Výměna iontů. (ionexy) Výměna iontů. Výhody. Ionexy. Nevýhody. Kolonové uspořádání

Transkript

1 Výměna iontů Výměna iontů (ionexy) Separační metoda při které se na nosném skeletu nesoucím fixované funkční skupiny (náboj) vyměňují ionty nesoucí náboj opačného znaménka. Ionexy (iontoměniče) - látky schopné vyměňovat ionty anorganické (zeolity) i organické materiály, dnes převážně na bázi polymerů (polystyren, polyakrylát) Katex - ionex vyměňující kladně nabité ionty (kationty) Anex - ionex vyměňující záporně nabité ionty (anionty) 1 Chelatační ionexy - záchyt iontů na základě koordinační vazby mezi ionexem (N, O, S donory) a kovem. Někdy v kombinaci s 2 iontovou výměnou. Jejich selektivita je většinou vyšší. Výhody dokaží zachytit a koncentrovat látky z velmi zředěných roztoků selektivita - mimo klasických katexů anexů (selektivita dle náboje a iontového poloměru) existují i specielní ionexy selektivní pouze pro určité ionty Nevýhody - nutné pomocné chemikálie (regenerace) a tvorba odpadních roztoků - nízká účinnost při vysokých koncentracích - mechanické zanášení kolon při zanedbané předůpravě - možná biologická kontaminace Ionexy anorganické i organické materiály, dnes převážně na bázi syntetických polymerů (polystyren, polyakrylát) ve formě kuliček (zrn) - velikost zrn ovlivňuje kinetiku a hydraulický odpor vrstvy ionexu skelet ionexu - obrovská zesítěná molekula tvořící zrno ionexu - přerušovaný proces Anex Katex Ionexy - vlastnosti kapacita počet výměnných skupin v ionexu vztažený na objem nabotnalého ionexu (val.dm -3 ) nebo hmotnost sušiny (val.kg -1 ) rozlišuje se tzv. celková (tj. všechny skupiny) a užitečná kapacita (tj. kapacita pro danou aplikaci) selektivita schopnost zachytávat přednostně určitý druh iontů na základě jejich affinity k funkční skupině botnavost vlivem osmotického tlaku (ionty vázané ve skeletu mají snahu snížit koncentraci nasátím vody) dochází k roztažení skeletu objemové změny ionexu jsou významé především z provozního hlediska 5 Kolonové uspořádání nejčastější způsob použití (princip tlakového filtru) velké množství rovnovážných stupňů => nízké výstupní koncentrace pracovní cyklus sorpce - zachytávání iontů regenerace - vytěsnění zchycených iontů vymývání - odstranění reg. činidla při zhoršení hydraulických vlastností praní - nakypření ionexu + odstranění susp. částic Ionexová kolona: A nátok; B výtok upravené vody; C proplach vstup; D proplach vystup; E reg. roztok vstup; F reg. rozkok výstup; G distributor toku 6 1

2 Zpracování odpadu zachycení a deponování radioaktivních látek Zpracování odpadu zpracování odpadních roztoků obsahujících těžké kovy dekontaminace spodních vod zařízení pro zpracování plošných pojů 7 Metsep proces pro regeneraci odpadní HCl v protiproudé fluidní koloně na sepraci Zn a Fe. 8 Membránové separační procesy Membránové separační procesy Obecným principem membránových technik je selektivní transport složek systému přes membránu účinkem hnací síly, přičemž transportovanými částicemi hmoty se rozumí ionty, molekuly, koloidy apod. Membrána - záměrně nedokonalá polopropustná bariéra, dovolující preferovaný transport jedné komponenty vstupního proudu do produktu propustnost - míra toku látky membránou selektivita - schopnost rozdělovat částice 9 10 Výhody možnost separace látek bez fázových přeměn obvykle při teplotě okolí procesy lze snadno kontinualizovat a automatizovat jednoduché aparaturní uspořádání snadné rozšíření zpravidla výrazně nižší spotřeba energie oproti klasickým postupům tvorba uzavřených bezodpadových technologických uzlů Nevýhody/omezení citlivost vůči tzv. membránovým jedům limitace rozpustností látek a vytvářením povlaků na povrchu membrány materiálová a finanční náročnost membrán likvidace starých membrán koncentrační polarizace 11 Typy membrán podle struktury symetrické struktura a velikost pórů je v celém průřezu tloušťce shodná zpravidla tvořeny jedním typem materiálu asymetrické dělicí vrstva na nosné porésní vrstvě mohou být z jednoho materiálu nebo kompozitní 12 2

