Penukar ion adalah polielektrolit padat, tidak larut, bahan alami atau buatan (sintetis) yang banyak digunakan untuk proses pemurnian air: dari kation kalsium dan magnesium (pelunakan), dari anion asam organik, demineralisasi dan beberapa aplikasi khusus lainnya.

Secara kimia, penukar ion bersifat anorganik (mineral) dan organik.

Penukar ion anorganik alami yang paling umum adalah zeolit. Tanah liat, mika, grafit oksida, garam poliasam titanium, vanadium dan banyak senyawa lainnya juga dapat dikaitkan dengan penukar ion.

resin penukar ion

Penukar ion sintetis yang diperoleh secara artifisial disebut resin penukar ion.

Resin penukar ion adalah senyawa ikatan silang dengan berat molekul tinggi yang membentuk matriks polimer yang mengandung: kelompok fungsional asam atau basa yang berdisosiasi atau mampu terionisasi dalam air.

• gugus fungsi dari jenis asam adalah: -COOH; -SO 3 H; -RO 4 H 2, dll.
• kelompok fungsional dari tipe utama adalah: N; = NH; -NH2 ; -NR 3+ dll.

Secara penampilan, resin penukar ion adalah bahan bulat dengan diameter 0,3 hingga 2,0 mm (ukuran dasar dalam 0,5..0,8 mm), dari hampir tidak berwarna hingga kuning-coklat, sebagai suatu peraturan, sedikit saling menempel ( karena basah).

Secara struktur, resin penukar ion dapat memiliki struktur gel, berpori, dan menengah, yang ditentukan oleh derajat ikatan silang molekul polimer. Gel resin penukar ion hanya memiliki kemampuan untuk bertukar ion saat basah (bengkak) karena tidak memiliki porositas sejati. berpori resin penukar ion ditandai dengan adanya pori-pori dengan permukaan yang berkembang, sehingga mampu melakukan pertukaran ion baik dalam keadaan mengembang maupun tidak mengembang.

Diagram butir dari resin penukar ion, penukar anion dan penukar kation, secara umum terlihat seperti ini:

1. matriks polimer
2. gugus fungsi ionik dari matriks polimer
3. counterion

Gugus fungsi yang disebutkan di atas mampu masuk ke dalam reaksi pertukaran ion dengan ion zat terlarut (pengotor - dalam kaitannya dengan air). Jika matriks resin penukar ion ditunjuk sebagai R, maka reaksi pertukaran tersebut terlihat seperti:

sebuah) R - - H + + Na + + Cl - → R - - Na + + H + + Cl -

b) R + - OH - + Na + + Cl - → R + - Cl - + Na + + OH -

Menurut reaksi seperti itu, kation garam kekerasan, ion besi dan mangan mudah dipertukarkan.

Dapat dilihat dari reaksi di atas bahwa resin penukar ion dapat menukar kation (a) - dalam hal ini disebut penukar kation, atau penukar anion (b) - dalam hal ini disebut penukar anion. Selain reaksi pertukaran ion yang ditunjukkan pada resin penukar ion, pembentukan kompleks dan reaksi redoks, serta penyerapan fisik, dimungkinkan.

Sifat penyerapan resin penukar ion ditentukan tidak hanya oleh sifat gugus fungsi, tetapi juga oleh keasaman (nilai pH) air yang diolah.

Klasifikasi resin penukar ion

Tergantung pada gugus fungsi yang dimasukkan ke dalam rantai polimer resin penukar ion, ada:

• -SO 3 H - penukar kation asam kuat,
• -COOH - penukar kation asam lemah.

Penukar kation asam kuat menukar kation dari berbagai tingkat disosiasi dalam larutan pada semua nilai pH yang mungkin. Penukar kation asam lemah menukar kation dari larutan asam pada pH >5.

• -NH 2, \u003d NH, N - penukar anion basa lemah,
• -NR 3 + Hal - - resin penukar anion basa kuat.

Anion basa kuat menukar anion dengan tingkat disosiasi apa pun dalam larutan pada semua nilai pH yang mungkin. Penukar anion basa lemah menukar anion dari larutan alkali pada nilai pH<8..9.

Karakteristik penukar ion dan resin penukar ion

Karakteristik yang paling penting dari penukar ion adalah:

• total (total) kapasitas pertukaran- ini adalah jumlah maksimum miligram-ekuivalen (mg-equiv) ion suatu zat yang diserap oleh satuan massa atau volume penukar ion dalam kesetimbangan dengan larutan elektrolit,
• kapasitas pertukaran dinamis (bekerja)- ini adalah jumlah maksimum mEq ion yang diserap oleh satuan massa atau volume dalam kondisi penyaringan larutan melalui lapisan penukar ion sampai ion "bocor" ke dalam filtrat.

Nilai kapasitas tukar total sebagian besar resin penukar ion berada dalam kisaran 2,5 meq/g (1..2,5 g-eq/dm3). Prosedur untuk menentukan kapasitas pertukaran dibakukan.

