Grondwaterzuivering, ionenwisseling, principe van de techniek

Principe van de techniek

Een ionenwisselar bestaat uit (veelal synthetisch) vast materiaal dat in staat is ionen meer of minder sterk aan zich te binden. Onderscheiden kunnen worden kationen en anionenwisselaars. In beide gevallen zijn aan het basismateriaal vaste geladen groepen (meestal covalent) gebonden, waarbij als gevolg van de sterkte van electrochemische bindingskrachten de ionen worden uitgewisseld. Anionenwisselaars worden gebruikt voor de uitwisseling van negatief geladen ionen (anionen) en kationenwisselaars voor positief geladen ionen (kationen).

Een speciaal type kationenwisselaar is de zogenaamde chelaterende ionenwisselaar, waarbij bepaalde metalen zeer stabiele complexen vormen met de functionele groepen op het dragermateriaal in discrete pH-gebieden.

Behandeling

Een ionenwisselaar bestaat uit (veelal synthetisch) vast materiaal dat in staat is ionen meer of minder sterk aan zich te binden. Onderscheiden kunnen worden kationen- en anionenwisselaars. In beide gevallen zijn aan het basismateriaal vaste, geladen groepen (meestal covalent) gebonden, waarbij als gevolg van de sterkte van elektrochemische bindingskrachten ionen worden uitgewisseld. Anionenwisselaars worden gebruikt voor de uitwisseling van negatief geladen ionen (anionen); kationenwisselaars worden gebruikt voor de uitwisseling van positief geladen ionen (kationen).

Hiernaast bestaan ook ionselectieve harsen die met voorkeur een bepaald ion adsorberen. Hierdoor wordt voorkomen dat grote hoeveelheden calcium-, ijzer- en mangaanionen aan het hars adsorberen hetgeen de effectiviteit van de reiniging sterk vermindert. Ionenwisseling gaat vaak gepaard met optimalisatie van de zuurgraad. Dit in de eerste plaats om optimale adsorptie van verontreinigingen te garanderen; daarnaast heeft dit als neveneffekt dat dit flocculatie van (neven- )verontreinigingen tegengaat;

Ionenwisseling kan batch-gewijs en continu worden uitgevoerd. Batchgewijze procesvoering vindt plaats in gepakte bedden; continue procesvoering in parallelle gepakte bedden, “moving” bed of fluïde bedreactoren. Het ionenwisselingsproces in een gepakt bed komt het meest voor en is in vier processtappen op te delen:

1. wisseling van ionen uit het grondwater tegen ionen uit de ionenwisselaar.
2. uitspoelen van het grondwater;
3. regeneratie van de ionenwisselaar met zuur of base. Voor het regenereren maakt men gebruik van een oplossing met een hoge concentratie van het kation of anion dat oorspronkelijk aan de ionenwisselaar was gebonden, meestal een sterk zure oplossing (H+-ionen). De hoeveelheid regeneratievloeistof die benodigd is, hangt af van de graad van regeneratie en de ligging van het evenwicht die per harssoort verschilt. De regeneratiefrequentie is afhankelijk van de vracht;
4. uitspoelen van de regeneratievloeistof . De uitspoelvloeistof wordt gebruikt om de nog aanwezige regeneratievloeistof uit het ionenwisselaarbed te verdringen. Deze vloeistof bestaat meestal uit gedeïoniseerd of gedestilleerd water. De hoeveelheid die hiervan nodig is ligt rond de 5 tot 10 maal het ionenwisselaarbedvolume.

Het totaal aan beschikbare bindingsplaatsen staat bekend als de capaciteit van de ionenwisselaar uitgedrukt in equivalenten per gram droge stof. De capaciteit van een ionenwisselaar varieert tussen 0,5 en 2,5 eq/kg ionenwisselaarmateriaal, afhankelijk van het type ionenwisselaar.

Kritische punten

Bij toepassing van waterzuivering middels ionenwisseling is een aantal kritische punten aan de orde:

• Beschadiging van functionele groepen van het hars is mogelijk door oxiderende stoffen.
• Een hoge concentratie ijzer, calcium of mangaan in het water kan de effectiviteit van de zuivering negatief beïnvloeden. Beluchting van het water en opeenvolgend sedimentatie en zandfiltratie kan worden toegepast om het grootste deel van deze nevenverontreinigingen vooraf te verwijderen.

Daarnaast kan vervuiling of verstopping optreden door:

• gesuspendeerde deeltjes;
• precipitaten van calcium, ijzeroxide of mangaanoxide;
• bacteriële aangroei;
• bepaalde organische stoffen, bijvoorbeeld aromaten.