Os trocadores de íons são polieletrólitos sólidos, insolúveis, materiais naturais ou artificiais (sintéticos) amplamente utilizados para processos de purificação de água: de cátions de cálcio e magnésio (amolecimento), de ânions de ácidos orgânicos, desmineralização e algumas outras aplicações especiais.

Por natureza química, os trocadores de íons são inorgânicos (minerais) e orgânicos.

Os trocadores de íons inorgânicos naturais mais comuns são zeólitos. Argilas, mica, óxidos de grafite, sais de poliácidos de titânio, vanádio e muitos outros compostos também podem ser atribuídos a trocadores de íons.

Resinas de troca iônica

Os trocadores iônicos sintéticos obtidos artificialmente são chamados de resinas de troca iônica.

As resinas de troca iônica são compostos reticulados de alto peso molecular que formam uma matriz polimérica contendo grupos funcionais tipo ácido ou básico que se dissociam ou são capazes de ionizar em água.

• os grupos funcionais do tipo ácido são: -COOH; -SO3H; -RO 4 H 2, etc.
• os grupos funcionais do tipo principal são: ≡N; =NH; -NH2; -NR 3+ etc.

Na aparência, as resinas de troca iônica são materiais esféricos com um diâmetro de 0,3 a 2,0 mm (tamanho básico dentro de 0,5..0,8 mm), de quase incolor a marrom-amarelado, como regra, levemente grudado (porque molhado).

Por estrutura, as resinas de troca iônica podem ter uma estrutura em gel, macroporosa e intermediária, que é determinada pelo grau de reticulação das moléculas do polímero. Gel resina de troca iônica só tem a capacidade de troca iônica quando molhada (inchada) porque não tem porosidade verdadeira. Macroporoso A resina de troca iônica é caracterizada pela presença de poros com superfície desenvolvida, por isso é capaz de troca iônica tanto no estado inchado quanto no estado não inchado.

O diagrama de grãos de uma resina de troca iônica, trocador de ânions e trocador de cátions, respectivamente, em termos gerais se parece com isso:

1. matriz polimérica
2. grupos funcionais iônicos da matriz polimérica
3. contra-íons

Os grupos funcionais mencionados acima são capazes de entrar em reações de troca iônica com íons de substâncias dissolvidas (impurezas - em relação à água). Se a matriz da resina de troca iônica é designada como R, então a reação de tal troca se parece com:

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

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

De acordo com essa reação, os cátions de sais de dureza, íons de ferro e manganês são facilmente trocados.

Pode-se ver pelas reações acima que as resinas de troca iônica podem trocar cátions (a) - neste caso são chamadas de trocadores de cátions, ou trocam ânions (b) - neste caso são chamadas de trocadores de ânions. Além das reações de troca iônica indicadas em resinas de troca iônica, são possíveis a formação de complexos e reações redox, bem como a sorção física.

As propriedades de sorção das resinas de troca iônica são determinadas não apenas pela natureza dos grupos funcionais, mas também pela acidez (valor de pH) da água tratada.

Classificação de resinas de troca iônica

Dependendo dos grupos funcionais introduzidos na cadeia polimérica da resina de troca iônica, existem:

• -SO 3 H - trocador de cátions fortemente ácido,
• -COOH - trocador de cátions fracamente ácido.

Um trocador de cátions fortemente ácido troca cátions de qualquer grau de dissociação em soluções em todos os valores de pH possíveis. Um trocador de cátions fracamente ácido troca cátions de soluções ácidas em pH > 5.

• -NH 2, \u003d NH, ≡N - trocador aniônico fracamente básico,
• -NR 3 + Hal - - resina de troca aniônica fortemente básica.

Um ânion de base forte troca ânions de qualquer grau de dissociação em soluções em todos os valores de pH possíveis. Um trocador aniônico fracamente básico troca ânions de soluções alcalinas em valores de pH<8..9.

Características de trocadores de íons e resinas de troca de íons

As características mais importantes dos trocadores de íons são:

• capacidade de troca total (total)- este é o número máximo de miligramas equivalentes (mg-equiv) de íons de uma substância absorvida por uma unidade de massa ou volume de um trocador de íons em equilíbrio com uma solução eletrolítica,
• capacidade de troca dinâmica (de trabalho)- este é o número máximo de mEq de íons absorvidos por uma unidade de massa ou volume em condições de filtração da solução através de uma camada de trocador de íons até que os íons “vazem” para o filtrado.

Os valores da capacidade total de troca da maioria das resinas de troca iônica estão na faixa de 2,.5 meq/g (1..2,5 g-eq/dm3). O procedimento para determinação da capacidade de troca é padronizado.

A capacidade de troca dinâmica (de trabalho) é sempre menor que a estática devido ao fato de depender dos seguintes fatores:

• a natureza da resina de troca iônica,
• sua composição granulométrica,
• a qualidade da água da fonte, e a dependência é determinada não apenas pelo número total de íons aprisionados, mas também pela relação entre eles, a presença de ferro, manganês, impurezas orgânicas na água da fonte,
• o valor de pH da água de origem, sua temperatura e a temperatura da solução de regeneração,
• uniformidade da passagem de água purificada através da camada do trocador de íons,
• a natureza do regenerante, sua pureza, concentração, consumo específico,
• os indicadores necessários da qualidade da água resultante após a filtragem através de uma resina de troca iônica,
• a altura da camada do trocador de íons, a velocidade de trabalho, regeneração e filtragem de afrouxamento,
• consumo específico de água de lavagem,
• área de filtração (área da seção horizontal do filtro),
• adição de agentes complexantes e outros fatores à solução de regeneração.

Alguns materiais filtrantes ( trocadores de íons) são capazes de absorver íons positivos (cátions) da água em troca de uma quantidade equivalente de íons trocadores de cátions.

O amolecimento da água por cationização é baseado no fenômeno da troca iônica (tecnologias de troca iônica), cuja essência é a capacidade dos materiais de filtro de troca iônica (trocadores de íons - trocadores de cátions) de absorver íons positivos da água em troca de uma quantidade equivalente de íons trocadores de cátions.

O principal parâmetro operacional do trocador de cátions é a capacidade de troca do trocador de íons, que é determinada pelo número de cátions que o trocador de cátions pode trocar durante o ciclo de filtragem. A capacidade de troca é medida em gramas equivalentes de cátions retidos por 1 m 3 de um trocador de cátions em um estado inchado (em funcionamento) após estar na água, i. em um estado em que trocador de cátions está no filtrado.

Existe uma capacidade de troca completa e funcional (dinâmica) do trocador de cátions. A capacidade total de troca do trocador de cátions é a quantidade de cátions de cálcio Ca+2 e magnésio Mg+2 que podem manter 1 m 3 do trocador de cátions em condições de trabalho até que a dureza do filtrado seja comparada com a dureza da água da fonte . A capacidade de troca de trabalho do trocador de cátions é a quantidade de cátions Ca +2 e Mg +2 que retém 1m 3 do trocador de cátions até a “ruptura” dos cátions de sal de dureza no filtrado.

A capacidade de troca, referente a todo o volume do trocador de cátions carregado no filtro, é chamada de capacidade de absorção do filtro amaciador de água.

No amaciador, a água tratada passa pela camada do trocador de cátions de cima para baixo. Ao mesmo tempo, a uma certa profundidade da camada filtrante, ocorre o amolecimento máximo da água (dos sais de dureza). A camada de trocador de cátions que participa amaciamento da água, é chamada de zona de amolecimento (a camada de trabalho do trocador de cátions). Com o amolecimento adicional da água, as camadas superiores do trocador de cátions se esgotam e perdem sua capacidade de troca iônica. As camadas inferiores do trocador de cátions entram em troca iônica e a zona de amolecimento desce gradualmente. Após algum tempo, três zonas são observadas: trocador de cátions em funcionamento, esgotado e fresco. A dureza do filtrado será constante até que o limite inferior da zona de amolecimento coincida com a camada inferior do trocador de cátions. No momento da combinação, inicia-se o “vazamento” dos cátions Ca +2 e Mg +2 e um aumento da dureza residual até se tornar igual à dureza da água original, o que indica o esgotamento completo do trocador de cátions.

Os parâmetros de funcionamento do sistema de amaciamento de água () são determinados pelas fórmulas:

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

Onde:
e p - capacidade de trabalho do trocador de cátions, meq/m 3
V para - o volume do trocador de cátions carregado no amaciador no estado inchado, m 3
h k - altura da camada do trocador de cátions, m
W e - dureza da água de nascente, g-eq/m 3
Q - a quantidade de água amolecida, m 3
a - área da seção transversal do filtro amaciador de água, m 2
v para - a taxa de filtração de água no filtro de cationita
T to - a duração do descalcificador de água (período de inter-regeneração)

Introdução

A capacidade total de troca da resina de troca aniônica é determinada pela sua neutralização com uma solução de HCl ou H 2 SO 4 em condições estáticas ou dinâmicas e é expressa em equivalentes por 1 g de resina de troca aniônica seca ou inchada.

As reações de troca aniônica / resina de troca aniônica A / têm a forma:

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

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

Além da capacidade de troca, os principais indicadores da adequação do trocador aniônico incluem: descoloração, grau de inchamento, capacidade de envelhecimento, insolubilidade em água e solventes orgânicos, facilidade de regeneração, resistência térmica e mecânica.

A capacidade total de troca de vários tipos de trocadores de ânions usados ​​na indústria açucareira pode ser de 1 a 10 meq/g. A resina de troca aniônica macroporosa doméstica AV-17-2P usada para branquear soluções de açúcar tem uma capacidade total de troca de 0,1 N. Solução de HCl 3,8 mg-eq/g, e 0,1 n. Solução de NaCl 3,4 mg-eq/g.

Objetivo da análise - avaliar a qualidade da resina de troca aniônica para descoloração de soluções de açúcar.