Kapasitas pertukaran dinamis (bekerja) selalu kurang dari yang statis karena fakta bahwa itu tergantung pada faktor-faktor berikut:

• sifat resin penukar ion,
• komposisi granulometriknya,
• kualitas sumber air, dan ketergantungan ditentukan tidak hanya oleh jumlah total ion yang terperangkap, tetapi juga oleh rasio mereka satu sama lain, keberadaan besi, mangan, kotoran organik dalam sumber air,
• nilai pH air sumber, suhu dan suhu larutan regenerasi,
• keseragaman aliran air murni melalui lapisan penukar ion,
• sifat regeneran, kemurniannya, konsentrasi, konsumsi spesifik,
• indikator yang diperlukan dari kualitas air yang dihasilkan setelah disaring melalui resin penukar ion,
• ketinggian lapisan penukar ion, kecepatan kerja, regenerasi dan melonggarkan filtrasi,
• konsumsi spesifik air cucian,
• area filtrasi (area bagian horizontal filter),
• penambahan agen pengompleks dan faktor lain ke dalam larutan regenerasi.

Beberapa bahan penyaring ( penukar ion) mampu menyerap ion positif (kation) dari air sebagai ganti ion penukar kation dalam jumlah yang setara.

Pelunakan air dengan kationisasi didasarkan pada fenomena pertukaran ion (teknologi pertukaran ion), yang intinya adalah kemampuan bahan filter pertukaran ion (penukar ion - penukar kation) untuk menyerap ion positif dari air dengan imbalan sejumlah ekivalen ion penukar kation.

Parameter operasi utama penukar kation adalah kapasitas tukar penukar ion, yang ditentukan oleh jumlah kation yang dapat ditukar penukar kation selama siklus filter. Kapasitas tukar diukur dalam gram ekivalen kation yang tertahan per 1 m 3 penukar kation dalam keadaan mengembang (bekerja) setelah berada di dalam air, i. dalam keadaan di mana penukar kation ada di dalam filtrat.

Ada kapasitas tukar penuh dan bekerja (dinamis) dari penukar kation. Kapasitas tukar total kation penukar adalah jumlah kation kalsium Ca +2 dan magnesium Mg +2 yang dapat menahan 1 m 3 kation penukar dalam kondisi kerja sampai kesadahan filtrat dibandingkan dengan kesadahan sumber air. . Kapasitas kerja penukar kation adalah jumlah kation Ca +2 dan Mg +2 yang menahan 1m 3 kation penukar sampai “terobosan” kation garam kesadahan ke dalam filtrat.

Kapasitas tukar, terkait dengan seluruh volume penukar kation yang dimuat ke dalam filter, disebut kapasitas penyerapan filter pelembut air.

Dalam pelembut, air yang diolah melewati lapisan penukar kation dari atas ke bawah. Pada saat yang sama, pada kedalaman tertentu dari lapisan penyaringan, pelunakan air maksimum terjadi (dari garam kesadahan). Lapisan penukar kation yang berpartisipasi dalam pelunakan air, disebut zona pelunakan (lapisan kerja penukar kation). Dengan pelunakan air lebih lanjut, lapisan atas penukar kation habis dan kehilangan kapasitas pertukaran ionnya. Lapisan bawah penukar kation masuk ke dalam pertukaran ion dan zona pelunakan secara bertahap turun. Setelah beberapa waktu, tiga zona diamati: bekerja, habis dan penukar kation segar. Kekerasan filtrat akan konstan sampai batas bawah zona pelunakan bertepatan dengan lapisan bawah penukar kation. Pada saat kombinasi, "kebocoran" kation Ca +2 dan Mg +2 dan peningkatan kesadahan residu dimulai hingga menjadi sama dengan kesadahan air aslinya, yang menunjukkan penipisan total penukar kation.

Parameter operasi sistem pelunakan air () ditentukan oleh rumus:

E p \u003d QЖ dan (g-equiv / m 3)
E p \u003d e p V k,
V ke = ah ke
e p \u003d QЖ dan / ah to
Q \u003d v ke aT ke \u003d e p ah ke / F dan
T ke \u003d e p h ke / v ke Zh dan.

di mana:
e p - kapasitas kerja penukar kation, meq / m 3
V to - volume penukar kation yang dimuat ke dalam pelembut dalam keadaan mengembang, m 3
h k - ketinggian lapisan penukar kation, m
W dan - kesadahan sumber air, g-eq / m 3
Q - jumlah air lunak, m 3
a - luas penampang filter pelembut air, m 2
v ke - laju penyaringan air dalam filter kationit
T ke - durasi pelunak air (periode antar-regenerasi)

pengantar

Kapasitas pertukaran total resin penukar anion ditentukan oleh netralisasinya dengan larutan HCl atau H2SO4 dalam kondisi statis atau dinamis dan dinyatakan dalam ekivalen per 1 g resin penukar anion kering atau bengkak.

Reaksi pertukaran anion / resin penukar anion A / memiliki bentuk:

A. /OH/ +H /Cl = A.OH.Cl +H2O;

A. /OH/ + H /SO = A.SO +2H2O.

Selain kapasitas tukar, indikator utama kesesuaian penukar anion meliputi: perubahan warna, derajat pembengkakan, kemampuan penuaan, ketidaklarutan dalam air dan pelarut organik, kemudahan regenerasi, kekuatan termal dan mekanik.

Kapasitas tukar total dari berbagai tingkat penukar anion yang digunakan dalam industri gula dapat mencapai 1–10 meq/g. Resin penukar anion berpori makro domestik AV-17-2P yang digunakan untuk larutan gula pemutih memiliki kapasitas pertukaran total 0,1 N. Larutan HCl 3,8 mg-eq/g, dan 0,1 n. Larutan NaCl 3,4 mg-eq/g.

Tujuan analisis - mengevaluasi kualitas resin penukar anion untuk dekolorisasi larutan gula.

