Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ
Посмотреть оригинал

Природные и синтетические иониты.

Иониты (катиониты и аниониты) бывают неорганические (минеральные) и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно.

К неорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды и др. Катионообменные, свойства их обусловлены содержанием алюмосиликатов типа Na20 Al203 nSi02 mH20. Ионообменными свойствами обладает также фторапатит [Ca5(P04)3]F и гидроксидапатит [Са5(Р04)3]0Н. К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикагели, пермутиты, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома циркония и др.). Катионообменные свойства, например, силикагеля, обусловлены обменом ионов водорода гидроксидных групп на катионы металлов, проявляющиеся в щелочной среде. Катионообменными свойствами обладают и пермутиты, получаемые сплавлением соединений, содержащих алюминий и кремний. Органические природные иониты — это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли являются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильно- и слабо-кислотные группы. К недостаткам таких ионитов следует отнести их малые химическую стойкость и механическую прочность зерен, а также небольшую обменную емкость, особенно в нейтральных средах.

К органическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью. Они приобрели наибольшее практическое значение для очистки сточных вод. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы — противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу.

При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде (R), а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RS03H. Здесь R — матрица, Н — противоион, SO} — анкерный ион.

Иониты получают методом сополимеризации или сополиконден- сации с последующим сшиванием образующихся цепей. В конденсационных ионитах сшивание — образование поперечных связей — осуществляется за счет метиленовых (—СН2—) или метиновых (=СН—) мостиков, а также азотсодержащих группировок, в полиме- ризационных — чаще всего при помощи л?-дивинилбензола и его изомеров. Число таких поперечных связей определяет размер ячеек сетки и жесткость матрицы.

В зависимости от степени диссоциации катионообменные смолы бывают сильно- и слабокислотные, а анионообменные — сильно- и слабоосновные. К сильнокислотным относят катиониты, содержащие сульфогруппы (S03H) или фосфорнокислые группы [РО(ОН)2]. К слабокислотным — карбоксильные (СООН) и фенольные (С6Н5ОН) группы. Сильноосновные иониты содержат четвертичные аммониевые основания (R3NOH), слабоосновные — аминогруппы различной степени замещения (—NH2; =NH; =N).

Иониты, содержащие одинаковые активные группы, называются монофункциональными, а иониты, которые содержат функциональные группы различной химической природы, — полифункциональ- ными. Они могут обладать смешанными сильно и слабоосновными свойствами.

Катиониты в качестве противоионов могут содержать не ионы водорода, а ионы металлов, т. е. находиться в солевой форме. Точно также и аниониты могут находиться в солевой форме, если в качестве противоионов они содержат не ионы гидроксида, а ионы тех или иных кислот.

При нагревании ионитов в воде и на воздухе возможно разрушение их зерен, отщепление активных групп, что приводит к уменьшению емкости. Для каждой смолы имеется температурный предел, выше которого ее использовать нельзя. В общем случае термическая устойчивость анионитов ниже, чем катионитов.

Величина pH сточной воды, при которой происходит обмен ионами, зависит от константы диссоциации ионообменных групп смолы. Сильнокислотные катиониты позволяют проводить процесс в любых средах, а слабокислотные — в щелочных и нейтральных. Так, катиониты с карбоксильными группами обмениваются ионами при рН>7, а с фенольными группами при рН>8.

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое количество воды и набухают, являясь гелями с ограниченной набухасмостью. При набухании ионитов размер микропор возрастает от 0,5-1,0 нм (5—1ОА) до 4 нм (40 А), а размер микропор составляет 70-130 нм (700-1300 А). При этом объем ионитов увеличивается в 1,5-3 раза. Степень набухания зависит от строения смолы, природы противоионов, от состава раствора. Набухание влияет на скорость и полноту обмена ионов, а также на селективность ионита. Оно прекращается после того, как разность осмотических давлений до и после обмена уравновесится упругими силами растяжения и сжатия ионита.

Сильно набухающие смолы, называемые гелеобразными, имеют удельную обменную поверхность 0,1-0,2 м2/г. Макропористые иониты обладают развитой обменной поверхностью, равной 60-80 м2/г. Синтетические иониты набухают в воде больше и имеют большую обменную емкость, чем природные. Срок службы синтетических катионитов значительно больше, чем анионитов. Это объясняется низкой стабильностью групп, которые в анионитах выполняют роль фиксированных ионов.

