Как влияют на рн ионообменные смолы. Что такое ионообменная смола? Как это работает? Технология умягчения воды с помощью ионов: необходимое для работы оборудование

Применение ионообменной смолы, на сегодняшний день, весьма разнообразно. Но самая важная задача, с которой ионообменная смола способна справиться на отлично, — это смягчение воды. Благодаря своей смягчающей способности, использование ее в бытовых приборах, имеющих контакт с водой, просто необходимость. Давайте разберемся, чем уникальна ионообменная смола, и возможно ли обойтись без нее.

Ионообменная смола

Итак, мы определились, что ионообменная смола необходима для умягчения воды для бытовых нужд. То есть, увлажнитель воздуха, бытовой фильтр для очистки воды, стиральная машина, котлы для отопления. Список можно продолжить, но важно понять, что умягчение воды необходимо там, где она подвержена нагреву, вследствие чего может образовываться накипь, приводящая в негодность бытовые приборы, а также бытовые проточные фильтры.

Основные моменты, с которыми может столкнуться каждый:

Жесткость воды способна не только выводить из строя Ваши бытовые приборы, но и нанести вред Вашему здоровью.

Раздражение, сухость и зуд кожи, вследствие засорения кожных пор солями жирных кислот, которые, при реакции взаимодействии мыла с солями жесткости воды являются нерастворимыми.

Ломкость, сухость волос и повреждение их естественной правильной структуры.

Раздражение и пересушивание кожи головы, что приводит к появлению перхоти и неприятным ощущениям.

Большой расход моющих средств (в среднем, 3 раза выше).

Наличие налета на Вашей сантехнике в ванной комнате и на кухне

Большой расход электроэнергии, так как наличие накипи на нагревательных элементах увеличивает потребляющую мощность приборов.

Что же представляет собой ионообменная смола?

Ионообменная смола – полимерные смоляные шарики, диаметр которых менее

миллиметра. Шарики смолы имеют способность к улавливанию из воды ионов различных веществ, и адсорбировать их в себя, обменивая на свои, смоляные, ионы. Таким образом, происходит ионный обмен, соответственно и смола – ионообменной.

Есть иное название ионообменной смолы – ионит. А именно, — нерастворимое высокомолекулярное соединение, которое способно вступать в реакции обмена с ионами загрязненной или жесткой воды. Иониты имеют гелевую основу, в связи с этим, способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Существуют также и макропористые иониты. Существенное отличие их в том, что они имеют поры по всей своей поверхности что означает — ионный обмен возможен как в набухшем, так и в не набухшем. Гелевые иониты обладают большей обменной емкостью, а макропористые, — лидируют в осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Иониты находят применение в пищевой, фармацевтической, медицинской отросли. Выпускаются, как правило, уже готовые смеси ионитов для использования в фильтрах (для увлажнителей, фильтров для воды как питьевых, так и специального назначения для бытовых приборов).

Принцип действия ионообменных смол.

Рабочее состояние ионообменной смолы – это набухание. При производстве смоляным

шарикам придают воздушно-сухое состояние. Размеры смоляных шариков могут колебаться от 0,5 мм до 4мм. При взаимодействии с водой шарики набухают, напитываясь водой. Набухание шариков приводит, соответственно, к увеличению их в размере.

При прохождении воды сверху вниз через слой ионообменной смолы происходит её смягчение. Процесс прохождения воды через ионообменную смолу проходит в несколько этапов. Это обуславливается наличием нескольких слоев смолы: работающий, истощающий и свежий. Работающим слоем является, собственно зоной смягчения. Далее, вода

проходит сквозь следующий слой, который со временем истощается, теряя обменную способность. Попадая в последний слой, свежий слой. Во всех слоях ионообменной смолы, которые проходит вода, происходит ее смягчение. Но расписывая данные слои, мы хотели обратить Ваше внимание на то, что картриджи, наполненные ионообменной смолой необходимо периодически менять. Необходимо это того, чтобы Вы смогли получить максимальный эффект от использования фильтров на основе ионообменной смолы. Рекомендовано производить замену картриджа не реже одного раза в 3-6 месяцев.