Princípio do método de análise baseia-se na titulação de uma solução ácida 0,1 N não absorvida pelo trocador aniônico. solução de NaOH.

Reagentes:

0,1N soluções de HCl e NaOH.

Dispositivos e materiais:

Uma coluna de vidro com um diâmetro de 18 mm, uma altura de 250 mm, com uma extremidade desenhada na parte inferior, na qual é colocado um tubo de borracha com um grampo de parafuso;

funil de vidro;

Balão volumétrico de 500 cm 3;

Bureta para titulação;

Taça;

resina de troca aniônica.

Progresso da definição

10 g do trocador aniônico preparado para análise na forma OH - são transferidos com água para uma coluna de vidro de 18 mm de diâmetro com um swab de lã de vidro na parte inferior, e o excesso de água é drenado através de um tubo de borracha com uma braçadeira de rosca.

Depois disso, 400 cm 3 de 0,1 n. Solução de HCl, mantendo o nível da solução acima da camada do trocador aniônico igual a 1 cm. Em seguida, lava-se com o dobro do volume do trocador aniônico com água. O filtrado e as lavagens são recolhidos num balão volumétrico e levados a um volume de 500 cm3. Selecionado do volume total em um copo de 50 cm 3 e titulado com 0,1 N. solução de NaOH.

Cálculos:

1. Para obter resultados comparáveis, a capacidade de troca do trocador de ânions é expressa da mesma forma que o trocador de cátions em termos de mg-eq/g de trocador de íons secos.

Portanto, se 1 g de trocador aniônico absolutamente seco absorve

cm3 0,1 n. solução de HCl, e 1 cm 3 desta solução contém 0,1 mg-eq / g, então a capacidade total de troca da resina de troca aniônica EA pode ser calculada a partir da fórmula

,

Onde E- capacidade total de troca do trocador de ânions, mg-eq/g de trocador de íons absolutamente seco;

uma- quantidade de filtrado coletada para titulação, cm 3 ;

V O - o valor de 0,1 n. A solução de HCl passou pelo trocador aniônico, cm3;

Vb- quantidade total de filtrado, cm3;

g- a quantidade de resina de troca aniônica seca tomada para determinar sua capacidade, g;

Cé o teor de umidade do anionito, %. Determinado por secagem durante 3 horas a 95-100˚C.

2. A capacidade do trocador aniônico também pode ser expressa em porcentagem de HCl. Neste caso, leve em consideração o fato de que 1 cm 3 0,1 n. A solução de HCl contém 0,0036 g de HCl, o cálculo de E é realizado de acordo com a fórmula

6.3. Regeneração de resinas de troca iônica

Introdução

As resinas de troca iônica gastas no ciclo de trabalho são submetidas à regeneração (recuperação) após serem lavadas com água.

Trocadores de cátions são reduzidos com soluções fracas de HCl e HSO

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

KNa + HCl = KH + NaCl.

Para a redução de trocadores aniônicos, são usadas soluções fracas de NaOH, KOH, NaCl, etc.

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

Ao final do ciclo de regeneração, a acidez do regenerado do trocador de cátions ou a alcalinidade do regenerado do trocador de ânions deve se aproximar da acidez e alcalinidade das soluções de regeneração. O fim da regeneração é determinado por titulação.

Objetivo da análise - restaurar a capacidade de troca dos trocadores de íons.

Princípio do método de análise com base na titulação de soluções de regeneração de um trocador de cátions 0,1 N. solução de NaOH e do trocador de ânions - 0,1 n. solução de HCl.

Reagentes:

solução de HCl a 5%;

solução de NaOH a 4%;

0,1N solução de NaOH;

0,1N solução de HCl.

Dispositivos e materiais:

Colunas de vidro com resina de troca catiônica e resina de troca aniônica.

Progresso da definição

Após a lavagem da resina com água, a regeneração é realizada nas colunas: trocador catiônico - com solução de HCl a 5% e trocador aniônico - com solução de NaOH a 4%, passando-os a uma taxa de 20 cm 3 /min.

O fim da regeneração do trocador de cátions é estabelecido pela titulação de suas soluções de regeneração com 0,1 N. solução de NaOH e um trocador aniônico - 0,1 n. solução de HCl.

Após a regeneração, o trocador de cátions é lavado com água até uma reação neutra ou levemente ácida, e o trocador de ânions - até uma reação neutra ou levemente alcalina.

perguntas do teste

1. O que é troca iônica?

2. O que são resinas de troca iônica?

3. Quais resinas de troca iônica são usadas na produção de açúcar?

4. Fale-nos sobre a capacidade de troca estática e dinâmica dos trocadores de íons?

5. O que determina a capacidade total de troca dos trocadores de íons?

6. Em que unidades é expressa a capacidade total de troca?

7. Qual a finalidade do uso de trocadores iônicos na produção de açúcar?

8. Em que princípio se baseia a determinação da capacidade total de troca dos trocadores de íons?

9. Por que a resina de troca iônica é regenerada?

10. Em que princípio se baseia a regeneração de trocadores de íons?

11. Como é determinado o fim do processo de regeneração do trocador de íons?

Laboratório nº 7

Análise de águas residuais da produção de açúcar

Introdução

Na indústria alimentícia, a maior quantidade de água é consumida pelas usinas de açúcar. Se apenas água pura de reservatórios naturais for usada para as necessidades de uma planta de beterraba, sem devolver parte das águas residuais à produção, o consumo total de água industrial (doce) será de 1200-1500% em peso de beterraba. É possível reduzir o consumo de água doce para 150-250% em peso da beterraba, desde que as águas residuais sejam usadas em muitas áreas da usina de açúcar de acordo com o esquema de abastecimento de água circulante. A água artesiana é utilizada apenas para a lavagem do açúcar granulado nas centrífugas, para o bombeamento da cristalização da massa Ι e para as necessidades do laboratório da fábrica.

As águas residuais (residuais) das fábricas de açúcar são diversas na sua composição física e química, no grau de poluição e no método de purificação necessário. De acordo com o grau de poluição, eles são classificados em três categorias. Cada categoria é dividida em dois subgrupos: A e B, dos quais a água do subgrupo A é melhor em qualidade que a do subgrupo B.

As águas residuais da produção de açúcar contêm uma grande quantidade de matéria orgânica, e o seu tratamento em condições naturais está associado a certas dificuldades, requer áreas de terra significativas e pode ter um impacto negativo no ambiente. Nos últimos anos, vários métodos de tratamento biológico e equipamentos apropriados para sua implementação foram desenvolvidos. Os métodos de purificação propostos atualmente são baseados principalmente em processos anaeróbicos e aeróbicos para a decomposição de impurezas de esgoto de fábricas de açúcar e amido.

A moderna tecnologia de tratamento de efluentes consiste na separação sequencial das impurezas neles contidas por métodos mecânicos, anaeróbios e aeróbicos. Ao mesmo tempo, o método anaeróbico é um novo processo na tecnologia de tratamento de águas residuais. O processo de purificação anaeróbica requer a manutenção de temperaturas na faixa de 36-38 0 С para sua implementação, o que está associado ao consumo adicional de calor. Sua diferença em relação ao método aeróbico difundido reside principalmente no crescimento mínimo de biolodo e na conversão de impurezas contendo carboidratos em biogás, cujo principal componente é o metano.

Processo aeróbico

C 6 H 12 O 6 + O 2 ---- CO 2 + H 2 O + Bioprecipitado + Calor (6360 kJ).

processo anaeróbico

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

Os métodos anaeróbicos são divididos em quatro grupos principais de acordo com o tipo de reatores usados ​​nos processos de purificação:

Com recirculação de biolodo (lodo ativado):

Com uma camada de sedimento anaeróbio e sua sedimentação interna;

Com enchimentos inertes para biolodo;

Especial.

As águas residuais submetidas a tratamento anaeróbio devem conter o mínimo possível de impurezas mecânicas e substâncias que inibem o processo metanogênico. Uma fase ácida de hidrólise deve passar neles e, além disso, as águas residuais devem ter um certo valor de pH e uma temperatura na faixa de 36-38 0 С.

Acredita-se que o método de tratamento anaeróbio seja economicamente benéfico para águas residuais com poluição superior a 1,2-2,0 g/dm 3 DBO 5 (demanda biológica de oxigênio). O limite superior de poluição não é limitado. Pode ser igual a 100 g/dm 3 DQO (demanda química de oxigênio).

Esses incluem:

A) Excesso de água doce do tanque de pressão, do resfriamento da massa em batedeiras, de bombas e outras instalações com temperatura inferior a 30°C. Essas águas não necessitam de tratamento para retornar à produção;

B) Barométrico, amônia e outros com temperaturas acima de 30°C. Para devolver essas águas, é necessário pré-resfriamento e aeração.

Para águas residuais categoria II incluem água de lavagem de transportadores hidráulicos e lavadoras de beterraba. Para o reaproveitamento dessas águas na produção, é necessária a sua purificação mecânica preliminar por decantação em tanques de decantação especiais.

Para águas residuais categoria III incluem: água de bagaço, seu lodo, água de pia, sedimento de água de lavagem de transportador, sedimento de filtração líquida, doméstico, fecal e outras águas nocivas. O tratamento de água de categoria III requer métodos de tratamento biológico e combinado em tanques de sedimentação e campos de filtração apropriados.

Nas usinas de açúcar existentes, os seguintes principais indicadores de balanço hídrico (% em peso de beterraba) são tomados como base: entrada de água doce de um reservatório - 164; o número de águas recicladas da categoria I - 898; II categoria -862; efluentes da categoria III - 170 ou 110, desde que a suspensão do lodo de lavagem do transportador seja decantada em tanques de decantação vertical Sh1-POS-3 e o decantado seja devolvido ao circuito de recirculação de água de categoria II.

Para fábricas de beterraba recém-construídas, o consumo de água doce para as necessidades de produção não deve exceder 80% em peso de beterraba, e a quantidade de águas residuais industriais tratadas descarregadas em corpos d'água naturais não deve exceder 75% em peso de beterraba.