3 ploché listy a) plachty zasazené do rámu Tvary membrán (membránové moduly) Tvary membrán II (membránové moduly) spirálové moduly - svařené membrány stočené do spirály b) circular disc dutá vlákna trubice (tubulární moduly) obdoba filtračních svíček Materiál membrán používají polymerní nebo keramické membrány Rozdělení mem. procesů podle hnací síly procesu (Sterlitech ) Polyethersulfone Ultrafiltration Membrane nástřik koncentrát (retentát) permeát D dialýza, EP elektroforéza, GS separace plynů, MF mikrofiltrace, NF nanofiltrace, RO reversní osmosa, UF ultrafiltrace 15 schéma membránového procesu 16 Tlakové membránové procesy Tlakové membránové procesy hnací silou mechanicky vytvořený rozdíl tlaků před a za membránou Proces MF UF NF RO Velikost otvorů v membráně [nm]/ Velikost zachycovaných látek [D] nm 3-50 nm/ d 1-3 nm/ D pod 1 nm / pod 200 D Nejmenší zachycované látky zákal, mikroorganismy, koloidní částice makromolekuly, organické látky vícemocné soli jednomocné soli MF -mikrofiltrace, UF - ultrafiltrace, NF - nanofiltrace, RO - reverzní osmóza Při zpracování odpadů nachází největší uplatněnní RO/NF (separace iontů) a UF (separace organických polutantů)

4 Reverzní osmóza Reverzní osmóza regenerace galvanické Ni pokovovací lázně 19 Likvidace průsakových vod ze skládek odpadů. Permeát z druhého stupně RO splňuje normy pro vypouštění do vodoteče, retentát z RO2 se vrací do procesu. 20 Ultrafiltrace Proti RO pracuje s výrazně nižššímy tlaky (0,1-1MPa) - nižší náklady vhodná metoda pro zachycení oragnických nečistot (oleje, barviva, aj.) Elektromembránové procesy Elektromembránové procesy separují záporné částice od kladně nabitých podle jejich migrace k příslušným elektrodám. Separační procesy využívající elektrické pole jako hací sílu Mezi tyto procesy řadíme především elektrodialýzu (ED) a Prep-Tec UF system 2m 3 / den elektrodeionizaci (EDI). Odvozené procesy jsou membránová elektrolýza, elektroforéza a elektrogravitace. UF FEED Typical ultrafiltration flexographic ink feed. Total solids % : 0.5-2; average 0.75 Suspended solids (mg/l) : ,000; average 5,600 PH : ; average 7.5 Chemical Oxygen Demand : 8,000-80,000; average 4,000 Biological Oxygen Demand : 3,340-66,000; average 31,000 UF PERMEATE Typical ultrafiltration of flexographic ink permeates. Total solids % : ; Suspended solids (mg/l) : 4-40; average 23 PH : ; average 6.8 Chemical Oxygen Demand : 8,00-9,300; average 3,700 Biological Oxygen Demand : 160-6,000; average 2,900 UF CONCENTRATE Typical practical concentrates of approximately 25% total solids can be achieved via Prep-Tec tubular ultrafiltration systems. Final solids levels of > 30% total solids have been achieved at the expense of more intensive membrane cleaning procedures 21 vhodné pro zpracování roztoků s nízkým obsahem solí velmi často se používají v kombinaci s tlakovými memb. procesy 22 Iontoměničové membrány iontoměničová (ionexová) membrána - fólie nebo deska zhotovenou z iontoměniče (ionexu), přičemž hlavním cílem není klasická výměna iontů, ale kontrolovaný selektivní transport. náboj funkčních skupin v membráně je kompenzovám ekvivalentním počtem opačně nabitých iontů - protiontů. vlivem poruch v membráně dochází rovněž k průniku tzv.ko-iontů, tedy iontů souhlasného náboje s nábojem fixovaných funkčních skupin v membráně obdobně jako ionexy dělíme membrány na: Katexové - dovolující volný průchod jen kladně nabitých částic Anexové - umožňují volný průchod jen záporně nabitých částic Bipolární - (speciální druh) membrána složená z katexové a anexové 23 vrstvy Iontoměničové membrány Podle struktury a způsobu přípravy rozlišujeme mebrány: Homogenní - vznikají zavedením funkčních skupin do polymerního filmu. Jsou tvořeny pouze iontovýměnným materiálem, a neobsahují inertní polymerní nosič. Nejčastěji na bázi styrenových nebo vinylpyridinových kopolymerů, síťovaných divinylbenzenem. Heterogenní - struktura je dána rozptýlením částic iontovýměnného materiálu v inertním polymerním nosiči. Pro dobrou účinnost těchto membrán je rozhodující rovnoměrné rozmístění částic v inertním pojivu a jejich hmotnostní poměr. S rostoucím obsahem iontoměniče ztrácejí membrány vhodné mechanické vlastnosti a naopak při nižším obsahu se zhoršuje elektrochemická kvalita membrán. Připravují se tedy mechanickým zpracováním směsí, tj. kalandrováním, extruzí a lisováním. 24 4

5 Elektrodialýza Elektrodialýza působením stejnosměrného elektrického pole na disociované složky solí ve vodném roztoku dochází k pohybu kladně nabitých iontů směrem ke katodě a zároveň záporně nabitých k anodě. katexové a anexové iontově selektivní mebrány umožňují průnik iontu vždy pouze jedné polarity dochází k vytváření mezimembránových prostorů (komor) diluátová komora - protéká ochuzovaný proud koncentrátová komora - protéká obohacovaný proud elektrodialyzér zpravidla obsahuje až několik set komor elektrodialyzer filter press uspořádání obsahuje střídavě koncentrátové a diluátové komory 25 Schéma elektrodialýzy: D - diluátová komora, K- koncentrátová komora, AM - anexová membrána, KM - katexová membrána 26 Elektrodialýza odsolování mořské vody recyklace těžkých kovů v galvanickém průmyslu zpracování odpadních vod příp. recyklace chemických látek vrůzných závodech chemického průmyslu zpracování odpadních vod v uranovém průmyslu odsolování organických látek (syrovátka, KMC) Elektrodialýza omezení koncentrační polarizace zanášení komor a povrchu membrán membránové jedy limitní proudová hustota hydraulický odpor Zapojení Zapojení: batch feed and bleed one-pass 27 kontinuální vsádkové 28 Elektrodialyzér Elektrodialyzéry modul ED-II Type: Nr. of installed membranes Dimension of the membrane Membranes RALEX AM, CM Dimension of the spacer Spacers work., electr., inter. Electrode frame and sealing Electrodes anode, cathode End plates (frames) Dimensions, weights ED-II-2/ cell pairs, (max. effective area 166 m 2 ) 400 x 1600 mm, effective 320 x 1300 mm pieces 810 x 1610 mm, thickness 1 mm pieces, PE 2 pieces PP 10 mm, 2 pieces EPDM 1 mm 4 pieces, Ti + Pt (Ru), stainless-steel 2 pieces, PP 20 mm and stainless-steel 500 x 960 x 1750 mm, empty 600 kg, w.water 850 kg jednotlivé části se umísťují do svazku (stacku) Operation limits: DC el. power Pressure inlet / outlet, difference Flow Temperature TSS F -, (Cl - ) ED-II-2/200 max. 400 V / 120 A operational 50 kpa, max. 80 kpa / max. 10 kpa D, K approx. 10 m 3 /hr at 50 kpa, E min. 3 m 3 /hr operation approx. 30 o C, max. 40 o C max. 10 µm, max. 10 ppm max. 5 ppm in electrode solution delicí vložka mezi membrány (spacer) možné uspořádání toku elektrodialyzér MEGA a.s. roztoku v komoře elektrodialyzéru

6 Elektrodialýza Ni GEAM Dolní Rožínka Elektrodialýza - odsolování nadbilančních síranových vod po těžbě uranu DIAMO s.p., o.z. GEAM Dolní Rožínka výluhy z odkalovací nádrže z uranových dolů a následného zpracování rudy(27-30 g/l TDS, anionty SO 4 2-, CO 32 -, HCO 3-, NO 3-, NO 2-, Cl -, F -, kationty Na +, Ca 2+, Mg 2+, ostatní kovy např. Mo, V a organický materiál) Předúprava: precipitace - snížení koncentrace Ca 2+ and Mg 2+ pod 20 ppm + iontová výměna - separace kovů + okyselení na ph < 3 Vstup: 3,6 a 8,5 m 3 /h g/l TDS Diluát: 2,5 a 6,8 m 3 /h - 0,6 2,0 g/l TDS Koncentrát: 1,1 a 1,7 m 3 /h g/l TDS DC napětí: cca V / stack proudová účinost: 80 % El. spotřeba: 12,9 kwh/m 3 Produkt: odpařením je z koncentrátu získáván Na 2 SO 4. regenerace Ni z oplachu z galvanického pokovování Elektrodialýza s bipolární membránou Zvláštní druh elektrodialýzy, uvnitř bipolární membrány dochází k disociaci vody a do okolních komor se uvolňují H + a OH - ionty Elektrodeionizace (EDI) kombinace iontové výměny a elektrodialýzy kontinuální proces odstraňující iontové a ionizovatelné složky ze silně zředěných roztoků koncentrátové komory jsou vyplněny směsným ložem iontoměničů přítomnost iontoměniče výrazně zvyšuje vodivost ionexy jsou kontinuálně regenerovány ionty OH - a H + selektivitou iontoměniče lze preferovat separaci určitých iontů Elektrodeionizace (EDI) Shrnutí všechny uvedené metody mají své výhody a omezení vhodnost dané metody závisí na specifických podmínkách dané aplikace kombinací metod lze dosáhnout zvýšení efektivity z hlediska zpracování odpadů je vedle produkce odpadní vody vysoké čistoty důležité klást důraz i na potenciální využití produktu nejlépe navracením do systému

7 Doporučená literatura Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Published by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Perry's Chemical Engineers' Handbook, by Robert H. Perry and Don W. Green McGraw-Hill Inc. Nejlepší dostupné techniky BAT, Dokumenty BREF