорости прохождения газа через слой активность катионита снижается.

Для замкнутого технологического процесса крайне важны возможность эффективной десорбции поглощаемого компонента и восстановление поглощающей способности ионита. Десорбцию можно осуществить путем промывки полученного соединения слабым раствором кислоты или щелочи, при которой ионит переводится в свою первоначальную форму, например по реакции

Такого же результата можно достичь продувкой слоя газовым десорбентом, например хлористым водородом и аммиаком.

Иногда десорбцию можно осуществить нагревом и разложением полученного в результате ионного обмена соединения.

Иониты могут иметь как природное, так и искусственное происхождение. К неорганическим природным ионитам относятся глинистые материалы, полевые шпаты, глауконит, слюда и т. д. Катионообменные свойства их обусловлены содержанием алюмосиликатов. К синтетическим катионитам относятся пермутит, силикагель. Наиболее перспективны синтетические органические соединения — ионообменные смолы, представляющие собой высокомолекулярные химически активные полимерные вещества, некоторые из которых способны к обмену катионов, а другие анионов. Иониты выпускаются преимущественно в виде гранул сферической или неправильной формы размером 0,3—2 мм с насыпной массой 650—850 кг/м³. В последние годы развивается производство ионитных волокон диаметром 5—35 мкм и текстильных изделий, обладающих более высокой химической, термической и радиационной стойкостью и увеличенной объемной емкостью. Эти материалы благодаря тканеобразной форме позволяют радикально усовершенствовать конструкцию ионитовых фильтров.

Аппаратурное оформление процессов ионообменной очистки газов во многом аналогично оформлению процессов адсорбции. Ионообменные аппараты изготовляют периодического и непрерывного действия, с неподвижным, движущимся и взвешенным слоем ионита. Полный цикл работы ионообменного аппарата должен включать следующие стадии: ионообмен, т. е. поглощение заданного газового компонента ионитом; отмывку ионита от механических примесей; регенерацию ионита, т. е. приведение ионита в начальное состояние; отмывку ионита от регенерирующего раствора.

Специально разработанная для ионообменной очистки газов аппаратура серийно пока не выпускается.

Контрольные вопросы

1. Как протекает процесс адсорбции? Изотермы адсорбции.

2. Какие вещества применяют в качестве адсорбентов?

3. Устройство и работа адсорберов различного типа.

4. Основы расчета адсорберов с неподвижным слоем поглотителя.

5. Ионообменная очистка газов.