Ao analisar a qualidade da água industrial e residual, sua temperatura, cor, odor, transparência, características do sedimento, teor de sólidos em suspensão, resíduo seco, pH, alcalinidade total (acidez), oxidabilidade, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio ( DQO) são determinados, concentração de amônia, nitratos, cloretos e outros indicadores.

Objetivo - dominar os métodos de controle de qualidade de águas industriais (doces) e residuais.

Um número significativo de processos que ocorrem na natureza e realizados na prática são processos de troca iônica. A troca iônica está subjacente à migração de elementos em solos e organismos de animais e plantas. Na indústria, é utilizado para separação e produção de substâncias, dessalinização de água, tratamento de efluentes, concentração de soluções, etc. A troca iônica pode ocorrer tanto em uma solução homogênea quanto em um sistema heterogêneo. Neste caso, sob troca iônica compreender o processo heterogêneo pelo qual ocorre uma troca entre íons em solução e em uma fase sólida chamada trocador de íons ou trocador de íons. O trocador de íons absorve íons da solução e, em troca, fornece os íons que fazem parte de sua estrutura para a solução.

3.5.1. Classificação e propriedades físico-químicas de trocadores de íons

Sorventes de troca iônica, trocadores iônicos são polieletrólitos compostos por matrizes- grupos imóveis de átomos ou moléculas (cadeias altamente moleculares) com ativos grupos ionogênicosátomos que fornecem sua capacidade de troca iônica. Os grupos iônicos, por sua vez, consistem em íons imóveis ligados à matriz por forças de interação química, e um número equivalente de íons móveis com carga oposta - contra-íons. Os contra-íons são capazes de se mover sob a ação de um gradiente de concentração e podem ser trocados por íons de uma solução com a mesma carga. No sistema trocador iônico - solução eletrolítica, juntamente com a distribuição dos íons trocadores, há também uma redistribuição entre essas fases das moléculas do solvente. Juntamente com o solvente, uma certa quantidade de coions(íons de mesmo nome encarregados dos fixos). Como a neutralidade elétrica do sistema é preservada, juntamente com os coions, uma quantidade adicional de contra-íons, equivalente a eles, passa para o trocador de íons.

Dependendo de quais íons são móveis, os trocadores de íons são divididos em trocadores de cátions e trocadores de ânions.

Trocadores de cátions contêm ânions imóveis e trocam cátions, eles são caracterizados por propriedades ácidas - um hidrogênio móvel ou íon metálico. Por exemplo, trocador de cátions R / SO 3 - H + (aqui R é uma base estrutural com um grupo funcional fixo SO 3 - e contra-íon H +). De acordo com o tipo de cátions contidos no trocador de cátions, ele é chamado de trocador de cátions H, se todos os seus cátions móveis são representados apenas por hidrogênio, ou trocador de cátions de Na, trocador de cátions de Ca, etc. Eles são denotados RH, RNa, R 2 Ca, onde R é o quadro com a parte fixa do grupo ativo do trocador de cátions. Trocadores de cátions com grupos funcionais fixos -SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2-, etc. são amplamente utilizados.

trocadores de ânions contêm cátions imóveis e ânions de troca, eles são caracterizados pelas principais propriedades - um íon hidróxido móvel ou um íon de um resíduo ácido. Por exemplo, o trocador aniônico R/N (CH 3) 3 + OH -, com o grupo funcional -N (CH 3) 3 + e o contra-íon OH -. O trocador aniônico pode ser de diferentes formas, assim como o trocador catiônico: trocador aniônico OH ou ROH, trocador aniônico SO 4 ou RSO 4, onde R é um quadro com uma parte fixa do grupo ativo do trocador aniônico. Os trocadores aniônicos mais usados ​​com grupos fixos - +, - +, NH 3 +, NH +, etc.

Dependendo do grau de dissociação do grupo ativo do trocador de cátions e, consequentemente, da capacidade de troca de íons, os trocadores de cátions são divididos em fortemente ácido e fracamente ácido. Assim, o grupo ativo -SO 3 H é completamente dissociado, portanto, a troca iônica é possível em uma ampla faixa de pH, os trocadores catiônicos contendo grupos sulfo são classificados como fortemente ácidos. Trocadores de cátions de média resistência incluem resinas com grupos de ácido fosfórico. Além disso, para grupos dibásicos capazes de dissociação gradual, apenas um dos grupos tem as propriedades de um ácido de força média, o segundo se comporta como um ácido fraco. Como esse grupo praticamente não se dissocia em meio fortemente ácido, é conveniente usar esses trocadores iônicos em meio levemente ácido ou alcalino, em pH4. Trocadores de cátions fracamente ácidos contêm grupos carboxila, que são pouco dissociados mesmo em soluções fracamente ácidas, sua faixa de operação em pH5. Existem também permutadores de catiões bifuncionais contendo grupos sulfo e grupos carboxilo ou grupos sulfo e fenólicos. Essas resinas funcionam em soluções fortemente ácidas e, em alta alcalinidade, aumentam drasticamente sua capacidade.

Da mesma forma que os trocadores de cátions, os trocadores de ânions são divididos em básico alto e básico baixo. Trocadores de ânions altamente básicos contêm bases de amônio quaternário ou piridina bem dissociadas como grupos ativos. Tais anionitos são capazes de trocar ânions não apenas em soluções ácidas, mas também em soluções alcalinas. As resinas aniônicas de base média e baixa contêm grupos amino primários, secundários e terciários, que são bases fracas, sua faixa de operação em pH89.

Trocadores de íons anfotéricos também são usados ​​- anfólitos, que incluem grupos funcionais com propriedades de ácidos e bases, por exemplo, grupos de ácidos orgânicos em combinação com grupos amino. Alguns trocadores de íons, além das propriedades de troca de íons, possuem propriedades de complexação ou redox. Por exemplo, trocadores iônicos contendo grupos amino ionogênicos dão complexos com metais pesados, cuja formação ocorre simultaneamente com a troca iônica. A troca iônica pode ser acompanhada de complexação na fase líquida, ajustando seu valor de pH, o que permite a separação dos íons. Trocadores de elétrons-íon são usados ​​em hidrometalurgia para a oxidação ou redução de íons em soluções com sua sorção simultânea de soluções diluídas.

O processo de dessorção de um íon absorvido em um trocador de íons é chamado de eluição, enquanto o trocador de íons é regenerado e é transferido para sua forma inicial. Como resultado da eluição dos íons absorvidos, desde que o trocador de íons esteja suficientemente "carregado", obtêm-se eluatos com uma concentração de íons 100 vezes maior do que nas soluções iniciais.

Alguns materiais naturais possuem propriedades de troca iônica: zeólitos, madeira, celulose, carvão sulfonado, turfa, etc. . Os mais difundidos são os trocadores iônicos orgânicos - resinas sintéticas de troca iônica, que são compostos poliméricos sólidos de alto peso molecular, que contêm grupos funcionais capazes de dissociação eletrolítica, por isso são chamados de polieletrólitos. Eles são sintetizados por policondensação e polimerização de monômeros contendo os grupos iônicos necessários, ou pela adição de grupos iônicos a unidades individuais de um polímero previamente sintetizado. Os grupos poliméricos são quimicamente ligados uns aos outros, reticulados em uma estrutura, ou seja, em uma rede espacial tridimensional chamada matriz, com a ajuda de uma substância que interage com eles - um agente de agrião. O divinilbenzeno é frequentemente usado como agente de reticulação. Ajustando a quantidade de divinilbenzeno, é possível alterar o tamanho das células da resina, o que possibilita a obtenção de trocadores iônicos que absorvem seletivamente qualquer cátion ou ânion devido ao "efeito peneira", íons maiores que o tamanho da célula não são absorvido pela resina. Para aumentar o tamanho da célula, são utilizados reagentes com moléculas maiores que as do vinilbenzeno, por exemplo, dimetacrilatos de etilenoglicóis e bifenóis. Através do uso de telógenos, substâncias que impedem a formação de longas cadeias lineares, é alcançada uma maior permeabilidade dos trocadores de íons. Em locais de quebra de cadeia, poros aparecem, devido a isso, os trocadores iônicos adquirem uma estrutura mais móvel e incham mais ao contato com uma solução aquosa. Tetracloreto de carbono, alquilbenzenos, álcoois, etc. são usados ​​como telógenos. gel estrutura ou microporosa. Receber macroporoso ionitas na mistura de reação adicionam solventes orgânicos, que são hidrocarbonetos superiores, como isooctano, álcoois. O solvente é capturado pela massa polimerizante e, após a formação da estrutura, é destilado, deixando grandes poros no polímero. Assim, de acordo com a estrutura, os trocadores iônicos são divididos em macroporosos e em gel.

Os trocadores iônicos macroporosos têm melhores características cinéticas de troca em relação aos gel, pois possuem uma superfície específica desenvolvida de 20-130 m 2 /g (diferentemente dos gel, que possuem uma superfície de 5 m 2 /g) e poros grandes - 20-100 nm, o que facilita a troca heterogênea de íons que ocorre na superfície dos poros. A taxa de câmbio depende significativamente da porosidade dos grãos, embora geralmente não afete sua capacidade de troca. Quanto maior o volume e o tamanho do grão, mais rápida é a difusão interna.

As resinas de troca iônica gel consistem em grãos homogêneos, que na forma seca não possuem poros e são impermeáveis ​​a íons e moléculas. Tornam-se permeáveis ​​após dilatação em água ou soluções aquosas.