Подводя итог, можно обобщить выше сказанное. Ионообменная смола способна задерживать любой химический элемент и его соединения. При очистке воды ионообменной смолой удаляются соли жесткости, а именно кальций и магний, которые имеют свойство образовывать накипь на водонагревательных элементах. А значит, удаление жесткости воды и называется ее умягчением.

Как правило, фильтры, содержащие ионообменную смолу, устанавливаются перед водонагревательными аппаратами (котел, газовая колонка, проточный водонагреватель, бойлерами, прочее). Также, применяется в бытовых системах очистки воды. Возможна установка фильтра со смолой и на весь дом в комплексе с фильтрами механической угольной очистки. Обычно применяется двухступенчатая или трехступенчатая система колбовых фильтров, установленных последовательно.

Ионообменные смолы не являются токсичными, взрывоопасными и пожароопасными веществами. Ионообменные смолы безопасны, поэтому не могут нанести вред здоровью человека.

Существует множество способов сделать питьевую воду максимально безопасной. Когда-то наши бабушки и дедушки не слышали про системы фильтрации. Сегодняшняя экология усложнила ситуацию с питьевой вода. Постоянная очистка нагревательных приборов от налета накипи заставляет познать жесткость воды и задуматься о качестве питьевой воды.

Удаление солей жесткости, которые откладываются на бытовых приборах, возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для умягчения воды. Рассмотрим более подробно виды смол, их принцип работы и для чего они в системе очистки.

Классификация ионообменных смол

В борьбе с солями кальция и магния отличным вариантом будут безреагентные умягчители воды. Большая часть смягчающих фильтров работает с помощью реагентов. Вода получает нужный состав благодаря фильтрующей массе и реагентам. Последние могут так же восстанавливать фильтрующие среды. Основой фильтра-ионообменника является смола.

Ионообменная смола для смягчения воды используется во многих сферах:

• очистка;
• деминерализация;
• удаления кремния;
• выборочная фильтрация.

Основой смолы являются иониты – нерастворимые полиэлектролиты. Различают искусственные, природные и синтетические смолы.

Ионит имеют форму заряженного каркаса с ионами противоположного знака. При контакте ионов каркаса с ионами другого знака происходит смена ионитов.

Направление заряда приводит к делению ионов на амфолиты. К ним прибавляются отрицательные катиониты с положительными аонитами. Катионы притягиваются к катионитам, а анионы – к аноитам.

Каркас может иметь различную основу: химическую, нехимическую, минерально-органическую. Она является сочетанием органики и синтетических ионитов. Если каркас гелиевый, то в него макропористые или гелиевые иониты. Они активны в набухшим состоянии при увеличении объема до 3 раз. Однако их ресурс иссякаем. При ликвидации всех мостиков-сшивок смола перестает смягчать воду.

Существуют смолы с равномерным распределением мостиков – изопористые иониты. При большем впитывании они увеличиваются сильно в объеме.

Набухание ионитов гелиевой основы вызвано раскрытием гранул подобно бутону цветка. Гелиевая структура не имеет сплошных стенок и не однородна. Минусом гелиевых смол является их неспособность поглощать большие органические вещества и ионы. При фильтрации может произойти «отравление смолы» — закупорка пор.

Сегодня наиболее применяемыми являются макропористые иониты. Их преимуществами являются малое изменение объема, хорошо адсорбируют, имеют продолжительные обменные реакции, большую скорость фильтрации, прочные и жесткие. Поры в микропористых смолах являются результатом искусственного процесса: добавление жирных кислот, спиртов и гептана.

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

• макропористые иониты прочнее гелиевых структур;
• гелиевые аниониты хуже работают гелиевых катионитов;
• полистирольные аониты слабее акриловых.

Принцип работы ионообменной смолы

Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии)

ИВ - исходная вода; OS - обработанная вода; Р - реагент

Смолы для умягчения начали применять только во второй половине прошлого века и быстро себя изжили. В XX веке было сделано максимальное число открытий в области очистки воды. Пик популярности ионообменных смол был в 80-90-ые годы. Потом их стали вытеснять мембраны и обратный осмос. Сегодня смолы для смягчения воды популярны в системах очистки, но не занимают лидирующие позиции.

Для большего понимания принципа работы ионообменную смолу можно сравнить с икрой. Неопытный человек может с первого взгляда перепутать ее с белужьей.