Prinsip metode analisis didasarkan pada titrasi larutan asam 0,1 N yang tidak diserap oleh penukar anion. larutan NaOH.

Reagen:

0,1 N larutan HCl dan NaOH.

Perangkat dan bahan:

Kolom kaca dengan diameter 18 mm, tinggi 250 mm, dengan ujung ditarik di bagian bawah, di mana tabung karet dengan klem sekrup dipasang;

corong kaca;

Labu volumetrik untuk 500 cm 3;

Buret untuk titrasi;

Gelas kimia;

resin penukar anion.

Kemajuan definisi

10 g penukar anion yang disiapkan untuk analisis dalam bentuk OH - dipindahkan dengan air ke dalam kolom kaca dengan diameter 18 mm dengan glass wool swab di bagian bawah, dan kelebihan air dikeringkan melalui tabung karet dengan klem sekrup.

Setelah itu, 400 cm 3 0,1 n. Larutan HCl, pertahankan ketinggian larutan di atas lapisan penukar anion sebesar 1 cm, kemudian dicuci dengan air sebanyak dua kali volume penukar anion. Filtrat dan cucian ditampung dalam labu takar dan diencerkan hingga volume 500 cm3. Dipilih dari total volume dalam gelas 50 cm3 dan dititrasi dengan 0,1 N. larutan NaOH.

Perhitungan:

1. Untuk mendapatkan hasil yang sebanding, kapasitas tukar penukar anion dinyatakan dengan cara yang sama seperti penukar kation dalam mg-eq / g penukar ion kering.

Oleh karena itu, jika 1 g penukar anion yang benar-benar kering menyerap

cm3 0,1n. Larutan HCl, dan 1 cm3 larutan ini mengandung 0,1 mg-eq/g, maka total kapasitas tukar resin penukar anion E A dapat dihitung dari rumus

,

di mana E A- kapasitas pertukaran total penukar anion, mg-eq/g penukar ion benar-benar kering;

sebuah- jumlah filtrat yang dikumpulkan untuk titrasi, cm 3 ;

V O - jumlah 0,1 n. Larutan HCl melewati penukar anion, cm3;

Vb- jumlah total filtrat, cm 3 ;

g- jumlah resin penukar anion kering yang diambil untuk menentukan kapasitasnya, g;

W adalah kadar air anionit, %. Ditentukan dengan pengeringan selama 3 jam pada 95-100˚С.

2. Kapasitas penukar anion juga dapat dinyatakan sebagai persentase HCl. Dalam hal ini, pertimbangkan fakta bahwa 1 cm 3 0,1 n. Larutan HCl mengandung 0,0036 g HCl, perhitungan E dilakukan sesuai dengan rumus

6.3. Regenerasi resin penukar ion

pengantar

Resin penukar ion yang digunakan dalam siklus kerja mengalami regenerasi (pemulihan) setelah dicuci dengan air.

Penukar kation direduksi dengan larutan lemah HCl dan HSO

K.Na + H /SO = K.H + Na /SO;

KNa + HCl = KH + NaCl.

Untuk reduksi penukar anion, digunakan larutan lemah NaOH, KOH, NaCl, dll.

A.OH.Cl + Na /OH = A./OH/ + Na /Cl.

Pada akhir siklus regenerasi, keasaman regenerasi dari penukar kation atau alkalinitas regenerasi dari penukar anion harus mendekati keasaman dan alkalinitas larutan regenerasi. Akhir regenerasi ditentukan dengan titrasi.

Tujuan analisis - mengembalikan kapasitas pertukaran penukar ion.

Prinsip metode analisis berdasarkan titrasi larutan regenerasi dari penukar kation 0,1 N. larutan NaOH, dan dari penukar anion - 0,1 n. larutan HCl.

Reagen:

larutan HCl 5%;

larutan NaOH 4%;

0,1 N larutan NaOH;

0,1 N larutan HCl.

Perangkat dan bahan:

Kolom kaca dengan resin penukar kation dan resin penukar anion.

Kemajuan definisi

Setelah resin dicuci dengan air, regenerasi dilakukan di kolom: penukar kation - dengan larutan HCl 5%, dan penukar anion - dengan larutan NaOH 4%, melewatkannya dengan kecepatan 20 cm 3 / menit.

Akhir regenerasi penukar kation ditetapkan dengan titrasi larutan regenerasinya dengan 0,1 N. larutan NaOH, dan penukar anion - 0,1 n. larutan HCl.

Setelah regenerasi, penukar kation dicuci dengan air sampai reaksi netral atau sedikit asam, dan penukar anion - sampai reaksi netral atau sedikit basa.

pertanyaan tes

1. Apa itu pertukaran ion?

2. Apa itu resin penukar ion?

3. Resin penukar ion apa yang digunakan dalam produksi gula?

4. Beritahu kami tentang kapasitas pertukaran statis dan dinamis penukar ion?

5. Apa yang menentukan kapasitas tukar total penukar ion?

6. Dalam satuan apa total kapasitas tukar dinyatakan?

7. Apa tujuan penggunaan penukar ion dalam produksi gula?

8. Berdasarkan prinsip apa penentuan kapasitas tukar total penukar ion?

9. Mengapa resin penukar ion diregenerasi?

10. Pada prinsip apa regenerasi penukar ion didasarkan?

11. Bagaimana akhir dari proses regenerasi penukar ion ditentukan?

Lab #7

Analisis air limbah produksi gula

pengantar

Dalam industri makanan, jumlah terbesar air dikonsumsi oleh pabrik gula. Jika hanya air murni dari reservoir alami yang digunakan untuk kebutuhan tanaman bit gula, tanpa mengembalikan sebagian air limbah ke produksi, maka total konsumsi air industri (segar) akan menjadi 1200-1500% berat bit. Dimungkinkan untuk mengurangi konsumsi air tawar hingga 150-250% berat bit, asalkan air limbah digunakan di banyak area pabrik gula sesuai dengan skema pasokan air yang bersirkulasi. Air artesis hanya digunakan untuk mencuci gula pasir di centrifuge, untuk pemompaan massecuite kristalisasi dan untuk kebutuhan laboratorium pabrik.

Air limbah (limbah) pabrik gula beragam dalam komposisi fisik dan kimia, tingkat pencemaran dan metode pemurnian yang diperlukan. Menurut tingkat polusi, mereka diklasifikasikan menjadi tiga kategori. Setiap kategori dibagi menjadi dua subkelompok: A dan B, di mana air dari subkelompok A lebih baik kualitasnya daripada subkelompok B.

Air limbah dari produksi gula mengandung sejumlah besar bahan organik, dan pengolahannya dalam kondisi alami dikaitkan dengan kesulitan tertentu, membutuhkan luas lahan yang signifikan dan dapat berdampak negatif terhadap lingkungan. Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah metode pengolahan biologis dan peralatan yang sesuai untuk penerapannya telah dikembangkan. Metode pemurnian yang diusulkan saat ini terutama didasarkan pada proses anaerobik dan aerobik untuk penguraian kotoran kotoran dari pabrik gula dan pati.

Teknologi pengolahan air limbah modern terdiri dari pemisahan berurutan pengotor yang terkandung di dalamnya dengan metode mekanis, anaerobik, dan aerobik. Pada saat yang sama, metode anaerobik adalah proses baru dalam teknologi pengolahan air limbah. Proses pemurnian anaerobik membutuhkan pemeliharaan suhu di kisaran 36-38 0 untuk implementasinya, yang terkait dengan konsumsi panas tambahan. Perbedaannya dari metode aerobik yang tersebar luas terutama terletak pada pertumbuhan minimal biosludge dan konversi pengotor yang mengandung karbohidrat menjadi biogas, yang komponen utamanya adalah metana.

Proses aerobik

C 6 H 12 O 6 + O 2 ---- CO 2 + H 2 O + Biopresipitat + Panas (6360 kJ).

proses anaerobik

C 6 H 12 O 6 ---- CH 4 + CO 2 + Biopresipitat + Panas (0,38 kJ).

Metode anaerobik dibagi menjadi empat kelompok utama sesuai dengan jenis reaktor yang digunakan dalam proses pemurnian:

Dengan resirkulasi biosludge (lumpur aktif):

Dengan lapisan sedimen anaerobik dan sedimentasi internalnya;

Dengan pengisi inert untuk biosludge;

Spesial.

Air limbah yang mengalami pengolahan anaerobik harus mengandung sesedikit mungkin kotoran mekanis dan zat yang menghambat proses metanogenik. Fase hidrolisis-asam harus lewat di dalamnya, dan di samping itu, air limbah harus memiliki nilai pH dan suhu tertentu dalam kisaran 36-38 0 .

Diyakini bahwa metode pengolahan anaerobik bermanfaat secara ekonomi untuk air limbah dengan polusi lebih dari 1,2-2,0 g/dm 3 BOD 5 (kebutuhan oksigen biologis). Batas atas polusi tidak dibatasi. Bisa sama dengan 100 g / dm 3 COD (chemical oxygen demand).

Ini termasuk:

A) Kelebihan air tawar dari tangki tekanan, dari pendinginan massecuite dalam mixer massecuite, dari pompa dan instalasi lain dengan suhu di bawah 30 ° C. Perairan ini tidak memerlukan pengolahan untuk kembali berproduksi;

B) Barometrik, amonia dan lain-lain dengan suhu di atas 30°C. Untuk mengembalikan air ini, diperlukan pra-pendinginan dan aerasi.

Untuk air limbah kategori II termasuk air pencuci konveyor dari konveyor hidrolik dan pencuci bit. Untuk penggunaan kembali air ini dalam produksi, pemurnian mekanis awal diperlukan dengan mengendapkan di tangki pengendapan khusus.

Untuk air limbah kategori III meliputi: air ampas tebu, endapannya, air bejana, endapan air cuci konveyor, endapan filtrasi cair, rumah tangga, tinja, dan air berbahaya lainnya. Pengolahan air kategori III memerlukan metode pengolahan biologis dan gabungan dalam tangki sedimentasi dan bidang filtrasi yang sesuai.

Di pabrik gula yang ada, indikator utama keseimbangan air berikut (% berat bit) diambil sebagai dasar: asupan air tawar dari reservoir - 164; jumlah air daur ulang kategori I - 898; kategori II -862; air limbah kategori III - 170 atau 110, asalkan suspensi lumpur pencuci konveyor diendapkan dalam tangki pengental vertikal Sh1-POS-3 dan dekantasi dikembalikan ke sirkuit resirkulasi air kategori II.

Untuk pabrik gula bit yang baru dibangun, konsumsi air tawar untuk kebutuhan produksi tidak boleh melebihi 80% berat bit, dan jumlah air limbah industri yang diolah yang dibuang ke badan air alami tidak boleh melebihi 75% berat bit.

Ketika menganalisis kualitas air limbah dan industri, suhu, warna, bau, transparansi, karakteristik sedimen, kandungan padatan tersuspensi, residu kering, pH, alkalinitas total (keasaman), kemampuan teroksidasi, kebutuhan oksigen biokimia (BOD), kebutuhan oksigen kimia ( COD) ditentukan , konsentrasi amonia, nitrat, klorida dan indikator lainnya.

Objektif - menguasai metode pengendalian mutu air industri (segar) dan air limbah.

Sejumlah besar proses yang terjadi di alam dan dilakukan dalam praktik adalah proses pertukaran ion. Pertukaran ion mendasari migrasi unsur-unsur dalam tanah dan organisme hewan dan tumbuhan. Dalam industri, digunakan untuk pemisahan dan produksi zat, desalinasi air, pengolahan air limbah, konsentrasi larutan, dll. Pertukaran ion dapat terjadi baik dalam larutan homogen maupun dalam sistem heterogen. Dalam hal ini, di bawah pertukaran ion Memahami proses heterogen di mana pertukaran terjadi antara ion dalam larutan dan dalam fase padat disebut penukar ion atau penukar ion. Penukar ion menyerap ion dari larutan dan sebagai imbalannya memberikan ion yang merupakan bagian dari strukturnya ke dalam larutan.

3.5.1. Klasifikasi dan sifat fisiko-kimia penukar ion

Sorben penukar ion, penukar ion adalah polielektrolit yang terdiri dari matriks- kelompok atom atau molekul yang tidak bergerak (rantai molekul tinggi) dengan aktif kelompok ionogenik atom yang menyediakan kapasitas pertukaran ionnya. Gugus ionik, pada gilirannya, terdiri dari ion tidak bergerak yang terikat pada matriks oleh gaya interaksi kimia, dan sejumlah ion bergerak yang setara dengan muatan yang berlawanan - counterion. Counterion dapat bergerak di bawah aksi gradien konsentrasi dan dapat ditukar dengan ion dari larutan dengan muatan yang sama. Dalam sistem penukar ion - larutan elektrolit, bersama dengan distribusi pertukaran ion, ada juga redistribusi antara fase molekul pelarut ini. Bersama dengan pelarut, sejumlah coion(ion dengan nama yang sama bertanggung jawab dengan yang tetap). Karena netralitas listrik sistem dipertahankan, bersama dengan koion, sejumlah ion penghitung tambahan, yang setara dengannya, masuk ke penukar ion.

Tergantung pada ion mana yang bergerak, penukar ion dibagi menjadi penukar kation dan penukar anion.

Penukar kation mengandung anion tidak bergerak dan kation penukar, mereka dicirikan oleh sifat asam - hidrogen bergerak atau ion logam. Misalnya, penukar kation R / SO 3 - H + (di sini R adalah basa struktural dengan gugus fungsi tetap SO 3 - dan counterion H +). Menurut jenis kation yang terkandung dalam penukar kation, itu disebut penukar kation H, jika semua kation bergeraknya hanya diwakili oleh hidrogen, atau penukar Na-kation, penukar Ca-kation, dll. Mereka dilambangkan RH, RNa, R 2 Ca, di mana R adalah bingkai dengan bagian tetap dari grup aktif penukar kation. Penukar kation dengan gugus fungsi tetap -SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2-, dll. banyak digunakan.

penukar anion mengandung kation tidak bergerak dan anion penukar, mereka dicirikan oleh sifat utama - ion hidroksida bergerak atau ion residu asam. Misalnya penukar anion R / N (CH 3) 3 + OH -, dengan gugus fungsi -N (CH 3) 3 + dan counterion OH -. Penukar anion dapat dalam bentuk yang berbeda, serta penukar kation: penukar OH-anion atau ROH, SO 4 - penukar anion atau RSO 4, di mana R adalah bingkai dengan bagian tetap dari kelompok aktif penukar anion. Penukar anion yang paling umum digunakan dengan kelompok tetap - +, - +, NH 3 +, NH +, dll.

Tergantung pada tingkat disosiasi gugus aktif penukar kation, dan sesuai dengan kemampuan untuk pertukaran ion, penukar kation dibagi menjadi asam kuat dan asam lemah. Jadi, gugus aktif -SO 3 H terdisosiasi sepenuhnya, oleh karena itu, pertukaran ion dimungkinkan dalam rentang pH yang luas, penukar kation yang mengandung gugus sulfo diklasifikasikan sebagai asam kuat. Penukar kation kekuatan sedang termasuk resin dengan gugus asam fosfat. Selain itu, untuk gugus dibasa yang mampu disosiasi bertahap, hanya satu dari gugus yang memiliki sifat asam dengan kekuatan sedang, yang kedua berperilaku seperti asam lemah. Karena gugus ini praktis tidak terdisosiasi dalam media yang sangat asam, oleh karena itu sebaiknya menggunakan penukar ion ini dalam media yang sedikit asam atau basa, pada pH4. Penukar kation asam lemah mengandung gugus karboksil, yang sedikit terdisosiasi bahkan dalam larutan asam lemah, rentang operasinya pada pH5. Ada juga penukar kation bifungsional yang mengandung gugus sulfo dan gugus karboksil atau gugus sulfo dan fenol. Resin ini bekerja dalam larutan asam kuat, dan pada alkalinitas tinggi mereka meningkatkan kapasitasnya secara tajam.

Sama halnya dengan penukar kation, penukar anion dibagi menjadi: dasar tinggi dan dasar rendah. Penukar anion yang sangat basa mengandung amonium kuaterner atau basa piridin yang terdisosiasi dengan baik sebagai gugus aktif. Anionit tersebut mampu bertukar anion tidak hanya dalam asam, tetapi juga dalam larutan basa. Resin anion basa menengah dan rendah mengandung gugus amino primer, sekunder dan tersier, yang merupakan basa lemah, rentang operasinya pada pH89.

Penukar ion amfoter juga digunakan - amfolit, yang mencakup gugus fungsi dengan sifat asam dan basa, misalnya, gugus asam organik dalam kombinasi dengan gugus amino. Beberapa penukar ion, selain sifat pertukaran ion, memiliki sifat kompleks atau redoks. Misalnya, penukar ion yang mengandung gugus amino ionogenik memberikan kompleks dengan logam berat, yang pembentukannya terjadi bersamaan dengan pertukaran ion. Pertukaran ion dapat disertai dengan kompleksasi dalam fase cair, dengan menyesuaikan nilai pH-nya, yang memungkinkan pemisahan ion. Penukar ion elektron digunakan dalam hidrometalurgi untuk oksidasi atau reduksi ion dalam larutan dengan penyerapan simultan dari larutan encer.

Proses desorpsi ion yang diserap pada penukar ion disebut elusi, sedangkan penukar ion diregenerasi dan dipindahkan ke bentuk awalnya. Sebagai hasil dari elusi ion yang diserap, asalkan penukar ion cukup "dimuat", eluat diperoleh dengan konsentrasi ion 100 kali lebih tinggi daripada dalam larutan awal.

Beberapa bahan alami memiliki sifat pertukaran ion: zeolit, kayu, selulosa, batubara tersulfonasi, gambut, dll., Namun, mereka hampir tidak pernah digunakan untuk tujuan praktis, karena tidak memiliki kapasitas tukar yang cukup tinggi, stabilitas dalam media yang dirawat. . Yang paling luas adalah penukar ion organik - resin penukar ion sintetis, yang merupakan senyawa polimer molekul tinggi padat, yang mengandung gugus fungsi yang mampu disosiasi elektrolitik, oleh karena itu disebut polielektrolit. Mereka disintesis dengan polikondensasi dan polimerisasi monomer yang mengandung gugus ionik yang diperlukan, atau dengan menambahkan gugus ionik ke unit individu dari polimer yang disintesis sebelumnya. Gugus polimer terikat secara kimia satu sama lain, dihubungkan silang menjadi kerangka kerja, yaitu, ke dalam jaringan tiga dimensi spasial yang disebut matriks, dengan bantuan zat yang berinteraksi dengannya - agen selada air. Divinilbenzena sering digunakan sebagai pengikat silang. Dengan menyesuaikan jumlah divinilbenzena, dimungkinkan untuk mengubah ukuran sel resin, yang memungkinkan untuk mendapatkan penukar ion yang secara selektif menyerap kation atau anion apa pun karena "efek saringan", ion yang lebih besar dari ukuran sel tidak diserap oleh resin. Untuk meningkatkan ukuran sel, digunakan reagen dengan molekul yang lebih besar daripada vinilbenzena, misalnya dimetakrilat dari etilen glikol dan bifenol. Melalui penggunaan telogen, zat yang mencegah pembentukan rantai linier panjang, peningkatan permeabilitas penukar ion tercapai. Di tempat-tempat pemutusan rantai, pori-pori muncul, karena ini, penukar ion memperoleh bingkai yang lebih mobile dan membengkak lebih banyak saat kontak dengan larutan berair. Karbon tetraklorida, alkilbenzena, alkohol, dll digunakan sebagai telogen. Resin yang diperoleh dengan cara ini memiliki gel struktur atau mikropori. Menerima berpori besar ionit dalam campuran reaksi menambahkan pelarut organik, yang merupakan hidrokarbon lebih tinggi, seperti isooctane, alkohol. Pelarut ditangkap oleh massa polimerisasi, dan setelah pembentukan kerangka selesai, itu didistilasi, meninggalkan pori-pori besar dalam polimer. Jadi, menurut strukturnya, penukar ion dibagi menjadi yang berpori dan gel.

Penukar ion berpori makro memiliki karakteristik kinetik pertukaran yang lebih baik dibandingkan dengan penukar ion gel, karena memiliki permukaan spesifik yang dikembangkan 20-130 m 2 /g (tidak seperti gel, yang memiliki permukaan 5 m 2 /g) dan pori-pori besar - 20-100 nm, yang memfasilitasi pertukaran ion heterogen yang terjadi di permukaan pori-pori. Nilai tukar sangat tergantung pada porositas butir, meskipun biasanya tidak mempengaruhi kapasitas tukarnya. Semakin besar volume dan ukuran butir, semakin cepat difusi internal.

Resin penukar ion gel terdiri dari butiran homogen, yang dalam bentuk kering tidak memiliki pori-pori dan tidak permeabel terhadap ion dan molekul. Mereka menjadi permeabel setelah membengkak dalam air atau larutan berair.

Pembengkakan penukar ion

pembengkakan disebut proses peningkatan bertahap dalam volume penukar ion yang ditempatkan dalam pelarut cair, karena penetrasi molekul pelarut jauh ke dalam kerangka hidrokarbon. Semakin mengembang penukar ion, semakin cepat pertukaran ion berlangsung. Pembengkakan dicirikan pembengkakan berat badan- jumlah air yang diserap per 1 g penukar ion kering atau rasio pembengkakan- rasio volume spesifik penukar ion bengkak dan kering. Seringkali, volume resin dalam proses pembengkakan dapat meningkat 10-15 kali lipat. Pembengkakan resin molekul tinggi adalah semakin besar, semakin rendah tingkat ikatan silang dari unit penyusunnya, yaitu, semakin tidak kaku jaringan makromolekulnya. Kebanyakan penukar ion standar mengandung 6-10% divinilbenzena dalam kopolimer (kadang-kadang 20%). Ketika agen rantai panjang digunakan untuk pengikatan silang alih-alih divinilbenzena, penukar ion makroretikulat yang permeabel diperoleh, di mana pertukaran ion terjadi pada tingkat yang tinggi. Selain struktur matriks, pembengkakan penukar ion dipengaruhi oleh adanya gugus fungsi hidrofilik di dalamnya: penukar ion semakin membengkak, semakin banyak gugus hidrofiliknya. Selain itu, penukar ion yang mengandung ion penghitung bermuatan tunggal membengkak lebih kuat, berbeda dengan ion penghitung dua dan tiga.Dalam larutan pekat, pembengkakan terjadi pada tingkat yang lebih rendah daripada yang encer. Kebanyakan penukar ion anorganik tidak membengkak sama sekali atau hampir, meskipun mereka menyerap air.

Kapasitas penukar ion

Kapasitas pertukaran ion sorben dicirikan oleh kapasitas pertukaran, tergantung pada jumlah gugus ionogenik fungsional per satuan massa atau volume penukar ion. Ini dinyatakan dalam miliekuivalen per 1 g penukar ion kering atau dalam ekuivalen per 1 m 3 penukar ion dan untuk sebagian besar penukar ion industri berada dalam kisaran 2-10 meq / g. Kapasitas pertukaran penuh(POE) - jumlah maksimum ion yang dapat diserap oleh penukar ion saat jenuh. Ini adalah nilai konstan untuk penukar ion tertentu, yang dapat ditentukan baik dalam kondisi statis dan dinamis.

Di bawah kondisi statis, dalam kontak dengan volume tertentu dari larutan elektrolit, tentukan: kapasitas pertukaran statis penuh(PSOE), dan kapasitas pertukaran statis keseimbangan(PCOE), yang bervariasi tergantung pada faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan (volume larutan, komposisi, konsentrasi, dll.). Penukar ion kesetimbangan - larutan sesuai dengan persamaan potensial kimianya.

Di bawah kondisi dinamis, dengan filtrasi terus menerus dari larutan melalui sejumlah penukar ion, tentukan kapasitas pertukaran dinamis- jumlah ion yang diserap oleh penukar ion sebelum terobosan ion yang diserap (DOE), kapasitas pertukaran dinamis penuh sampai pengembangan lengkap penukar ion (PDOE). Kapasitas sebelum terobosan (kapasitas kerja) ditentukan tidak hanya oleh sifat penukar ion, tetapi juga tergantung pada komposisi larutan awal, laju perjalanannya melalui lapisan penukar ion, tinggi (panjang) ion lapisan penukar, tingkat regenerasi dan ukuran butir.

Kapasitas operasi ditentukan dari kurva output gambar. 3.5.1

S 1 - kapasitas pertukaran kerja, S 1 + S 2 - kapasitas pertukaran dinamis penuh.

Ketika elusi dilakukan dalam kondisi dinamis, kurva elusi memiliki bentuk kurva yang ditunjukkan pada gambar. 3.5.2

Biasanya, DEC lebih besar dari 50% dari PDOE untuk penukar ion asam kuat dan basa kuat dan 80% untuk penukar ion asam lemah dan basa lemah. Kapasitas penukar ion asam kuat dan basa kuat tetap praktis tidak berubah dalam berbagai larutan pH. Kapasitas penukar ion asam lemah dan basa lemah sangat tergantung pada pH.

Tingkat penggunaan kapasitas tukar penukar ion tergantung pada ukuran dan bentuk butir. Biasanya ukuran butir berkisar antara 0,5-1 mm. Bentuk butir tergantung pada metode persiapan penukar ion. Bentuknya mungkin bulat atau tidak beraturan. Butir bulat lebih disukai - mereka memberikan kondisi hidrodinamik yang lebih baik dan kecepatan proses yang tinggi. Penukar ion dengan butiran silindris, berserat dan lainnya juga digunakan. Semakin halus butirannya, semakin baik kapasitas tukar penukar ion yang digunakan, tetapi pada saat yang sama, tergantung pada peralatan yang digunakan, baik tahanan hidrolik lapisan sorben meningkat atau penghilangan butiran kecil penukar ion oleh solusi meningkat. Carryover dapat dihindari dengan menggunakan penukar ion yang mengandung aditif feromagnetik. Ini memungkinkan Anda untuk menyimpan material berbutir halus dalam suspensi di zona - medan magnet yang dilalui larutan.

Penukar ion harus memiliki kekuatan mekanik dan ketahanan kimia, yaitu, mereka tidak boleh dihancurkan sebagai akibat dari pembengkakan dan operasi dalam larutan berair. Selain itu, mereka harus mudah diregenerasi, sehingga mempertahankan sifat aktifnya untuk waktu yang lama dan bekerja tanpa perubahan selama beberapa tahun.

Terima kasih sebelumnya atas tanggapan Anda.

