Toepassing van ionenwisselingsharsen in waterzuiveringssystemen

1. Definitie van ion Uitwisselingshars

Ionenwisselaarsharsen zijn onoplosbare polymere verbindingen met functionele groepen en een netwerkstructuur, die doorgaans verschijnen als bolvormige kralen. De volledige naam van een ionenwisselaarshars is samengesteld uit de classificatienaam, matrixnaam (skeletnaam) en basisnaam. Tegenwoordig worden ionenwisselaarsharsen veel gebruikt in tal van sectoren, waaronder waterzuivering, de chemische industrie, de metallurgie, de voedingsmiddelenindustrie, de leerindustrie en de ultrazuivere farmaceutische industrie.

2. Classificatie van ionenwisselingsharsen op basis van waterkwaliteit

Ionenwisselaars kunnen op basis van hun matrixtype worden ingedeeld in styreen- en acrylharsen. Het type chemisch actieve functionele groepen op de hars bepaalt de primaire eigenschappen en categorie. Ze worden in principe onderverdeeld in twee hoofdgroepen: kationenwisselaars en anionenwisselaars, die respectievelijk kationen en anionen in een oplossing kunnen uitwisselen. Kationenwisselaars worden verder onderverdeeld in sterk zure kationen (SAC) en zwak zure kationen (WAC). Anionenwisselaars worden eveneens onderverdeeld in sterk basische anionen (SBA) en zwak basische anionen (WBA).

3. Toepassing van ionenwisselingsharsen in de waterzuiveringsindustrie

De waterzuiveringsindustrie is een van de eerste toepassingsgebieden voor ionenwisselaarharsen en is verantwoordelijk voor een aanzienlijke vraag, goed voor ongeveer 90% van de totale productie van ionenwisselaarharsen. In de waterzuivering worden deze harsen gebruikt voor waterontharding, ontzilting en de productie van onthard, zuiver en ultrapuur water. In de afvalwaterzuivering worden ze voornamelijk gebruikt om de concentratie zware metaalionen te verlagen door een uitwisselingsreactie tussen de uitwisselbare ionen in de hars en de zware metaalionen in het afvalwater, waardoor een geavanceerde zuivering wordt bereikt.

3.1 Toepassing van ionenwisselingsharsen bij waterontharding

a. Samenstelling en functie van onthardingsfilters:

Volledig automatische waterontharders bestaan ​​hoofdzakelijk uit drie hoofdonderdelen: de harstank, de automatische meerwegregelklep en de pekeltank. De harstank is gevuld met ionenwisselaarhars die calcium- (Ca²⁺) en magnesiumionen (Mg²⁺) uit het water absorbeert. De meerwegregelklep fungeert als controller voor de onthardingsapparatuur en regelt de automatische cycli van werking, regeneratie, spoelen, terugspoelen en het bijvullen van de pekeltank. De pekeltank slaat zout (NaCl) op dat wordt gebruikt tijdens het regeneratieproces van de hars.

b. Werkingsprincipe van verzachtende harsen:

Onthardingsharsen verwijderen voornamelijk hardheidsionen uit water via ionenuitwisseling. Deze hardheidsionen, voornamelijk calcium (Ca²⁺) en magnesium (Mg²⁺), dragen het meest bij aan de waterhardheid. De onthardingshars bevat veel natriumionen (Na⁺). Terwijl het water door het harsbed stroomt, wisselen de natriumionen in de hars uit met de calcium- en magnesiumionen in het water, waardoor de hardheidsionen worden verwijderd.

c. Toepassingen van onthardingsfilters:

Toepassingen zijn onder meer ketelvoedingswater, suppletiewater voor airconditioningsystemen, warmtewisselaars, papierproductie, druk- en verfindustrie, textiel, water voor petrochemische processen, biofarmaceutica, elektronica, voorbehandeling voor zuiverwatersystemen en industriële systemen voor nul-vloeistoflozing (ZLD).

