Ионный обмен в водоподготовке

 

Á.Å. Ðÿá÷èêîâ, À.À. Ïàíòåëååâ,  
Ñ.Þ. Ëàðèîíîâ  

Èîííûé îáìåí  
â âîäîïîäãîòîâêå 

Ìîñêâà 
ÄåËè ïëþñ 
2018 

УДК 628 
ББК 38.761.1 
 
Р98 

Рецензенты: 
заведующий лабораторией Института химии Дальневосточного отделения  
Российской академии наук, член-корреспондент РАН, д.х.н. В.А. Авраменко; 
заведующий лабораторией Института физической химии и электрохимии  
им. А.Н. Фрумкина РАН, д.х.н. В.В. Милютин 

Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю. 
Р98 Ионный обмен в водоподготовке. – М.: ДеЛи плюс, 2018. – 398 с. 

ISBN 978-5-9909883-9-2 

Ионный обмен широко используется в химической технологии при получении, очистке и разделении различных веществ (гидрометаллургия урана, золота, 
никеля и т.п.), очистке сточных вод, содержащих ионы металлов, а также в биомедицине для очистки препаратов, в аналитической химии и т.п. В этих многочисленных применениях используются различные типы ионитов, технологические процессы и аппараты. 
Данная работа относится к технологии очистки воды, прежде всего, ее обессоливания и умягчения, где ионный обмен нашел наибольшее применение и является старейшим и наиболее распространенным в настоящее время методом. Этому 
способствует исключительная надежность ионного обмена даже при малоквалифицированном и ручном обслуживании. Только методы ионного обмена позволяют очищать воду до предельной, абсолютной чистоты.  
Вместе с тем ионный обмен имеет ряд неотъемлемых недостатков таких, как 
использование значительных избытков кислоты и щелочи, и образование в связи с 
этим значительных количеств высокосолевых отходов. В настоящее время разработаны новые типы ионитов и противоточные системы регенерации, позволяющие существенно уменьшить эти недостатки.  
В настоящей книге суммируются ранее известные данные по ионному обмену с последними достижениями в этой области и описаны работы по совершенствованию оборудования и технологических процессов, выполненные авторами.  
Работа направлена на расширение информационной базы по наиболее прогрессивному оборудованию и технологиям ионного обмена, методам модернизации технологического оборудования. 
 

УДК 628

ББК 38.761.1

ISBN 978-5-9909883-9-2 
© Рябчиков Б.Е., Пантелеев А.А., Ларионов С.Ю., 2018

© Оформление. ООО «ДеЛи плюс», 2018

B.E. Riabchikov, A.A. Panteleev,  

S.Yu. Larionov 

Ion exchange in water 
treatment 

Moscow 
DeLi plus 
2018 

Reviewers 
Head of Laboratory in Institute of Chemistry of the FEB RAS, corresponding member  
of the RAS, Doctor of Chemistry V.A. Avramenko 
Head of Laboratory in Frumkin Institute of Physical Chemistry and  Electrochemistry, 
Doctor of Chemistry V.V. Milutin 

Riabchikov B.E, Panteleev A.A., Larionov S.Yu.  
 
Ion exchange in water treatment. – М.: DeLi plus, 2018. – 398 p. 
ISBN 978-5-9909883-9-2 
 
 
Ion exchange is widely used in chemical technology to produce, purify or separate various substances (hydrometallurgy of uranium, gold, nickel, etc.), to treat 
wastewater containing metal ions, as well as in biomedicine and analytical chemistry 
to purify chemical preparations and drugs, etc. Each of these numerous applications 
uses specific types of ion-exchange resins, processes and devices.  
This work deals with technology of water purification, first of all, its desalination 
and softening. Here at present, ion exchange has found the greatest application and is 
the oldest and most common method. This is promoted by the exceptional reliability of 
ion exchange, even with low-skilled and manual maintenance. Only the methods of ion 
exchange make it possible to purify water to the utmost, absolute purity. 
At the same time, ion exchange has a number of inherent deficiencies related with 
nesessity to use of significant excesses of acid and alkali leading to formation of 
significant amounts of high salt waste. At present, the developed new types of ionexchange resins and countercurrent regeneration systems allow significantly reduce these 
deficiencies.  
This book summarizes the previously known data on ion exchange with the latest 
achievements in this area and describes the work performed by the authors to improve 
the equipment and technological processes.  
The work is aimed at expanding the information base on the most advanced 
equipment and technologies of ion exchange, as well as the methods of modernization 
of the existing technological equipment. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-9909883-9-2 