Селективность обмена зависит от величины давления набухания в порах смолы и от размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в состав смолы вводят вещества, способные образовывать с ионами этих металлов внутрикомплексные соединения (хелаты). Установлены ряды ионов по энергии их вытеснения из сильно и слабокислотных катионов. Например, для сильнокислотного сульфокатиона КУ-2 получен следующий ряд: Н*< Na+< NH4 + < Mg2* < Zn2f < Co2*< Cu2+ < Cd2+<< Ni2*< Ca2*< Sr2*< Pb2*< Ba2*. Для слабокислотного катионита КБ-4: Mg2*< Са2* < Ni2* < Со2* < Cu2+.

Иониты выпускают в виде порошка (размер частиц 0,04-0,07 мм), зерен (0,3-2,0 мм), волокнистого материала, листов и плиток. Крупнозернистые иониты предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты (1-3 м), порошкообразные — со слоями высотой 3-10 мм.

Размер частиц ионита влияет на перепад давления в фильтрах: с уменьшением размера частиц перепад давления в слое увеличивается. Исходя из этого, измельчение ионитов в процессе очистки нежелательно. Это приводит не только к росту сопротивления фильтра, но и к неравномерному распределению скоростей потока сточной воды по сечению фильтра.

В результате столкновения зерен ионита друг с другом, а также ударов о стенки аппаратуры происходит истирание ионитов. Механически прочными принято считать иониты, степень истираемости которых не превышает 0,5%. Иониты должны быть также химически и термически стойкими. Химическая стойкость оценивается по изменению полной обменной емкости к изменению массы ионита.

Ряд смол, выпускаемых в СССР, имеет произвольное назначение (Н, НО, ВС). Некоторые названия отражают состав смол: СДВ — сти- ролдивинилбензол; ЭДЭ — этилендиаминэтиленхлоргидрин; МСФ — моносульфат и др. В последнее время в маркировке смол для катионитов употребляют букву К, а для обозначения анионитов — А. Буква В — (после А) записывается для высокоосновных анионитов, буква Н — для низкоосновных анионитов. Числовое обозначение указывает порядковый номер производственной серии. Например, КУ — катионит универсальный; КФ — катионит фосфорнокислый; АВ — анионит высокоосновный; АН—анионит низкоосновный.

Смолы зарубежных стран часто имеют названия фирм изготовителей.

Отечественная промышленность выпускает ряд катионитов и анионитов (табл. 11,9 и 11,10). Ниже приведены некоторые марки ионитов и их зарубежных аналогов:

Отечественные иониты Зарубежные аналоги

КУ-2-8 Амберлит IR-120, дауэкс-50, диай-

он, SK-1 А, зеролит 225, имак С-12, леватит S-100, вофатит K.RS-200, варион KS, дуолайт С-20, алласьон CS, кастель С-300Р, катекс-5

КУ-23 Леватит SP-120, кастель С-300Р. ам

берлит 15А, варион KSM

Таблица II. 9.

Характеристика основных марок катионитов, выпускаемых

Катионит — смола

Основа

матрицы

Сшивающий

агент

Функциональная

группа

Ионная

форма

Марка

Тип

КУ-2

Полимеризационная

Полистирол

Дивинил- бензол 8-10%

SO,H

Н

Na*

КУ-2-8

То же

То же

Тоже

SOjH

н

Na*

КУ-2-12П

Полимеризационная

макропористая

»»

»

SOjH

н*

Na*

КУ-1

Конденсационная

Фенол о- формальдегид

SO*H

н*

КФ-1

Полимеризационная

Полистирол

PO(OH)2

Na'

КФ-2

Тоже

Тоже

(CH2)[PO(OH)b

Na*

КБ-1

»

Метакр иловая кислота

соон

Na*

КБ-4

»

То же

Дивинил - бензол. 10%

соон

Na*

КБ-4-10П

Полимеризационная

макропористая

»