3.2 Toepassing van ionenwisselingsharsen bij de productie van zuiver en ultrazuiver water

a. Definitie van kation-/anionuitwisselingsvaten (CAB):

Kation-/anionenwisselaars, ook wel ionenwisselaars of demineralisatie-installaties genoemd, zijn waterbehandelingsapparatuur die gebruikmaakt van de ionenwisselingscapaciteit van harsen om ionen uit water te verwijderen. Hun werking is gebaseerd op de ionenwisselingskarakteristiek van de harsen, waarbij ionen op de hars worden uitgewisseld met corresponderende ionen in het water, waardoor ionen worden verwijderd.

b. Werkingsprincipe van kation-/anionenuitwisselingsvaten:

Een typisch demineralisatiesysteem met twee bedden bestaat uit een kationenwisselaar (zure kationenwisselaar) en een anionenwisselaar (base-anionenwisselaar), die in serie zijn geschakeld. Ruw water stroomt eerst door de kationenwisselaar. Hier adsorbeert de kationenwisselaarhars kationische onzuiverheden uit het water, waarbij tegelijkertijd waterstofionen (H⁺) aan het water worden afgegeven, waardoor het zuur wordt. Vervolgens stroomt het water door een decarbonator (of ontgasser) om de vrijgekomen kooldioxide (CO₂) als gas te verwijderen, wat zorgt voor een efficiënte uitwisseling in de anionenwisselaar onder zure omstandigheden. Ten slotte stroomt het water door de anionenwisselaar, waar de anionenwisselaarhars anionische onzuiverheden verwijdert.

c. Toepassingsgebieden van kation-/anionenuitwisselingsvaten:

In sectoren zoals de chemie, energie en metaalindustrie worden ze vaak gebruikt voor het ontharden van ketelvoedingswater om kalkaanslag en corrosie te voorkomen. Bij landbouwirrigatie kan het gebruik van water dat met deze systemen wordt behandeld, helpen bij het verminderen van bodemverzilting. Ze spelen ook een belangrijke rol in de voorbehandelingsfasen voor zeewaterontzilting en creëren gunstige omstandigheden voor daaropvolgende geavanceerde zuiveringsprocessen.

3.3 Toepassing van gepolijste mengbedden bij de productie van zuiver en ultrazuiver water

a. Definitie van gepolijste gemengde bedden:

Polijsthars wordt doorgaans gebruikt in de laatste fase (polijstfase) van ultrazuivere waterzuiveringssystemen om te garanderen dat de effluentkwaliteit voldoet aan de vereiste normen. Vaak wordt een soortelijke weerstand van 18 MΩ·cm of hoger bereikt. Het is een type ionenwisselaarhars, met name een mengsel van sterk zure kationenwisselaarhars in waterstof (H⁺) en sterk basische anionenwisselaarhars in hydroxide (OH⁻).

b. Werkingsprincipe van polijstharsen:

Een gepolijst gemengd bed bevat zowel kation- als anionenwisselaarsharsen die grondig gemengd zijn in hetzelfde vat. In dit gemengde bed worden de kation- en anionharsen innig gemengd, waardoor de kation- en anionenwisselingsreacties vrijwel gelijktijdig kunnen plaatsvinden. De waterstofionen (H⁺) die geproduceerd worden door de H-type kationenwisseling en de hydroxide-ionen (OH⁻) die geproduceerd worden door de OH-type anionenwisseling kunnen zich niet ophopen en zich direct combineren tot zwak gedissocieerde watermoleculen. Dit elimineert in wezen het effect van tegenionen, waardoor de ionenwisselingsreactie zeer grondig kan verlopen, wat resulteert in een zeer zuiver effluent. Wanneer de ionen in de polijsthars uitgeput zijn, wordt de hars geregenereerd met zuur- en alkali-oplossingen om de waterstof- en hydroxide-ionen effectief te herstellen en zo de werkcapaciteit van de hars te herstellen.

c. Toepassingsgebieden:

Elektronica-industrie: productie van zeer zuiver water voor halfgeleiders en andere elektronische componenten.

Energiecentrales: uitgebreid gebruik in zuiveringssystemen voor water in thermische energiecentrales.

Synthetische chemie en petrochemische industrie: ionenwisselingsharsen kunnen als katalysator fungeren en anorganische zuren en basen vervangen in reacties zoals verestering, hydrolyse en hydratatie.

Farmaceutische industrie: Ionenwisselingsharsen spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van nieuwe generaties antibiotica en het verbeteren van de kwaliteit van bestaande antibiotica.