C100E adalah resin penukar kation asam kuat tipe gel dengan kapasitas tukar tinggi, stabilitas kimia dan fisik, serta kinerja yang sangat baik. C100E secara efektif menahan partikel tersuspensi, dan juga, dalam bentuk asam (H +), menghilangkan ion besi dan mangan.

Kapasitas pertukaran yang tinggi memungkinkan untuk memperoleh air dengan kesadahan total orde 0,05 meq/l, dan kinetika pertukaran ion yang sangat baik memungkinkan untuk mencapai laju aliran yang tinggi. Saat menggunakan C100E, slip ion yang menyebabkan kesadahan air dalam kondisi operasi normal, sebagai suatu peraturan, tidak melebihi 1% dari total kesadahan air sumber. Dalam hal ini, kapasitas tukar resin praktis tidak berubah, asalkan proporsi ion monovalen tidak melebihi 25%.

C100E tidak larut dalam larutan asam dan alkali dan dalam semua pelarut organik umum. Adanya oksidator sisa (seperti klorin bebas atau ion hipoklorit) di dalam air dapat mengurangi kekuatan mekanik partikel resin penukar kation. C100E stabil secara termal hingga suhu 150°C, namun pada suhu tinggi, kapasitas tukar resin penukar kation dalam bentuk asam (H+) menurun.

spesifikasi

Properti fisik
	partikel bola transparan berwarna kekuningan
Formulir pengiriman
Berat massal, g/cm3
Berat jenis, g/cm3
Koefisien keseragaman
Ukuran butiran, mm (jaring)
Kapasitas pertukaran, g-eq/l
Pembengkakan Na + → H + , maks, %
Pembengkakan Ca 2+ → Na + , maks, %
Kondisi aplikasi
	6 - 10 (bentuk Na)
Suhu pengoperasian maksimum, °C
Tinggi Lapisan, cm (dalam)
Laju aliran operasi, volume resin/jam
Perluasan lapisan dalam mode backwash, %
Konsentrasi larutan NaCl, %
Konsumsi garam untuk regenerasi, gr. NaCl / l resin

DESKRIPSI SINGKAT DARI
ruang kosong di atas unduhan - 50%
ukuran butir 0.6mm hingga 90%
Berat massal 820gr/l
Kadar air (kelembaban) 42-48%
Total kapasitas hingga 2 g eq/l
suhu operasi dari 4 - 120 0
pH air 0 - 14
transisi ion Na ke H - 8%
ketinggian lapisan dari 0,8 - 2m
kecepatan layanan dari 5 - 40m/jam
kecepatan spesifik layanan 20oz/jam
kecepatan backwash pada 20 C dari 10 - 12m/jam
volume air untuk backwash dengan beban baru 20oz
volume air backwash 4oz
volume air untuk mencuci garam secara perlahan 4oz
konsumsi garam selama regenerasi per 1 liter beban - 150g
kekerasan sisa - 0,5mg setara/l
kehilangan tekanan spesifik dalam tinggi pemuatan kPa m 2 - 1
kehilangan tekanan 11mbar pada 4°C per ketinggian pemuatan 1m
kecepatan regenerasi - 5m/jam
kecepatan saat mencuci garam dengan air - 5m/jam

KONDISI APLIKASI
kekurangan besi teroksidasi (Fe 3+) dalam air
kekurangan oksigen terlarut dalam air
kekurangan bahan organik dalam air
tidak adanya zat pengoksidasi di dalam air
setelah natrium - pelunakan, alkalinitas total dan residu kering akan meningkat.
oksidator kuat seperti asam nitrat dapat menyebabkan reaksi hebat
padatan tersuspensi dalam air sumber hingga 8 mg/l
warna sumber air hingga 30 0
kekeruhan air sumber hingga 6 mg/l
kesadahan total air sumber hingga 15 mg setara/l

Di bawah ini adalah metode untuk menghitung kapasitas tukar dan parameter lain dari penukar kation.

Kapasitas tukar kerja kationit E f g÷eq / m3, dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

E f \u003d Q x W; Ep = ep x Vk.

Volume kationit yang dimuat ke dalam filter dalam keadaan mengembang dinyatakan dengan rumus:

Rumus untuk menentukan kapasitas kerja penukar kation ep, g÷eq / m 3:

ep \u003d Q x W / S x h;

di mana W adalah kesadahan sumber air, g÷eq/m3; Q - jumlah air lunak, m 2; S adalah luas filter kationit, m 2 ; h adalah ketinggian lapisan kationit, m.

Menyatakan kecepatan pergerakan air dalam penukar kation sebagai v k , jumlah air yang melunak Q dapat ditemukan dengan menggunakan rumus berikut:

Q \u003d v k x S x Tk \u003d ep x S x h / W;

dari mana dimungkinkan untuk menghitung durasi pengoperasian filter kationit Tk:

Tk = ep x h/v k x W.

Dimungkinkan juga untuk menghitung kapasitas tukar penukar kation menggunakan grafik yang berkorelasi.

Berdasarkan perkiraan data praktis, filter Anda akan mampu membersihkan tidak lebih dari 1500 liter. air. Untuk perhitungan yang lebih akurat, Anda perlu mengetahui jumlah (volume) resin dalam filter Anda dan kapasitas kerja resin Anda (untuk resin penukar kation, kapasitas kerja bervariasi dari 600 hingga 1500 meq/l). Mengetahui data ini, Anda dapat dengan mudah menghitung jumlah pasti air lunak menggunakan formula Anda.