Ранее уже говорилось, что смола для умягчения воды может состоять из трех видов ионитов: аниониты, катиониты и аониты. Наиболее распространенные аониты. Суть разделения в том, что каждый вид может замещать исключительно одноименные иониты.

Аниониты могут иметь сильную или слабую основу, а так же промежуточную и смешанную. Катиониты обладают слабой или сильной кислотностью. Сильная основа анионитов позволяет совершать обмен при любом кислотно-щелочном балансе, слабая – только до 6. Катиониты сильной кислотности могут обмениваться при любом рН, а слабокислотные – до 7.

Таким образом, ионообменная смола умягчает воду, но почти не очищает ее от других примесей. Она может полностью устранить жесткость. Возможно несколько раз прогонять воду через фильтр, что бы сделать ее более мягкой. При каждой очистки увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Иониты могут иметь солевую или смешанную форму. Основу солевой составляют натриевые и хлористые соединения, а смешанной – натрий-хлор или гидроксил-хлорид.

Ионообменные смолы используются в фармакологии, пищевой промышленности, на АЭС для очистки конденсата и т.д.

Иногда дополнительно используют таблетированную соль для умягчения воды. Но обычная столовая соль в таблетках вымывает ионообменные смолы из фильтра. Со временем смола потрескается и утратит свои фильтрующие способности.

Таблетированная солью может восстановить ионнообменную смолу. Продают ее в больших пакетах по 25 кг.

Как выбрать?

Традиционные ионообменные смолы: карбоксильная смола, сульфокатионит

Сегодня во многих магазинах на прилавках легко найти смолу для ионообменного фильтра. Если уже известна марка и зарекомендованной производитель ионообменной смолы, то ее быстро можно найти в интернете.

Основным показателем эффективности работы является влажность, а не поглощение. В смоле присутствует химически связанная влага. Ее удаление ведет к разрушению ионообменной смолы для умягчения воды.

Далее следует обратить внимание на емкость ионов – рабочая, объемная, весовая. Объемная и весовая являются стандартными характеристиками, которые определяются в лабораторных условиях. Они всегда указаны в паспорте продукции.

Рабочую емкость измерить невозможно. Она зависит от формы и глубин фильтрующего слоя смолы. Так же важны и входные параметры очищаемой воды.

Следует обратить внимание на скорость фильтрации, уровень восстановления, размер задерживаемых частиц и т.д.

Так как качество питьевой воды с каждым десятилетием становится все хуже, ученые еще в 60-х годах прошлого века изобрели ионообменную смолу или аниониты. Это вещество представляет собой полимеры, имеющие очень маленький размер. Они производятся в виде шариков, с диаметром до 1 мм. На внешний вид этот материал напоминает белужью икру.

По своей природе это вещество является нерастворимым, оно способно легко вступать в обменные реакции с ионами других растворов. Также некоторые виды ионообменных смол могут провоцировать процесс окисления и сорбции.

Основным документом, который регламентирует качество этих веществ, является ГОСТ 20301-74 «Смолы ионообменные. Аниониты. Технические условия».

Принцип работы вещества

Принцип основного действия фильтров с ионообменной смолой направлен на очистку и смягчение жесткой воды, то есть, воды, где увеличено количество тяжелых металлов. Шарики специальных полимеров этой смолы изначально имеют в своем составе «свободные» ионы. Эти частицы имеют способность улавливать ионы других веществ.

Во время взаимодействия ионообменной смолы с другой жидкостью, ее частицы начинают набухать. Шарики могут увеличиваться в размере до 4 мм.

В производстве очистка воды играет одну из самых важных ролей. Поэтому раньше использовались большие фильтры с ионообменными смолами для воды. Вода должна проходить в несколько этапов, так как фильтр состоит из нескольких слоев: основного, истощающего и свежего. На каждом их слоев фильтра вода отдает ионы тяжелых металлов и вредных веществ. Для постоянной очистки и эффективности фильтров их рекомендуется менять не реже 1 раза за 4-6 месяцев.

Основные свойства ионообменной смолы

Когда происходит очистка ионообменной смолой, то вода теряет:

• . вредные химические элементы и их соединения,
• . частицы калия и магния, веществ, которые способны образовывать накипь,
• . тяжелые металлы и т.д.