То же

соон

Na*

КБ-2, КБ-2-4

КБ-2-7П, КБ-2-1 ОП

Варной KSM, вофатит СР, дуолайт СС-3, йонайк С-270, пермутит Н- 70, пермутит С

Варной KSM, дуолайт С-464, имак Z-5 КБ-4

КБ-4, КБ-4П-2

АВ-17-8

АВ-29-12П

Амберлит IRA-50, варион СР, зеро- лит 226,-цеокарб 226

Амберлит IRA-400, дауэкс-1, зеро- лит FF, дуолит A-101D, кастель А- 500, диайон SA-10А, вофатит SBW, леватит М-500, варион АТ-660

Дуолайт А-162, варион AMD, днай- он РА-404, леватит МР-600, амберлит А-29, амберлит IRA-910, релит 2AS

в стране для нужд водоподготовки

Кислотность

Полная обменная емкость СОН

Насыпная

плот-

ность,

т/м*

Влажность,

%

Максимальная рабочая температура,

°С

Зернение, мм

экв/т

экв/м*

Сильнокислотный

  • 4700—
  • 5100
  • 1300—
  • 1800

0,7—0,9

50,60

120—130

0.3—1,5

То же

5100

1800

0.7—0.9

50.60

120—130

0.3—1.5

»

4950

1500

0.5—1.5

»

4000

1400

0.6—0,75

30,50

90

0,3—2.0

Среанекислотный (pK|=*3,5, рК2=7)

5000

1900

0.7

То же

7000

2600

0.7

Слабокисл отный

  • 8500—
  • 10000
  • 4200—
  • 3800

0,55—0,6

30

0,3—1,5

То же

8500

4200

0.55—0.6

50

150—180

0.3—2.0

»

7500

  • 0,68—
  • 0,82

75

  • 0,25—
  • 1.0

g Таблица II. 10.

Характеристика основных марок анионитов, выпускаемых в стране для нужд водоподготовки

Анионит

Основа мат- рицы

Сшивающий

агент

Функциональная

группа

Основность

Полная обменная емкость

Насыпная плотность

Влажность. %

Зернение,мм

Марка

тип

Экв/т

Экв/м*

Исходного

Набухшего в воде

АВ-17

(AB-I7X8)

Полимери-

Ш1И0ННЫЙ

Полистирол

Дивинил- бензол. 8%

RjN'

Сильноосновный

  • 3800—
  • 4500

1300— 1500

0,66—0,74

0,33-0,35

40—65

0.4—1.2

ЭДЭ-10Д

То же

Эпоксиполиамин

RNH, RjN, RjN‘ (10-20%)

Промежуточноосновный

  • 9000-
  • 10000

0,6—0,72

10-15

0.4—1.8

АВ-16

»

RNH, RjN RjN'

To же

  • 9800-
  • 10500

2300

0.68-0.82

60

0.3—1.8

АН-22

»

Полистирол

Дивинил-

бензол

NHj, RNH

Слабоосновный (рК,=3-4)

7000

2100— 2500

0,6—0,8

0,36

40-60

0,25-1,0

АН-31

Конденсационный

Политгилсн-

полиамнн

Эпихлор-

гидрин

RNH. R2N

То же (рК.=3-

3.5)

  • 9000—
  • 9900
  • 4050—
  • 4550

0.66

045

15

0,3—2,0

АН-2Ф

То же

То же

RNH. RjN

Слабоосновный

  • 9000—
  • 10500

3700

0.7—0,9

15

0,3—2.0

Основы процесса ионного обмена. Реакция ионного обмена протекает следующим образом: при контакте с катионитом

при контакте с анионитом

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: гидродинамического режима жидкости; концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов. Имеются разные точки зрения на механизм ионного обмена.

Процесс переноса вещества может быть представлен в виде нескольких стадий: 1) перенос ионов А из ядра потока жидкости к внешней поверхности пограничной жидкой пленки, окружающей зерно ионита; 2) диффузия ионов через пограничный слой; 3) переход иона через границу раздела фаз в зерно смолы; 4) диффузия ионов А внутри зерна смолы к ионообменным функциональным группам; 5) собственно химическая реакция двойного обмена ионов А и В; 6) диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз; 7) переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность пленки жидкости: 8) диффузия ионов В через пленку; 9) диффузия ионов В в ядро потока жидкости.

Скорость ионного обмена определяется самой медленной из этих стадий — диффузией в пленке жидкости, либо диффузией в зерне ионита. Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет суммарную скорость процесса.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы