Principeschema
Principe- en installatiebeschrijving
Een ionenwisselaar bestaat uit een behuizing gevuld met kunsthars, waarmee ongewenste ionen uit een waterige stroom worden verwijderd door ze uit te wisselen met minder schadelijke ionen. Naast de verwijdering van deze ongewenste ionen kan met deze techniek ook de terugwinning van waardevolle ionen, waaronder zware metalen, nagestreefd worden.
Bij een sterk zure kationenwisselaar bevat het hars sulfongroepen, waarop natrium- of waterstofionen gebonden zijn, die uitgewisseld worden tegen kationen in de oplossing. Een veel gebruikte toepassing van kationenwisselaars is het verwijderen van zware metalen uit een afvalwaterstroom door uitwisseling met natriumionen. In dit voorbeeld is de affiniteit van de drager voor deze zware metalen groter dan de affiniteit van de drager voor de natriumionen. Er zijn ook zwak zure kationwisselaars met als functionele groep COOH.
Het kunsthars van een anionenwisselaar bevat tertiaire of quaternaire ammoniumgroepen waarop hydroxide ionen zijn gepositioneerd. Deze worden uitgewisseld tegen anionen uit de waterstroom. Een voorbeeld van toepassing van anionenwisselaars is de verwijdering van nitraat.
Ionenwisselaars hebben maar een bepaalde capaciteit waarna ze verzadigd zijn en geregenereerd moeten worden. Detectie van de verzadiging van de harsen gebeurt in de praktijk vooral op basis van het volume watergebruik. Regeneratie gebeurt door het hars te spoelen met een regeneratievloeistof. Deze bevat een hoge concentratie regeneratiemiddel (zout, zoutzuur, natronloog) met een bepaalde pH. Hierdoor verschuift het evenwicht opnieuw en gaan de uitgewisselde ongewenste ionen opnieuw in oplossing. Het type regeneratiemiddel is afhankelijk van het type ionenwisselaar. Door na te spoelen met behandeld water wordt restvervuiling verwijderd en is de ionenwisselaar weer gebruiksklaar.
Samenvattend bestaat het regeneratieproces uit vier stappen:
- de ionen uitwisseling;
- spoelen van het hars in tegenstroom om het proceswater te verwijderen;
- regeneratie van het hars met regeneratievloeistof (zoutoplossing, zuur of loog);
- spoelen van de ionenwisselaar om restanten regeneratievloeistof te verwijderen.
Om een continu zuiveringsproces te verkrijgen schakelt men best twee of meer discontinue ionenwisselaars in parallel. Als de capaciteit van het eerste bed volledig benut is, wordt er omgeschakeld naar het tweede bed, waarna het eerste bed wordt geregenereerd.
Specifieke voor- en nadelen
Er bestaan verschillende types harsen die vaak een zeer specifieke werking hebben ten opzichte van bepaalde ionen. Hierdoor is een goede selectiviteit mogelijk. Specifiek voor bepaalde zware metalen is op deze wijze hergebruik mogelijk.
Ionenwisselaars vervuilen snel waardoor de uitwisselingscapaciteit aanzienlijk terugloopt. Enkele voorbeelden hiervan zijn vervuiling door microbiologie (zoals filmvormende bacteriën) en door zwevende stof.
Een ander nadeel is de relatief hoge operationele kosten voor o.a. de regeneratieoplossing. Na gebruik vormt deze regeneratievloeistof een belangrijke af te voeren concentraatstroom.
Toepassing
Ionenwisseling is een eenheidsbewerking die veelvuldig wordt toegepast voor de aanmaak van proceswater (verwijdering calcium, mangaan etc.). Ook in de afvalwaterzuivering wordt de techniek al tientallen jaren gebruikt, in eerste instantie vooral voor eindzuivering van het effluent. De eenvoud van ionenwisseling, in installatie en bediening, maakt dat deze techniek reeds geruime tijd in productieprocessen wordt geïntegreerd.
Binnen de sector ‘oppervlaktebehandeling van metalen’ worden ionenwisselaars reeds lang en frequent toegepast. Enkele voorbeelden:
- Zuivering en recycling van spoelwater door middel van ionenwisseling wordt onder andere toegepast bij beits- en etsprocessen, ijzerfosfatatie, elektrolytisch en stroomloos aanbrengen van deklagen. Eventueel kunnen metalen teruggewonnen worden uit de regeneratie-oplossing.
- De standtijd van zure procesbaden (onder andere beits- en etsbaden) kan verlengd worden door middel van zuurretardatie. Deze specifieke toepassing van ionenwisseling laat een scheiding van metaalzouten en zuur toe, waarbij het zuur hergebruikt kan worden in het procesbad.
- Ionenwisseling wordt courant gebruikt voor eindzuivering van het effluent, na voorafgaande verwijdering door middel van precipitatie.
Andere sectoren:
- Nitraat kan uit afvalwater verwijderd worden door middel van uitwisseling met chloride. Ook ammonium kan verwijderd worden door uitwisseling met Na+. Dit laatste proces wordt echter minder toegepast.
- In de grafische sector wordt zilver uit laag geconcentreerde afvalwaterstromen (spoelwater) teruggewonnen door kationenwisseling.
Randvoorwaarden
Vervuiling van ionenwisselaars kan worden opgedeeld in vervuiling door oplosbare en onoplosbare stoffen. Het hars treedt op als filter voor onopgeloste stoffen. Deze vervuiling verlaat het hars tijdens de terugspoeling en/of regeneratiefase. Richtwaarde die gehanteerd kan worden is een maximale zwevende stoffen concentratie van 10 mg/l. Opgeloste stoffen hechten zich aan het hars en komen slechts vrij bij regeneratie (dit indien de affiniteit van de verwijderde stoffen en het hars kleiner is dan die van het regeneratiemiddel tegenover het hars). Enkele belangrijke vervuilers zijn ijzer, oliën, microbiologische materie en organische stoffen.
Werkingsgraad
Ionenwisselaars worden toegepast voor de verwijdering van kationen (Cu, Ag, Au, Cd, Zn, Ca, Mg, …) en anionen (nitraat, sulfaat, chloriden, …).
Doordat vaak met ion-specifieke harsen gewerkt kan worden, bedraagt het rendement over het algemeen tussen 80 en 99%. De matrix is mede bepalend voor het rendement.
Hulpstoffen
Zoutoplossing, zuur of loog als regeneratievloeistof.
Milieu-aspecten
Als reststof komt spoelwater en verzadigde regeneratievloeistof met soms schadelijke ionen vrij.
Kosten
De investeringskost van een ionenuitwisselingsinstallatie is opgedeeld in kolomkosten en leidingwerk enerzijds en de harsen anderzijds.
De werkingskosten zijn afhankelijk van de concentraties aan ionen in de te behandelen stroom. Hoe hoger de concentraties, hoe frequenter er dient geregenereerd te worden.
Opmerkingen
Om de doorslag van een ionenwisselingskolom op te volgen is best een continue meting aanwezig. Dit is vaak een conductiviteitssonde die de zoutconcentratie bepaald. Indien specifieke ionen beoogt worden kan men werken met frequente analyses op het water en vaste tijdstippen voor regeneratie.
Er wordt ook best een drukmeting voorzien op de installatie om vervuiling tijdig te detecteren.
Complexiteit
De principes van ionenwisseling zijn eenvoudig. Er dient echter een correcte opvolging van de effluentkwaliteit te gebeuren, alsmede een goede instelling van de terugspoelfrequentie.
Automatiseringsgraad
Een ionenwisseling is eenvoudig te automatiseren.
Referenties
- EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
- VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2009
Versie : februari 2010