Ионообменная смола умягчения воды способна значительно снизить ее жесткость. Поэтому применение такого фильтра в бытовых условиях поможет:

• . убрать накипь на сантехнике и нагревательных элементов в чайнике, котле или газовой колонке,
• . уменьшить ломкость волос, сухость кожи, шелушение,
• . снять или уменьшить раздражение кожи головы, убрать перхоть,
• . снятие накипи с электрических тэнов поможет снизить потребление электроэнергии,
• . уменьшить применение моющих средств до трех раз,
• . убрать сизый налет со смесителей и кранов в быту.

Применение ионообменных смол в быту вполне безопасное, так как эти вещества не имеют токсичности. Они не способны к самовозгоранию или взрыву. Картриджи с этими смолами устанавливают перед нагревательными приборами, например, перед водонагревательным котлом, бойлером или проточным водонагревателем.

Чтобы отфильтрованная вода поступала на весь дом, установку фильтра проводят вместе с угольными фильтрами. В этом случае используют трехступенчатую степень очистки.

Производство ионообменных смол

Ионообменная смола для умягчения воды получается в результате двух химических реакций. Она поддается влиянию полимераналогичных превращений и процессу полимеризации.

Чтобы получить это вещество методом полимеризации используют специальные мономеры, которые имеют в своем составе ионогенные группы. А для полимераналогичных превращений эти частицы непосредственно вводят в инертные полимеры. Производители ионообменных смол также изготавливают этот материал с помощью процесса поликонденсации. Но такая ионообменная смола имеет более низкие качественные характеристики.

Для производства картриджей с ионообменными смолами используют полимеризацию трех веществ:

• . стирола,
• . производные акриловой кислоты,
• . винилпиридин.

Применение

Как уже стало ясно, ионообменная смола - вещество, которое способно значительно повысить качественные характеристики воды. Очищенная вода стает полностью безопасной для здоровья человека, она не оставляет накипи на приборах, что позволяет экономить на электроэнергии и покупке новой бытовой техники.

Характеристики ионообменной смолы позволяют ее применять как в быту, так и в больших производственных компаниях. Их используют в:

• . пищевой промышленности,
• . фармакологии,
• . медицинской отрасли,
• . химической промышленности,
• . тяжелой промышленности,
• . быту.

Фильтры с таким очистительными материалами используют:

• . в котельных,
• . во время производства бутилированных вод, слабоалкогольных напитков, пиво-водочных изделий,
• . на сахарных заводах,
• . на атомных электростанциях.

Особенности упаковки и хранения

Согласно ГОСТу 20301-74 ионообменные смолы должны упаковываться в полиэтиленовые мешки, предварительно пройдя упаковку в пакеты из винилискожи. Допустимая масса одного запечатанного мешка может составлять 50 кг. Также эти вещества допустимо фасовать в пропиленовые бидоны или контейнеры.

Стоит отметить, что во время транспортировки или хранения, не допускается соседство катионитов ионообменной смолы с анионитами, а также любыми окислителями или растворителями. Хранить эту продукции можно только в сухих и хорошо проветриваемых помещениях, где температура воздуха не будет ниже +2°С. Складировать мешки с ионообменными смолами можно на расстоянии 1 метр от отопительных приборов. Срок хранения составляет 12 месяцев со дня производства.

Цена на ионообменную смолу в России достаточно отличается, но средняя стоимость такого очистителя составляет 120-150 рублей за литр.

Каждый производитель устанавливает свою цену. Например, одними из самых востребованных торговых марок считаются:

• . Рurolite,
• . Lewatit.

Цена 25 кг мешка ионообменной смолы Рurolite составляет 6500 рублей, 25 кг ионообменной смолы Lewatit будет стоить чуть дешевле - 4640 рублей.

На сайте производителя заказать смолу для фильтров, получить рекомендации по применению в водоподготовке для коттеджа и в промышленности. Получить больше технической информации по самому популярной ионообменной смоле можно на нашем сайте.