Inchaço de trocadores de íons

inchaço chamado de processo de aumento gradual do volume do trocador de íons colocado em um solvente líquido, devido à penetração das moléculas do solvente profundamente na estrutura do hidrocarboneto. Quanto mais o trocador de íons aumenta, mais rápida a troca de íons ocorre. Inchaço caracterizado inchaço do peso- a quantidade de água absorvida por 1 g de trocador de íons seco ou taxa de inchaço- a proporção dos volumes específicos de trocador de íons inchado e seco. Muitas vezes, o volume da resina no processo de inchaço pode aumentar de 10 a 15 vezes. O inchamento de uma resina de alto peso molecular é tanto maior quanto menor o grau de reticulação de suas unidades constituintes, ou seja, menos rígida é sua rede macromolecular. A maioria dos trocadores iônicos padrão contém 6-10% de divinilbenzeno em copolímeros (às vezes 20%). Ao usar agentes de cadeia longa em vez de divinilbenzeno para reticulação, são obtidos trocadores iônicos macrorreticulados bem permeáveis, nos quais a troca iônica ocorre a uma taxa alta. Além da estrutura da matriz, o inchaço do trocador de íons é afetado pela presença de grupos funcionais hidrofílicos nele: o trocador de íons incha quanto mais, mais grupos hidrofílicos existem. Além disso, os trocadores de íons contendo contra-íons de carga simples incham mais fortemente, em contraste com contra-íons de duas e três cargas.Em soluções concentradas, o inchaço ocorre em menor extensão do que em soluções diluídas. A maioria dos trocadores de íons inorgânicos não intumesce nem quase, embora absorvam água.

Capacidade do trocador de íons

A capacidade de troca iônica dos sorventes é caracterizada por sua capacidade de troca, dependendo do número de grupos ionogênicos funcionais por unidade de massa ou volume do trocador de íons. É expresso em miliequivalentes por 1 g de trocador iônico seco ou em equivalentes por 1 m 3 de trocador iônico e para a maioria dos trocadores iônicos industriais está na faixa de 2-10 meq/g. Capacidade total de troca(POE) - o número máximo de íons que podem ser absorvidos pelo trocador de íons quando está saturado. Este é um valor constante para um determinado trocador de íons, que pode ser determinado tanto em condições estáticas quanto dinâmicas.

Sob condições estáticas, em contato com um certo volume de solução eletrolítica, determine capacidade total de troca estática(PSOE) e capacidade de troca estática de equilíbrio(PCOE), que varia de acordo com os fatores que afetam o equilíbrio (volume da solução, composição, concentração, etc.). Trocador iônico de equilíbrio - solução corresponde à igualdade de seus potenciais químicos.

Sob condições dinâmicas, com filtração contínua da solução através de uma certa quantidade de trocador iônico, determine capacidade de troca dinâmica- o número de íons absorvidos pelo trocador de íons antes da ruptura dos íons sorvidos (DOE), capacidade de troca dinâmica total até o desenvolvimento completo do trocador de íons (PDOE). A capacidade antes da ruptura (capacidade de trabalho) é determinada não apenas pelas propriedades do trocador de íons, mas também depende da composição da solução inicial, da taxa de sua passagem pela camada do trocador de íons, da altura (comprimento) do íon camada trocadora, o grau de sua regeneração e o tamanho dos grãos.

A capacidade de operação é determinada a partir da curva de saída fig. 3.5.1

S 1 - capacidade de troca de trabalho, S 1 + S 2 - capacidade de troca dinâmica total.

Quando a eluição é realizada em condições dinâmicas, a curva de eluição tem a forma da curva mostrada na fig. 3.5.2

Normalmente, o DEC é maior que 50% do PDOE para trocadores iônicos fortemente ácidos e fortemente básicos e 80% para trocadores iônicos fracamente ácidos e fracamente básicos. A capacidade de trocadores iônicos fortemente ácidos e fortemente básicos permanece praticamente inalterada em uma ampla faixa de soluções de pH. A capacidade de trocadores iônicos fracamente ácidos e fracamente básicos depende em grande parte do pH.

O grau de utilização da capacidade de troca do trocador de íons depende do tamanho e forma dos grãos. Normalmente, os tamanhos de grão estão na faixa de 0,5-1 mm. A forma dos grãos depende do método de preparação do trocador de íons. Podem ter forma esférica ou irregular. Grãos esféricos são preferíveis - eles fornecem melhores condições hidrodinâmicas e alta velocidade de processo. Trocadores iônicos com grãos cilíndricos, fibrosos e outros também são utilizados. Quanto mais finos os grãos, melhor é utilizada a capacidade de troca do trocador de íons, mas ao mesmo tempo, dependendo do equipamento utilizado, ou a resistência hidráulica da camada sorvente aumenta ou a remoção de pequenos grãos do trocador de íons pelo solução aumenta. A transferência pode ser evitada usando trocadores de íons contendo um aditivo ferromagnético. Isso permite que você mantenha o material de granulação fina em suspensão na zona - o campo magnético através do qual a solução se move.

Os trocadores de íons devem ter resistência mecânica e resistência química, ou seja, não devem ser destruídos como resultado do inchamento e operação em soluções aquosas. Além disso, eles devem ser facilmente regenerados, mantendo assim suas propriedades ativas por um longo tempo e trabalhando sem alteração por vários anos.

Agradecemos antecipadamente pela sua resposta.

C100E é uma resina de troca catiônica de ácido forte tipo gel com alta capacidade de troca, estabilidade química e física e excelente desempenho. O C100E retém eficazmente as partículas suspensas e também, na forma ácida (H+), remove os íons de ferro e manganês.

A alta capacidade de troca permite obter água com uma dureza total da ordem de 0,05 meq/l, e a excelente cinética de troca iônica permite atingir altas vazões. Ao usar o C100E, o deslizamento de íons que causam a dureza da água em condições normais de operação, como regra, não excede 1% da dureza total da água da fonte. Nesse caso, a capacidade de troca da resina praticamente não muda, desde que a proporção de íons monovalentes não ultrapasse 25%.

C100E é insolúvel em soluções ácidas e alcalinas e em todos os solventes orgânicos comuns. A presença de agentes oxidantes residuais (como cloro livre ou íons hipoclorito) na água pode reduzir a resistência mecânica das partículas de resina de troca catiônica. O C100E é termicamente estável até uma temperatura de 150°C, porém, em altas temperaturas, a capacidade de troca da resina de troca catiônica na forma ácida (H+) diminui.

Especificações

Propriedades físicas
	partículas esféricas transparentes de cor amarelada
Formulário de entrega
Peso a granel, g/cm3
Gravidade específica, g/cm3
Coeficiente de uniformidade
Tamanho do grânulo, mm (malha)
Capacidade de troca, g-eq/l
Inchaço Na + → H + , max, %
Inchaço Ca 2+ → Na + , max, %
Condições de aplicação
	6 - 10 (forma Na)
Temperatura máxima de operação, °C
Altura da camada, cm (pol.)
Taxa de fluxo operacional, volume de resina/hora
Expansão da camada no modo de retrolavagem, %
Concentração da solução de NaCl, %
Consumo de sal para regeneração, gr. NaCl/l resina

UMA BREVE DESCRIÇÃO DE
espaço livre acima do download - 50%
tamanho de grão 0,6 mm até 90%
Peso a granel 820gr/l
Teor de água (umidade) 42-48%
Capacidade total até 2 g eq/l
temperatura de operação de 4 - 120 0 С
pH da água 0 - 14
transição de íons Na para H - 8%
altura da camada de 0,8 - 2m
velocidade de serviço de 5 - 40m/h
velocidade específica de serviço 20oz/hora
velocidade de retrolavagem a 20 C de 10 - 12 m/h
volume de água para retrolavagem com uma nova carga 20oz
volume de água de retrolavagem 4 onças
volume de água para lavagem lenta de sal 4oz
consumo de sal durante a regeneração por 1 litro de carga - 150g
dureza residual - 0,5mg equiv/l
perda de pressão específica em kPa m 2 altura de carregamento - 1
perda de pressão de 11mbar a 4°C por 1m de altura de carregamento
velocidade de regeneração - 5m/h
velocidade ao lavar sal com água - 5m/h

CONDIÇÕES DE APLICAÇÃO
falta de ferro oxidado (Fe 3+) na água
falta de oxigênio dissolvido na água
falta de matéria orgânica na água
a ausência de quaisquer agentes oxidantes na água
após o amolecimento do sódio, a alcalinidade total e o resíduo seco aumentarão.
agentes oxidantes fortes, como o ácido nítrico, podem causar reações violentas
sólidos suspensos em água de fonte até 8 mg/l
cor da água de nascente até 30 0 C
turbidez da água da fonte até 6 mg/l
dureza total da água da fonte até 15 mg equiv/l

Abaixo estão os métodos para calcular a capacidade de troca e outros parâmetros do trocador de cátions.

A capacidade de troca de trabalho do cationito E f g÷eq/m3, pode ser expressa pela seguinte fórmula:

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

O volume do cationito carregado no filtro no estado inchado é expresso pela fórmula:

A fórmula para determinar a capacidade de troca de trabalho do trocador de cátions ep, g÷eq / m 3:

ep \u003d Q x W / S x h;

onde W é a dureza da água da fonte, g÷eq/m3; Q - a quantidade de água amolecida, m 2; S é a área do filtro catiônico, m 2 ; h é a altura da camada de cationite, m.

Denotando a velocidade de movimento da água no trocador de cátions como v k , a quantidade de água amolecida Q pode ser encontrada usando a seguinte fórmula:

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

a partir do qual é possível calcular a duração da operação do filtro de cationite Tk:

Tk = ep x h/v k x W.

Também é possível calcular a capacidade de troca do trocador de cátions usando gráficos correlacionados.

Com base em dados práticos aproximados, seu filtro não poderá limpar mais de 1500 litros. agua. Para cálculos mais precisos, você precisa saber a quantidade (volume) de resina em seu filtro e a capacidade de trabalho de sua resina (para resinas de troca catiônica, a capacidade de trabalho varia de 600 a 1500 meq/l). Conhecendo esses dados, você pode calcular facilmente a quantidade exata de água amolecida usando suas fórmulas.