© Riabchikov B.E, Panteleev A.A., Larionov S.Yu., 2018 
© DeLi plus, 2018 
 

 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

Ионный обмен – является старейшим методом, применяемым в технологии 
обессоливания воды. Несмотря на имеющуюся тенденцию к переходу на мембранные методы обессоливания, ионный обмен пока имеет лидирующие позиции в подготовке питательной воды в отечественной энергетике. Это обусловлено тем, что ионный обмен долгие годы был основной технологией обессоливания при строительстве энергетических объектов. Этому также способствует исключительная надежность ионного обмена в сравнении с остальными технологиями обессоливания. Традиционно в СССР, а затем и в России применялся 
прямоточный (параллельноточный) метод ионного обмена, когда очищаемый и 
регенерационный растворы пропускаются в одном направлении. Это позволяло 
осуществлять процесс с максимально простым аппаратурным оформлением.  
Вместе с тем ионный обмен имеет ряд врожденных недостатков – таких, как 
использование значительных избытков кислоты и щелочи, и образование в связи 
с этим значительных количеств высокосолевых отходов. Существующие системы отличались крайне низким уровнем автоматизации, практическим ее отсутствием. Именно эти аспекты способствовали в 2000 гг. началу перехода на мембранные технологии обессоливания. 
С другой стороны, в конце 60-х, начале 70-х годов прошлого века появились 
системы противоточного ионного обмена, а также существенно усовершенствованные ионообменные смолы. Дальнейшее их совершенствование позволило 
получать лучшее качество обессоленной воды при меньших затратах на реагенты. Современные контрольно-измерительные приборы, запорно-регулирующая 
арматура и наличие совершенных и недорогих логических контроллеров позволяют обеспечить высокую степень автоматизации процесса. Это делает ионный 
обмен современной эффективной технологией. 
Ионный обмен позволяет существенно сократить расходы воды на собственные нужды при более высоком качестве обессоливания в одну ступень по 
сравнению с мембранными технологиями.  
В области очистки турбинного конденсата у ионного обмена в обозримое 
время нет конкурентов. 

Ââåäåíèå 

К сожалению, в последнее время в нашей стране проводилось крайне мало 
работ по совершенствованию технологий ионного обмена. Большинство серьезных работ на эту тему относятся к 60–80 гг. прошлого века. В то же время технология производства ионитов непрерывно совершенствуется. В настоящее время номенклатура ионитов, выпускаемых в мире, существенно расширилась. Это 
и монодисперсные смолы, селективные и специальные иониты. Возрождается 
производство отечественных ионообменных смол компании «Токем».  
Пик публикаций подробных исследований ионообменных процессов и аппаратов пришелся на 60–80 гг. [1–54]. Тогда же были разработаны действующие 
и поныне ГОСТы по ионитам [55–68]. После провала 90-х гг. опубликовано несколько книг по отдельным аспектам применения ионного обмена (водоподготовка в энергетике и очистка радиоактивных отходов) [70–79], а также несколько стандартов организаций – ВТИ, «БЕЛЭНЕРГО», НП «Инвэл», ВНИИАЭС по 
использованию ионитов [80–87]. Однако монографий, описывающих теорию и 
практику ионного обмена, практически нет. Теория и методы расчета и исследования ионитов описывается в основном в учебных пособиях [88–100], которые 
доступны в интернете. В данной работе мы попытались восполнить этот пробел, 
используя материалы основных разработчиков ионитов, действующие отечественные нормативы и результаты собственных разработок по технологии и оборудованию ионообменных процессов.  
Предлагаемая работа направлена на расширение информационной базы по 
наиболее прогрессивному оборудованию и технологиям ионного обмена, методам модернизации технологического оборудования и предназначена для специалистов в области подготовки питьевой воды, водоподготовки для энергетики, 
медицины, пищевых производств и для бытового использования. 
Хотя в данной работе собрано большое количество справочных данных и 
результатов практического использования ионного обмена, не следует полностью полагаться на справочные материалы и расчеты. Вода везде имеет разный 
состав, поэтому рациональный подбор ионитов и их режимов работы следует 
делать только после проведения пилотных испытаний.  
Книга основана на результатах исследований ионитов и процессов ионного 
обмена, проведения обследований установок водоподготовки, опыта внедрения 
промышленных установок, основанных на современных технологических решениях с применением самых совершенных ионитов на Московской станции переработки жидких радиоактивных отходов и ЗАО «НПК» Медиана-фильтр». 
Авторы выражают благодарность компаниям Lanxess (Bauer), Purolite, Dow 
Water Solutions (Rohm & Haas) за предоставленные справочные материалы. Авторы также благодарят инженера А.С. Касаточкина и к.т.н. Ю.Е. Корзину за 
проведенные исследования и помощь в работе над рукописью. 