Смола для фильтров - это ионообменная смола, которая представляет собой небольшие правильные гранулы круглой формы примерно 1 мм в диаметре. Смола для фильтров делится на пищевую и непищевую . Пищевая применяется в водоподготовке, как понятно из названия, для приготовления пищи и других личных целей, где необходима чистая вода. Непищевая - для подпиточной воды в бойлерах , котельных , там, где требования к воде ниже, там где единственным требованием выступает относительная мягкость воды для предотвращения образования отложений накипи на теплопередающих поверхностях. Уникальным применением смолы для фильтров является процесс получения эксклюзива - это . Основное назначение смолы для фильтров является умягчение воды до заданных значений . В фильтр с ионообменной смолой подается жесткая вода, с невысоким содержанием железа и на выходе из фильтра получается умягченная вода. Этот процесс получения мягкой воды называется умягчением.

Ионообменные смолы делятся на катиониты и аниониты по знаку улавливаемых ионов. дано описание и раскрыт принцип действия самой распространенной смолы для фильтров - катионита. Анионит в принципе похож и по внешнему виду и по принципу действия, только меняется знак улавливаемых ионов на противоположный. - это не одноразовый продукт. Есть ресурс по емкости и ресурс по количеству циклов перезарядки (регенерации). При заполнении поверхности ионообменной смолы ионами солей жесткости необходимо избавиться от них - провести регенерацию раствором обычной нейодированной поваренной соли. И все, смола вновь готова к работе.

Перед покупкой смолы для фильтров необходимо определиться с анализами воды и показателями, которые Вас не устраивают. Для этого нужно сделать отбор пробы воды как . Заказать анализ воды по основным показателям можно на нашем сайте сайт через форму обратной связи, или написав нам e-mail: [email protected] , привезти образец воды в наш офис и через день будет готов результат.

Наиболее распространенные варианты:

• катионит КУ-2-8
• катионит КУ-2-8чС

Отличие как описывалось выше в предназначении. КУ-2-8 - для технической воды и КУ-2-8чС - для питьевой воды . Оба вида катионита выпускаются по ГОСТ 20298-74 и проходят двойной анализ качества. на промежуточном и конечном цикле производства. В производстве данных катионитов исключены высокотоксичные реактивы.

Цены на смолу для фильтров на рынке могут быть совершенно заоблачными, если речь идет об импортной продукции.

Катиониты пищевого класса европейского производства начинаются от 8.000 рублей за 25 литровую упаковку. Цена на смолу для фильтров китайского производства немного ниже и оцениваются от 5.000 рублей за мешок в 25 литров. И те и другие не ГОСТированы, о чем тщательно умалчивают маркетологи.

При практически одинаковых характеристиках такой весомый разброс цен . Сводная таблица основных характеристик смол для фильтров будет размещена под этой ссылкой позже .

На нашем сайте можно заказать:

• пищевого класса КУ-2-8чС по ГОСТ 20298-74 по цене 2.980 рублей за упаковку в 25 литров.
• Купить катионит КУ-2-8 (непищевого класса) по ГОСТ 20298-74 стоит еще дешевле - 2.180 рублей (25 литров).

В 2015 году на базе производственной компании ООО "Смолы" создано подразделение сервисной службы . Основной вид деятельности которой заключается в поддержке и консультации по производимой продукции.

Мы можем помочь Вам в обслуживании фильтра со смолой, провести сервисное обслуживание и замену смолы исходя из экономической целесообразностью.

Cвязаться с сервисом можно по электронной почте: [email protected] или через форму обратной связи на нашем сайте.

Классификация и основные понятия

Ионообменные синтетические смолы широко используются в разных областях деятельности человека. Большая часть производимых на сегодняшний день ионитов применяется в разнообразных технологических процессах (технология неорганических и органических веществ, очистка сточных вод и газовых сред, подготовка воды в разных технологических процессах, катализ, радиохимия, медицина и биология). Также иониты нашли применение и в небольших бытовых системах для доочистки питьевой воды. В настоящее время большую часть российского рынка ионообменных смол занимают зарубежные компании Purolite, Rohm & Haas, Dow Chemical, Bayer, Pure Resin Co. Ltd, украинские ОАО "Азот" (г. Черкассы) и ГП "Смолы" (г. Днепродзержинск), а также российские ОАО "Азот" (г. Кемерово), ЗАО "ТОКЕМ" (г. Кемерово). Ассортимент смол, предлагаемый как зарубежными, так и отечественными поставщиками, многообразен и велик. Этот факт затрудняет создание единой терминологии, наиболее точно и полно характеризующей их свойства и ионообменные процессы.

