Ионообменная очистка газовых потоков

В последнее время для адсорбционной очистки промышленных выбросов от газов с полярными молекулами применяются иониты. Обычно в ионообменных процессах по аналогии с абсорбцией происходят перемещения различных типов ионов из раствора к поверхности ионита и обратно — от поверхности ионита в раствор, а также внутри зерен ионита, в результате чего осуществляется избирательное поглощение одного или нескольких компонентов.

Иониты представляют собой нерастворимые твердые вещества, способные обменивать содержащиеся в них ионы на другие ионы, присутствующие в другой (жидкой или газообразной) фазе.

До недавнего времени иониты использовались лишь для сорбции различных веществ из растворов, однако благодаря возможности принимать любую химическую форму, необходимую для реакции с определенным газом, высокий уровень емкости, химической стойкости, прочности зерен и простоте регенерации иониты являются чрезвычайно перспективными для разделения п очистки газов. Изучение механизма и кинетики сорбции газов ионитами особенно активно проводится последние 15—20 лет.

Поглощение газов ионитами представляет собой молекулярную сорбцию частицами гелеобразного полиэлектролита. При этом осуществляется химическая реакция молекул газа с ионитом, а также происходит растворение некоторого количества газа в воде, содержащейся в ионите. Высокополярные молекулы газа могут сольватировать ионы полиэлектролита, вытесняя гидратную влагу.

Иониты в качестве сорбентов газов обладают свойствами твердых сорбентов поверхностного действия (по механическим характеристикам и физической форме), жидких поглотителей (при распределении сорбируемого вещества по всей массе ионита) и хемосорбентов, обеспечивающих химическую избирательность процесса, т. е. имеют комплексные характеристики.

Физическая сущность ионообменной очистки промышленных выбросов изучена еще недостаточно. Предполагают, что механизм ионного обмена включает следующие стадии:

• • диффузию вытесняющих ионов из ядра жидкой фазы к поверхности ионита;
• • диффузию вытесняющих ионов с поверхности ионита в глубь его зерна к точкам обмена;
• • обмен ионов на активных центрах;
• • диффузию вытесненных иоиов от точек обмена зерна ионита к его поверхности;
• • диффузию вытесненных ионов от поверхности зерна ионита в ядро жидкой фазы.

Методы интенсификации очистки газовых потоков ионитами:

1) применение ионитов различных форм. При очистке промышленных выбросов от основных газов, например от аммиака, эффективность поглощения может быть существенно увеличена при использовании катионитов в формах таких металлов, как Си, Со, Al, Cd и др., являющихся комплексообразователями для аммиака, например,.

Сорбция за счет комплексообразования увеличивает динамическую активность катионита, а также облегчает проведение его регенерации;

2) смешанные иониты. В тех случаях, когда необходимо вести одновременное поглощение двух или более газов различной природы (например, NH₃ и С0₂), а также при необходимости очистки промышленных выбросов от смесей газов одной природы, но с различными химическими свойствами, поглощение которых определяется различными механизмами, рекомендуется использовать аппараты со смешанными ионитами. Смешанные иониты (смеси анионитов и катионитов) используются также для улавливания аэрозолей (S0₃, NH4CI, смесей NaOII и Na₂C0₃), галогенов и др. Например, дым хлорида аммония при пропускании воздушного потока через увлажненный смешанный слой ионитов поглощается по схеме:

Такие иониты могут найти применение для поглощения сероводорода из воздуха, при этом процесс может идти по различным механизмам — нейтрализации, окисления или образования труднорастворимых сульфидов. Таким образом, на основе экспериментальных данных и исходя из механизма взаимодействия можно подобрать оптимальную форму и природу ионитов для составления из них смешанного слоя, в котором могут поглощаться несколько газовых примесей из воздушных и газовоздушных потоков;

3) волокнистые углеродные иониты. В последние годы большой практический интерес вызвали волокнистые углеродные иониты. Эти материалы относятся к новому типу сорбентов, обладающих специфическими свойствами. Волокнистые углеродные иониты обладают более высокой термической, химической и радиационной стойкостью (по сравнению с синтетическими ионообменными смолами) и могут применяться в тех случаях, когда затруднено использование сорбентов в гранулах или зернах. Обменная емкость угольных волокнистых ионитов снижается, а прочность увеличивается при возрастании температуры, при которой получено исходное углеродное волокно.

Соответствующая обработка высокотемпературных углеродных волокнистых материалов позволила получить полифункциональные иониты, которые могут найти применение в процессах очистки выбросов и при фильтровании агрессивных сред.