Èñòîðèÿ ðàçðàáîòêè èîíîîáìåííûõ ìàòåðèàëîâ  
По мере развития промышленности возникла необходимость в производстве сначала умягченной, а затем и обессоленной воды, которая была необходима, 
прежде всего, для паровых двигателей паровозов, кораблей, а затем для паровых 
котлов электростанций. Единственным методом получения такой воды вначале 
была дистилляция.  

Ââåäåíèå 
7 

Одним из недостатков метода дистилляции является то, что основное вещество (вода) отделяется от примесей (ионы, органические загрязнения). Поэтому, 
дистилляция – процесс энергоемкий и не обеспечивающий высокое качество 
очищенной воды при промышленном применении. Потребовался поиск новых 
методов.  
Более эффективными и рентабельными являются методы, в которых примеси отделяются от основного вещества – воды. К числу таких методов относится 
ионный обмен.  
Первоначально явление обмена ионов было обнаружено в 1845 г. английским агрохимиком Томпсоном и Уэйем при пропускании солевого раствора через почву, которые пришли к выводу, что ионобменную способность определяет 
некоторая составная часть глины. Позже Лемберг доказал, что реакции ионного 
обмена обратимы, на примере реакций, происходящих в минералах, находящихся в контакте как с расплавом соли, так и с концентрированными растворами 
соли – на примере с глауконитом. 
И хотя сегодня глауконит ученые относят к классу слюд, многие по старой 
памяти называют его цеолитом из-за широкой практики его применения для 
умягчения воды вплоть до конца 40-х годов ХХ века. 
В первом десятилетии ХХ века Р. Ганс получил патенты на производство 
синтетических цеолитов, умягчение воды и замещение калия в мелассе кальцием 
для кристаллизации сахара и подобных веществ. Последние две области – единственные, в которых широко использовались силикатные ионообменники.  
Поскольку первые синтетические цеолиты выпустила на рынок фирма 
«Пермутит» (Великобритания), с ее легкой руки все искусственные силикатные 
ионообменные материалы окрестили «пермутитами». 
В 1901–02 годах было найдено, что большинство бурых и каменных углей и 
антрацитов превращается в катиониты при сульфировании их дымящейся серной кислотой. Благодаря этой обработке в уголь вводятся группы, которые выполняют роль фиксированных ионов: сульфогруппы, а также (в результате окисления) карбоксильные группы. В 1934–38 гг. было организовано промышленное 
производство сульфоугля. 
В 1935 г. английские исследователи Б. Адамс и Е. Холмс опубликовали 
первую статью по синтезу органических ионообменных смол методом поликонденсации на основе полимеров бензола с формальдегидом. Благодаря наличию 
фенольных гидроксильных групп полученные продукты были катионообменниками слабокислотного типа, т.е. ограниченно реагировали с катионами в нейтральном растворе. Адамс и Холмс синтезировали анионообменник на основе 
фенилендиамина и формальдегида, который содержал ароматические аминогруппы и был анионообменником слабоосновного типа. 
И уже в 1938 г. в Германии фирмой «Фарбениндустри» было организовано 
крупномасштабное производство синтетических ионообменников поликонденсационного типа, которые нашли применение в первую очередь для очистки воды.  
В 1934 г. Штаудингер синтезировал трехмерный сополимер стирола с дивинилбензолом, а в 1942 г. Д'Аделио синтезировал сульфированный сополимер 
стирола и дивинилбензола – первый монофункциональный сильнокислотный 

Ââåäåíèå 

ионообменник, прообраз катионитов КУ-2-8 (СССР), С-100 (Пьюролайт), IR-120 
(Ром энд Хаас), S-100 (Байер) и т.д., а Мак-Барни в 1947 г. аминированием этого 
сополимера получил анионообменник с высокой обменной емкостью.  
Полученная по данной рецептуре ионообменная смола была настолько 
удачной, что до сегодняшнего дня стиролдивинилбензольные сильнокислотные 
катиониты составляют более половины от объема всех синтезируемых в мире 
смол и в конечном итоге обусловили широкое применение ионного обмена во 
всех областях хозяйства.  
Важный шаг в развитии ионного обмена и ионообменной технологии, способствовавший прогрессу микроэлектроники, был сделан в 1951 г. почти одновременно А. Ринтсом и Ф. Калером, а также Р. Куниным и Ф. Мак-Джерви, применившими смешанный слой гранулированных ионообменников для получения 
глубоко обессоленной воды [101]. 
Первая советская марка сильнокислотных катионитов была выпущена в 
1949 г. на Кемеровском заводе «Карболит». Она называется катионит универсальный КУ-1. Это марка конденсационного типа и изготовляется из фенола и 
формальдегида. В качестве ионогенной группы содержит сульфогруппу. 
Первой советской маркой низкоосновных анионитов явился анионит АН-1, 
выпущенный Кемеровским заводом «Карболит» в 1949 году. 
В 1969 г. В.А. Даванковым и М.П. Цюрупой были синтезированы сверхсшитые полистиролы, и на их основе разработаны ионообменные смолы, которые по величине обменной емкости уступают обычным ионитам, но по ряду 
свойств превосходят их: отличаются повышенной осмотической, механической 
и химической стойкостью, термической стабильностью, постоянством объема в 
растворах электролитов с различной ионной силой и pH, устойчивостью к окислению и высокой селективностью к некоторым ионам [102, 103]. В настоящее 
время выпускаются на Западе в промышленном масштабе. 
Основная область применения ионитов в настоящее время, как и прежде — 
очистка, умягчение и обессоливание воды. Наряду с этим они широко применяются в гидрометаллургии урана, золота и других тяжелых металлов, получении 
и очистке медицинских препаратов и пищевых продуктов и т.п. 

Ðàçâèòèå èîíîîáìåííûõ òåõíîëîãèé 
Бурное развитие производства ионитов, технологии и оборудования ионного обмена во всех ведущих странах произошло в 60–70 гг. прошлого века. Были 
разработаны основные типы ионообменных смол, проведены детальные – академические – исследования их характеристик, определены области использования, написаны многочисленные подробные статьи и основополагающие книги, 
имеющие значение и в настоящее время [1–79].  
В СССР было развернуто крупное производство нескольких типов ионитов, 
разработанных в НИИ полимерных материалов – КУ-1, КУ-2-8, КУ-2-8чс, КУ-23, 
АН-1, АН-2ф, АВ-17, АВ-17чс, в Государственном институте прикладной химии 
в Санкт-Петербурге – анионит ЭДЭ-10, для водоподготовки и других стандартных применений, и во ВНИИ химической технологии – АМ, АМ-П, АМП, ВП-1, 
СГ-1, КУ-2-8У, КУ-2-8Н и т.п. для атомной промышленности. Они массово про

Ââåäåíèå 
9 

изводились на Нижнетагильском заводе пластмасс («Уралхипласт»), на заводах 
«Карболит» и «Азот» в Кемерово, «Азот» (Черкассы) и на Приднепровском химзаводе (Днепродзержинск). Были разработаны и многие другие иониты разных 
типов и назначений (в НИИ полимерных материалов, Московском химикотехнологическом институте им. Д.И. Менделеева, в Институте высокомолекулярных соединений РАН, Кемеровском НИИ химической промышленности), но 
поскольку в стране испытывался острый дефицит стандартных смол, в серийное 
производство они не передавались. 
Для реализации ионообменных процессов в СССР применялись исключительно прямоточные фильтры, и только в атомной промышленности – установки 
непрерывного ионного обмена и противоточные фильтры. В те же годы за рубежом, в основном фирмой «Байер» (Bаyer AG), были разработаны технологии 
противоточного ионного обмена («Ринсбед», «Швебебед» и «Лифтбед»), составившие основу для внедрения таких процессов в промышленность. 
К сожалению, отечественная промышленность была не готова к восприятию 
новых тенденций ни в производстве ионитов, ни в создании совершенного аппаратурного оформления. Единственный тип противоточного фильтра по технологии «Ринсбед» был освоен отечественной промышленностью и серийно выпускается Таганрогским заводом «Красный котельщик» по чертежам ВНИИАМ.  
В конце XX и начале XXI века существенно сократилось количество и качество публикаций по исследованию и применению ионного обмена. В Россию 
хлынул поток высококачественных зарубежных ионитов, и резко сократилось 
собственное производство. Начались закупки и освоение современных импортных технологий и оборудования. Многие машиностроительные предприятия 
начали производство водоочистного оборудования. Появились немногочисленные компании, профессионально проектирующие и поставляющие ионообменное оборудование для процессов водоподготовки с использованием как импортного, так и отечественного оборудования. На ОАО «Уралхимпласт» (г. Нижний 
Тагил) продолжается производство анионитов АН-31 и ЭДЭ-10П, а на ПО «Токем» (г. Кемерово) расширяется производство современных ионитов разного 
типа, включая монодисперсные. ЗАО «Аксион – РДМ» (г. Пермь) производит 
специальные иониты для гидрометаллургии и радиохимии. Таким образом, делается скачок через провал 90-х гг.  
В настоящей книге суммируются ранее известные данные по ионному обмену с последними достижениями в этой области и результатами, полученными 
авторами книги по разработке конструкций аппаратов и исследованию ионитов. 
 

 

Ãëàâà 1. ÎÑÍÎÂÛ ÈÎÍÍÎÃÎ ÎÁÌÅÍÀ 

Ионный обмен – процесс обмена ионов твердой матрицы (ионита) с ионами раствора. 
Ионный обмен является одним из основных (до 2000-х годов был единственным в РФ) методов очистки воды от ионных загрязнений, глубокого ее обессоливания и умягчения. Наличие разнообразных ионообменных материалов позволяет решать задачи очистки вод различного химического состава с высокой 
эффективностью. Это и сейчас единственный метод, дающий возможность селективно извлекать из раствора некоторые компоненты, например соли жесткости, тяжелые металлы, нитраты, фтор и т.п. 

1.1. Èîíèòû 

Иониты – твердые нерастворимые вещества, имеющие в своем составе 
функциональные (ионогенные) группы, способные к ионизации в растворах и 
обмену ионами из растворов электролитов.  
В каждом ионите можно выделить каркас, обозначаемый R, или так называемую матрицу ионита, с которой жестко неподвижно связаны активные группы, также называемые фиксированными ионами, несущие положительный или 
отрицательный заряд. Заряд каркаса компенсируется зарядом ионов противоположного знака, так называемых противоионов. Противоионы подвижны и могут 
быть заменены в процессе обмена на противоионы другого вида, но заряда того 
же знака. При этом должно быть выполнено условие электронейтральности ионита. При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные 
противоионы замещаются на эквивалентные количества ионов из раствора. 
Иониты делятся по свойствам ионогенных групп на четыре основных вида: 
• катиониты; 
• аниониты; 
• амфолиты; 
• селективные иониты. 
По природе матрицы их подразделяют на:  
• неорганические иониты; 
• органические иониты.