Ионообменными смолами называются искусственные органические высокомолекулярные соединения, обладающие ионообменными свойствами. Существует несколько типов классификации ионообменных смол.

Катиониты проявляют свойства поликислот, а аниониты - полиоснований.

Также выделяют группу смол под общим названием амфотерные иониты или полиамфолиты . Они содержат подвижные кислотные и основные группы и в зависимости от условий могут проявлять себя как катиониты или аниониты.

Ионит состоит из матрицы (каркаса) - высокомолекулярная, практически нерастворимая в воде или других растворителях часть ионообменного материала, обладающая определенным зарядом (у катионитов - отрицательный, у анионитов - положительный). С матрицей связаны подвижные ионы - противоионы . Противоионы обладают зарядом, противоположным заряду ионогенной группы матрицы. В целом зерно ионообменного материала нейтрально. Противоионы подвижны и способны обмениваться на ионы того же знака. Для наглядности ионит можно сравнить с губкой, в порах которой циркулируют противоионы. Если погрузить губку в раствор, противоионы переместятся в раствор, а их место займут ионы того же знака из раствора, чтобы сохранить электронейтральность зерна.

Если ионит, содержащий только противоионы одного типа (на рисунке 1 они изображены синим цветом), поместить в раствор с противоионами другого типа (на рисунке 1 они изображены красным цветом), то ионы первого типа начнут замещаться на ионы второго типа.

а б

Рисунок 1 - схема ионного обмена между ионитом и раствором

а - начальное состояние; б - ионообменное равновесие;

1 - матрица с фиксированными ионами; 2 - противоионы; 3 - коионы.

Этот процесс будет продолжаться да тех пор, пока не установится равновесие: ионит и раствор будут содержать ионы двух видов в определенном соотношении. Такое состояние принято называть ионообменным равновесием. Помимо противоионов в ионит поступают растворитель с растворенными в нем ионами - коионами . Коионы - ионы, обладающие тем же зарядом, что и матрица ионита.

Катиониты

Катиониты представляют собой высокомолекулярные твердые нерастворимые поликислоты, содержащие кислотные группы: сульфогруппы, карбоксильные, фосфиновокислые, селеновокислые и др. Они диссоциируют в воде на малоподвижный макроанион (матрица) и подвижные катионы:

RAn - | Kt +

Катиониты, у которых все подвижные ионы представлены ионами водорода, обозначаются как H-катиониты или H-форма катионита. В тех случаях, когда вместо водорода подвижные ионы представлены катионами металлов (Na + , Ca 2+ и др.), применяется соответствующее обозначение солевой формы Na- или Ca-катионит либо Na- или Ca-форма катионита.

Катиониты можно разделить на сильнокислотные и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты способны обменивать противоионы на внешние ионы в щелочной, нейтральной и кислой средах. Слабокислотные катиониты обменивают противоионы на другие катионы только в щелочной среде. К сильнокислотным относят катионитам с сильно диссоциированными кислотными группами - сульфокислотными. К слабокислотным относят катиониты со слабо диссоциированными кислотными группами - карбоксильными.

Аниониты

Синтетические аниониты содержат в макромолекуле функциональные группы основного характера и представляют собой твердые полимерные основания. Аниониты диссоциируют в воде на малоподвижный макрокатиоин (матрица) и подвижные анионы:

RKt + | An -

Слабоосновные аниониты имеют в своем составе первичные, вторичные, третичные и четвертичные аминогруппы, сильноосновные аниониты содержат четвертичные аминогруппы. Сильноосновные аниониты обменивают противоионы в щелочной, нейтральной и кислой средах, а слабоосновные - только в кислой среде. Как уже отмечалось, аниониты могут поставляться в гидроксильной (OH -) или солевой (Cl -) форме. При длительном хранении анионитов в гидроксильной форме их обменная емкость может снижаться, что, скорее всего, связано с окислением этих полимеров. В результате этого число свободных основных групп уменьшается. Поэтому хранить смолы рекомендуется в солевой форме и в увлажненном состоянии.

