Разница между Ионным обменом и Обратным осмосом

Ключевое отличие между Ионным обменом и Обратным осмосом заключается в том, что Ионный обмен это физико-химический метод, при котором очищается и умягчается вода с помощью обмена ионов с аналогичными зарядами, тогда как Обратный осмос является методом полной очистки воды, при котором вода, посредством давления, проникает через полупроницаемую мембрану.

Очистка воды — это важный процесс снабжающий людей чистой водой. Процессы очистки воды могут иметь много разных этапов, таких как химические, физические или биологические. Процесс Ионного обмена и процесс Обратного осмоса являются двумя процессами, применяемые для очистки воды. В обоих процессах происходит удаление растворенных веществ из воды. Кроме того, оба процесса широко используются в различных отраслях промышленности. Некоторые отрасли промышленности используют комбинацию этих процессов очистки воды.

Содержание

  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое Ионный обмен
  3. Что такое Обратный осмос
  4. Сходство между Ионным обменом и Обратным осмосом
  5. В чем разница между Ионным обменом и Обратным осмосом
  6. Заключение

Что такое Ионный обмен?

Ионный обмен — это метод очистки воды, при котором один или несколько нежелательных ионных загрязнений удаляются из воды путем обмена с другим неугодным или менее нежелательным ионным веществом. Как загрязнитель, так и заменяемое вещество должны быть растворены и иметь один и тот же тип электрического заряда (положительный или отрицательный). Типичным примером ионного обмена является процесс, называемый «умягчение воды», направленный на снижение содержания кальция и магния. Тем не менее, ионный обмен также эффективен в удалении токсичных металлов из воды.

Ионообменный фильтр для умягчения воды
Ионообменный фильтр для умягчения воды

В 1850 году Томас и Уэй провели одними из первых научных исследований, которые указали на существование процесса ионного обмена. В их эксперименте раствор сульфата аммония пропускали через почву. Собранный фильтрат состоял из сульфата кальция вместо сульфата аммония. Важность этого открытия (в терминах ионного обмена) не была полностью понята до тех пор, пока в конце этого десятилетия не было обнаружено, что эта реакция была обратимой. Ионный обмен был тогда главным образом использован для смягчения воды.

Присутствие кальция и/или магния в воде приводит к тому, что вода считается «жесткой». Ионы кальция и магния в воде вступают в реакцию с теплом, металлическими трубами и химическими веществами, такими как моющие средства, что снижает эффективность практически любой задачи очистки. Жесткая вода может быть смягчена с помощью процесса ионного обмена.

Процессы ионного обмена также могут удалять из жидкости различные заряженные атомы или молекулы (ионы), такие как нитраты, фториды, сульфаты, перхлораты, ионы железа и марганца, а также токсичные металлы, такие как радий, уран и хром.

Наиболее типичным применением ионного обмена является подготовка воды высокой чистоты для промышленного применения, умягчение воды, восстановление или удаление металлов в химической промышленности.

Принцип работы ионообменного фильтра для умягчения воды
Принцип работы ионообменного фильтра для умягчения воды

Основным компонентом ионообменного оборудования является микропористая обменная смола, которая перенасыщена свободно удерживаемым раствором. Для умягчения воды микропористая обменная смола обычно производится с использованием слоев сульфированного полистирола, которые перенасыщены натрием для покрытия поверхности слоя. Когда вода проходит через этот слой смолы, ионы присоединяются к шарикам смолы, высвобождая свободно удерживаемый раствор в воду.

Через некоторое время слои становятся насыщенными, и обменную смолу необходимо регенерировать или перезаряжать. Для регенерации ионообменную смолу промывают солевым раствором. В процессе промывания ионы натрия обмениваются с ионами в солевого раствора, которые далее смываются в сточные воды.

Синтетические и промышленно выпускаемые ионообменные смолы состоят из небольших микропористых шариков, которые нерастворимы в воде и органических растворителях. Наиболее широко используемыми базовыми материалами являются полистирол и полиакрилат. Диаметр шариков находится в диапазоне от 0,3 до 1,3 мм. Шарики состоят примерно из 50% воды, которая диспергирована в гелеобразных отсеках материала.

Поскольку вода равномерно распределена по всему шарику, водорастворимые материалы могут свободно перемещаться внутрь и наружу. К каждому из мономерных звеньев полимера присоединены так называемые «функциональные группы». Эти функциональные группы могут взаимодействовать с водорастворимыми веществами, особенно с ионами. Ионы либо положительно заряжены (катионы), либо отрицательно заряжены (анионы). Поскольку функциональные группы также заряжены, взаимодействие между ионами и функциональными группами проявляется через электростатические силы. Положительно заряженные функциональные группы взаимодействуют с анионами, а отрицательно заряженные функциональные группы взаимодействуют с катионами.

Связующая сила между функциональной группой и присоединенным ионом относительно невелика. Обмен может быть обращен другим ионом, проходящим через функциональную группу. Этот процесс может повторяться непрерывно, с одной реакцией обмена, следующей за другой.