Физико-химические свойства ионитов

1. Обменная ёмкость

Обменная ёмкость - один из наиболее важных показателей свойств ионитов. Она определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену. Измеряется в единицах массы воздушно-сухого или в единицах объема набухшего ионита и соответственно выражается в мг-экв/г или мг-экв/см 3 . Как правило, российские и зарубежные производители смол чаще указывают обменную ёмкость в единицах объема набухшего ионита (мг-экв/см 3 ).

Различают полную и равновесную обменную емкость. Полная обменная емкость (ПОЕ) соответствует общему количеству функциональных групп в единице объема влажного или единицы массы сухого ионита. ПОЕ величина постоянная для данного образца. Так как ионный процесс - процесс равновесный, то вводится понятие «равновесная объёмная ёмкость» (РОЕ). РОЕ зависит от ряда условий протекания процесса: pH среды, температура, концентрации растворов, технологические условия протекания процесса (скорость подачи раствора, площадь фильтрования, др.). Таким образом, равновесная обменная ёмкость величина переменная, зависящая от различных условий.

Селективность

Селективностью называется способность избирательно поглощать из раствора некоторые ионы или группы ионов. При катионном обмене на слабосшитом (до 8 - 10 % ДВБ) сульфокатионите из разбавленных растворов, в которых нет реакций комплексообразования, имеет место следующий ряд селективности для щелочных и щелочноземельных элементов:

Cs + > Rb + > K + > Na + > Li + ;

Ra 2+ > Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ > Be 2+ .

Сродство ионов щелочных и щелочноземельных металлов к слабосшитому сульфокатиониту уменьшается в ряду в полном соответствии с уменьшением их порядкового номера и размера иона и с увеличением радиуса гидратированного иона.

С увеличением количества сшивающего агента в монофункциональных сульфокатионитах и изменение природы функциональных групп (например, с - SO 3 H на - COOH) приводит к полному обращению рядов селективности.

Для сильноосновных анионитов характерен следующий ряд селективности:

SO > I - > NO> CrO > Br - > CSN - > Cl - > F - .

Слабоосновный аниониты проявляют повышенную избирательность к гидроксил-иону (OH -), другие ионы легко им вытесняются. Ряд селективности имеет вид:

OH - > SO > CrO > NO > Br - > Cl - > F - .

Осмотическая стабильность

Иониты способны к набуханию в воде и органических растворителях, при этом проявляется действие осмотических сил на зерно ионита. Степень набухания ионита в воде зависит от свойств ионита и состава раствора и значений pH раствора. При увеличении степени набухания зерен их размер увеличивается, при уменьшении степени набухания - зерно уменьшается. Этот процесс называют «дыханием» ионита. Циклические процессы растягивания и сжатия зерна приводят к разрыву цепей матрицы и растрескиванию гранул ионита. Особенно остро стоит вопрос о механической прочности анионитов, так как их стоимость выше, а срок службы меньше, чем у катионитов. Полностью исключить воздействие осмотических сил на зерно ионита невозможно, но, благодаря некоторым мерам, можно снизить. Нельзя допускать высыхание ионита, поставляемого во влажном состоянии (как правило, массовая доля влаги составляет 40 - 65%). Воздушно-сухие иониты во избежание осмотического удара предварительно замачивается в концентрированном растворе хлорида натрия.

Механическая прочность

Осмотическая устойчивость и механическая прочность ионита зависит от строения матрицы ионита, формы зерна, температуры, свойств среды и других факторов. Разрушение зерна ионита происходит в результате недостаточной осмотической стабильности, при трении гранул друг о друга, о стенки аппаратуры, а также при соприкосновении с движущимися потоками среды. Перепад давления в ионообменных колоннах также может стать причиной растрескивания или полного разрушения гранул ионита. В отечественной литературе для оценки механической прочности ионообменных материалов используют два понятия: истираемость - износ материала вследствие трения зерен друг о друга при промывках (предельное значение - 0,5 %) и измельчаемость - износ в результате растрескивания зерен (до 4 %). Смолы импортного производства характеризуются показателем « cracked» - процентное соотношение целых и треснувших гранул, и показателем « broken» - процентное соотношение целых и полностью разрушенных гранул.

Гранулометрический состав

Скорость всего ионообменного процесса определяется лимитирующей стадией. Для процессов, протекающих в водной среде, это скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через плёнку, пройти через граничную поверхность частицы внутрь смолы. У чистых смол диффузионные пути не загрязнены посторонними примесями и доступ к поверхности зерна не заблокирован. С увеличением скорости потока уменьшается толщина водяной пленки, что облегчает прохождение ионов к поверхности зерна. Повышение температуры воды ведет к уменьшению ее вязкости, что способствует увеличению скорости диффузии и увеличению кинетики ионного обмена. Другим важным фактором является соотношение между объема частицы к ее поверхности. С уменьшением диаметра зерна на каждую функциональную группу приходится большая поверхность обмена.

Существует оптимальное соотношение между размером гранул и толщиной слоя материала, засыпаемого в ионообменные фильтры. Мелкозернистый ионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую ионообменную емкость, чем крупно-зернистый. Однако, с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Исходя из вышесказанного, наибольшее распространение получили смолы с размером зерна 0,3 - 1,5 мм. В технологиях ионирования с противоположными по направлению потоками обрабатываемой воды и регенерирующего раствора большое значение имеет однородность гранул (монодисперсность). Степень однородности размеров зерен существенно влияет на процесс ионного обмена. При промывке вынос мелкой фракции начнется гораздо раньше, чем придут в движение более крупные частицы. Если снизить скорость промывки для предотвращения выноса мелкой фракции, крупные частицы будут промыты недостаточно.

Основные параметры, характеризующие фракционный состав ионообменного материала, определяются ситовым анализом. Навеска материала просеивается через ряд калибровочных сит, остатки на ситах взвешиваются, и определяется процентное соотношение между различными фракциями. На основе полученных результатов высчитывается эквивалентный диаметр зерен d э (эффективный размер), мм.

d э = ,

где p i - процентное содержание зёрен со средним диаметром d k , оставшихся на сите при рассеве. Средний диаметр d k определяется, как размер ячейки сита.

Коэффициент неоднородности загрузки k н

k н = ,

d 80 - калибр сита, через который прошло 80 % при просеивании зерен ионита;

d 10 - калибр сита, через который прошло 10 % при просеивании зерен ионита.

Химическая стойкость

Химическая стойкость ионообменной смолы определяется изменением объёмной ёмкости, типа ионогенных групп, механической прочности и зависит от природы агрессивной среды, строения полимерного каркаса, прочности связи с ним функциональных групп. Химически стойкими являются связи типа C-C, C-P, C-S, связи C-N, C-O легко подвергаются гидролизу. Поэтому химическая стойкость катионитов, как правило, выше, чем анионитов. К разрушающему воздействию кислот и щелочей наиболее устойчивы сульфокатиониты на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. Слабоосновные аниониты меньше подвержены химической деструкции, чем сильноосновные. В связи с этим, в схемах с использованием анионообменных смол на первой ступени используют слабоосновный анионит, а на второй ступени сильноосновные анионит.

Разрушающие действие на смолы оказывают различные окислители (хлор, озон, перекись водорода и др.). При процессах окисления происходит разрушение связей между различными группами в каркасе ионита, структура матрицы нарушается, снижается степень сшивки. Под действием различных химических агентом иониты способны пептизироваться, то есть переходить в коллоидное состояние и утрачивать ионообменную способность.

Термическая стойкость

При нагревании в воде сульфокатионита происходит отщепление сульфогрупп с образованием серной кислоты:

RSO 3 H + H 2 O RH + H 2 SO 4 RSO 3 M + H 2 O RH + MHSO 4 .

Их термический гидролиз протекает с меньшей скоростью, чем гидролиз Н-катионитов.

Аниониты в большей степени, чем катиониты, при термическом гидролизе склонны к необратимым процессам, чем катиониты. Наименьшей химической стойкостью обладают сильноосновные аниониты. Подвергаясь реакциям дезаминирования (отщепление аминогруппы) и деструкции (процесс разрыва химических связей, приводящий к уменьшению степени полимеризации), сильноосновные аниониты превращаются в слабоосновные. В результате таких химических превращений образуются амины и низко- и высокомолекулярные спирты. Также как и катиониты, аниониты проявляют большую устойчивость в солевой форме.