Ионообменная смола
Ионообменная смола

Наиболее распространенными применениями ионообменников являются умягчение воды (удаление ионов кальция и магния), деминерализация воды (удаление всех ионов) и удаление щелочей (удаление бикарбонатов). Катионообменные смолы также могут удалять наиболее положительно заряженные ионы в воде, такие как железо, свинец, радий, барий, алюминий и медь и другие. Анионные обменные единицы могут удалять нитратные, сульфатные и другие отрицательно заряженные атомы (так называемые анионы). Исследователи разрабатывают смолы для селективного удаления нитратов более эффективно, чем это можно сделать в настоящее время. Для удаления или восстановления ионов металлов из сточных вод в химической промышленности  используются ионообменники. Некоторые примеси (такие как мышьяк, фторид, ионы лития) трудно удаляются с помощью ионного обмена из-за плохой селективности смол.

Что такое Обратный осмос?

Обратный осмос — это непрерывно действующая технология очистки, которая использует давление, чтобы пропустить исходную воду через тонкую мембрану и тем самым отделить примеси от воды. Для процесса обратного осмоса используется полупроницаемая тонкая мембрана с порами, достаточно маленькими для пропускания чистой воды, при этом отбрасываются более крупные молекулы, такие как растворенные соли (ионы) и другие примеси, такие как бактерии. Обратный осмос используется для производства воды высокой степени очистки для систем питьевого водоснабжения, промышленных котлов, обработки продуктов питания и напитков, косметики, фармацевтического производства, опреснения морской воды и многих других применений. Уже более века она является признанной технологией и коммерциализируется с 1960-х годов.

Читайте также:  Разница между LD50 и LC50
Строение фильтра обратного осмоса
Строение фильтра обратного осмоса

Система обратного осмоса построена вокруг отдельных мембран. Каждая мембрана представляет собой спирально намотанный лист из полупроницаемого материала. Полупроницаемые мембраны сначала были сконструированы с использованием ацетата целлюлозы (СА), но позже промышленность переключилась в первую очередь на использование тонкопленочного композита (TFC), помещаемого поверх более прочной подложки. Сегодня, в основном используются мембраны TFC.

Принцип работы обратного осмоса полностью противоположен принципу работы осмоса, естественный процесс течения воды через мембрану с растворенными солями от более низкой к более высокой концентрации соли. Этот процесс встречается по всей природе. Растения используют его для поглощения воды и питательных веществ из почвы. У людей и других животных почки используют осмос для поглощения воды из крови.

В системе обратного осмоса используется давление (обычно от насоса) для преодоления естественного осмотического давления, заставляя воду содержащую растворенные соли и другие примеси течь через сложную полупроницаемую мембрану, которая удаляет высокий процент примесей. Продуктом этого процесса является высокоочищенная вода.

Принцип работы обратного осмоса
Принцип работы обратного осмоса

Отделённые соли и примеси концентрируются над мембраной и передаются из системы на дренаж или в другие процессы. В типичном процессе обратного осмоса 75% воды очищается, а 25% идёт на слив. Но в самых продвинутых системах очищенная вода составляет до 85%.

Технически, система обратного осмоса использует перекрестную фильтрацию, где раствор пересекает фильтр с двумя выходами: фильтрованная вода проходит в одну сторону, а загрязненная вода — в другую. Чтобы избежать накопления загрязняющих веществ, фильтрация с поперечным потоком позволяет воде сметать накопления загрязняющих веществ и обеспечивает достаточную турбулентность для поддержания чистоты поверхности мембраны.

Сходство между Ионным обменом и Обратным осмосом?

  • Как процесс ионного обмена так и процесс обратного осмоса используются для очистки воды;
  • Оба этих процесса обеспечивают высокое качество очистки воды;
  • Для большего эффекта, можно производить совмещение ионного обмена и процесса обратного осмоса;
  • Эффективность системы очистки этих методов зависит от того, какие присутствуют вещества в воде, а также от требуемой степени фильтрации воды на выходе.

Разница между Ионным обменом и Обратным осмосом?

  • Процесс ионного обмена, является физико-химическим методом, при котором происходит обмен ионами между водой и ионообменной смолой. Тогда как при процессе обратного осмоса вода проходит через полупроницаемую мембрану, посредством высокого давления, что является физическим процессом;
  • При процессе ионного обмена происходит умягчение воды, тогда как при процессе обратного осмоса происходит почти полная очистка воды;
  • К тому же, в процессе ионного обмена используются ионообменные смолы, тогда как при обратном осмосе используется мембрана обратного осмоса.

Заключение — Ионный обмен против Обратного осмоса

Процесс Ионного обмена и процесс Обратного осмоса являются двумя технологиями, применяемые для процесса очистки воды. Ионный обмен — является физико-химическим процессом, при котором происходит обмен ионов (загрязнителей) между водой и ионообменной смолой. Тогда как Обратный осмос является физическим методом, с помощью которого отфильтровываются практически все загрязняющие воду вещества, по размеру превышающие размер молекулы воды. В процессе Обратного осмоса происходит проникновение воды сквозь полупроницаемую мембрану посредством давления воды. При Ионном обмене происходит удаление нежелательных веществ на основе их ионных зарядов, тогда как при процессе обратного осмоса используется процесс физического отделения нежелательных веществ с помощью полупроницаемой мембраны и давления воды.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *