Schimbătoarele de ioni sunt polielectroliți solizi, insolubili, materiale naturale sau artificiale (sintetice) utilizate pe scară largă pentru procesele de purificare a apei: din cationi de calciu și magneziu (dedurizare), din anioni acid organic, demineralizare și alte aplicații speciale.

De natura chimica schimbătorii de ioni sunt anorganici (minerale) și organici.

Cele mai tipice schimbătoare de ioni anorganici naturali sunt zeoliti. Argilele, mica, oxizii de grafit, sărurile poliacizilor de titan, vanadiu și mulți alți compuși pot fi, de asemenea, atribuite schimbătorilor de ioni.

Rășini schimbătoare de ioni

Se numesc schimbătoare de ioni sintetice, obținute artificial rășini schimbătoare de ioni.

Rășinile schimbătoare de ioni sunt compuși reticulați cu greutate moleculară mare care formează o matrice polimerică care conține grup functional de tip acid sau bazic care se disociază sau sunt capabile să se ionizeze în apă.

• grupele functionale de tip acid sunt: ​​-COOH; -S03H; -RO 4 H 2, etc.
• grupele funcționale de tip principal sunt: ​​≡N; =NH; -NH2; -NR 3+ etc.

De aspect Rășinile schimbătoare de ioni sunt materiale sferice cu un diametru de 0,3 până la 2,0 mm (dimensiune de bază în intervalul 0,5..0,8 mm), de la aproape incolor la galben-maro, de regulă, ușor lipite între ele (deoarece sunt umede) .

După structură, rășinile schimbătoare de ioni pot avea gel, macroporoase și structura intermediara, care este determinat de gradul de reticulare a moleculelor de polimer. Gel rășina schimbătoare de ioni are capacitatea de a schimb de ioni numai atunci când este umed (umflat) pentru că îi lipsește porozitatea adevărată. Macroporoasă Rășina schimbătoare de ioni se caracterizează prin prezența porilor cu o suprafață dezvoltată, deci este capabilă să facă schimb de ioni atât în ​​stare umflată, cât și în stare neumflată.

Schema de cereale rășină schimbătoare de ioni, schimbător de anioni și respectiv schimbător de cationi în vedere generala arata asa:

1. matrice polimerică
2. grupări funcționale ionice ale matricei polimerice
3. contraionii

Grupările funcționale menționate mai sus sunt capabile să intre în reacții de schimb ionic cu ionii substanțelor dizolvate (impurități – în raport cu apa). Dacă matricea rășinii schimbătoare de ioni este desemnată ca R, atunci reacția unui astfel de schimb arată astfel:

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

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

Conform unei astfel de reacții, cationii sărurilor de duritate, ionii de fier și mangan sunt ușor de schimbat.

Din reacțiile de mai sus se poate observa că rășinile schimbătoare de ioni pot schimba cationi (a) - în acest caz se numesc schimbători de cationi, sau schimbători de anioni (b) - în acest caz se numesc schimbători de anioni. Pe lângă reacțiile de schimb ionic indicate pe rășinile schimbătoare de ioni, sunt posibile reacții de formare complexă și redox, precum și sorbție fizică.

Proprietățile de sorbție ale rășinilor schimbătoare de ioni sunt determinate nu numai de natură grup functional, dar și aciditatea (valoarea pH-ului) apei tratate.

Clasificarea rășinilor schimbătoare de ioni

În funcție de grupările funcționale introduse în lanțul polimeric al rășinii schimbătoare de ioni, există:

• -SO 3 H - schimbător de cationi puternic acid,
• -COOH - schimbător de cationi slab acid.

Un schimbător de cationi acid puternic schimbă cationi de orice grad de disociere în soluții pentru toți valori posibile pH. Un schimbător de cationi slab acid schimbă cationi din soluții acide la pH >5.

• -NH 2, \u003d NH, ≡N - schimbător de anioni slab bazic,
• -NR 3 + Hal - - rășină schimbătoare de anioni puternic bazică.

Un anion de bază puternic schimbă anioni de orice grad de disociere în soluții la toate valorile posibile ale pH-ului. Un schimbător de anioni slab bazic schimbă anioni din soluții alcaline la valori ale pH-ului<8..9.

Caracteristicile schimbătoarelor de ioni și rășinilor schimbătoare de ioni

Cele mai importante caracteristici ale schimbătorilor de ioni sunt:

• capacitatea totală (totală) de schimb- acesta este numărul maxim de miligram-echivalenți (mg-echiv) de ioni ai unei substanțe absorbiți de o unitate de masă sau de volum a unui schimbător de ioni în echilibru cu o soluție de electrolit;
• capacitatea de schimb dinamic (de lucru).- acesta este numărul maxim de mEq de ioni absorbiți de o unitate de masă sau volum în condiții de filtrare a soluției printr-un strat de schimbător de ioni până când ionii „se scurg” în filtrat.

Valorile capacității totale de schimb a majorității rășinilor schimbătoare de ioni sunt în intervalul 2..5 meq/g (1..2.5 g-eq/dm3). Procedura de determinare a capacităţii de schimb este standardizată.

Capacitatea de schimb dinamic (de lucru) este întotdeauna mai mică decât cea statică datorită faptului că depinde de următorii factori:

• natura rășinii schimbătoare de ioni,
• compoziția sa granulometrică,
• calitatea apei sursei, iar dependența este determinată nu numai de numărul total de ioni prinși, ci și de raportul lor între ei, de prezența fierului, manganului, impurităților organice în apa sursă,
• valoarea pH-ului sursei de apă, temperatura acesteia și temperatura soluției de regenerare;
• uniformitatea trecerii apei purificate prin stratul schimbător de ioni,
• natura regenerantului, puritatea acestuia, concentrația, consumul specific,
• indicatorii necesari ai calității apei rezultate după filtrarea printr-o rășină schimbătoare de ioni,
• înălțimea stratului schimbător de ioni, viteza de lucru, regenerare și slăbire a filtrării,
• consumul specific de apă de spălare,
• zona de filtrare (zona secțiunii orizontale a filtrului),
• adăugarea de agenți de complexare și alți factori la soluția de regenerare.

Unele materiale filtrante ( schimbătoare de ioni) sunt capabili să absoarbă ioni pozitivi (cationi) din apă în schimbul unei cantități echivalente de ioni schimbători de cationi.

Dedurizarea apei prin cationizare se bazează pe fenomenul schimbului de ioni (tehnologii de schimb de ioni), a cărui esență este capacitatea materialelor de filtrare cu schimb de ioni (schimbătoare de ioni - schimbătoare de cationi) de a absorbi ionii pozitivi din apă în schimbul unei cantități echivalente de ioni schimbători de cationi.

Principalul parametru de funcționare al schimbătorului de cationi este capacitatea de schimb a schimbătorului de ioni, care este determinată de numărul de cationi pe care schimbătorul de cationi îi poate schimba în timpul ciclului de filtrare. Capacitatea de schimb este măsurată în echivalenți gram de cationi reținuți la 1 m 3 de schimbător de cationi în stare umflată (de lucru) după ce a fost în apă, adică. într-o stare în care schimbător de cationi este în filtrat.

Există o capacitate de schimb completă și funcțională (dinamică) a schimbătorului de cationi. Capacitatea totală de schimb a schimbătorului de cationi este cantitatea de cationi de calciu Ca +2 și magneziu Mg +2 care poate ține 1 m 3 din schimbătorul de cationi în stare de funcționare până când duritatea filtratului este comparată cu duritatea sursei de apă. . Capacitatea de schimb de lucru a schimbătorului de cationi este cantitatea de cationi Ca +2 și Mg +2 care reține 1m 3 din schimbătorul de cationi până la „pătrunderea” cationilor de sare de duritate în filtrat.

Capacitatea de schimb, raportată la întregul volum al schimbătorului de cationi încărcat în filtru, se numește capacitatea de absorbție a filtrului dedurizatorului de apă.

În dedurizator, apa tratată trece prin stratul schimbător de cationi de sus în jos. Totodată, la o anumită adâncime a stratului filtrant are loc înmuierea maximă a apei (din sărurile de duritate). Stratul de schimbător de cationi la care participă dedurizarea apei, se numește zonă de înmuiere (stratul de lucru al schimbătorului de cationi). Odată cu înmuierea suplimentară a apei, straturile superioare ale schimbătorului de cationi sunt epuizate și își pierd capacitatea de schimb de ioni. Straturile inferioare ale schimbătorului de cationi intră în schimb de ioni și zona de înmuiere coboară treptat. După ceva timp, se observă trei zone: schimbător de cationi de lucru, epuizat și proaspăt. Duritatea filtratului va fi constantă până când limita inferioară a zonei de înmuiere coincide cu stratul inferior al schimbătorului de cationi. În momentul combinării, încep „scurgerea” cationilor Ca +2 și Mg +2 și o creștere a durității reziduale până când aceasta devine egală cu duritatea apei inițiale, ceea ce indică epuizarea completă a schimbătorului de cationi.

Parametrii de funcționare ai sistemului de dedurizare a apei () sunt determinați prin formulele:

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

Unde:
e p - capacitatea de lucru a schimbătorului de cationi, meq / m 3
V la - volumul schimbătorului de cationi încărcat în dedurizator în stare umflată, m 3
h k - înălțimea stratului schimbător de cationi, m
W și - duritatea sursei de apă, g-eq / m 3
Q - cantitatea de apă dedurizată, m 3
a - aria secțiunii transversale a filtrului dedurizatorului de apă, m 2
v la - rata de filtrare a apei în filtrul de cationiți
T la - durata dedurizatorului de apă (perioada de inter-regenerare)

Introducere

Capacitatea totală de schimb a rășinii schimbătoare de anioni este determinată de neutralizarea acesteia cu o soluție de HCl sau H2SO4 în condiții statice sau dinamice și se exprimă în echivalenți la 1 g de rășină schimbătoare de anioni uscate sau umflate.

Reacții de schimb anionic / Rășină schimbătoare de anioni A / au forma:

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

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

Pe lângă capacitatea de schimb, principalii indicatori ai adecvării schimbătorului de anioni includ: decolorarea, gradul de umflare, capacitatea de îmbătrânire, insolubilitatea în apă și solvenți organici, ușurința de regenerare, rezistența termică și mecanică.

Capacitatea totală de schimb a diferitelor grade de schimbătoare de anioni utilizate în industria zahărului poate fi de 1–10 meq/g. Rășina schimbătoare de anioni macroporoasă internă AV-17-2P utilizată pentru albirea soluțiilor de zahăr are o capacitate totală de schimb de 0,1 N. Soluție de HCI 3,8 mg-eq/g și 0,1 n. Soluție NaCl 3,4 mg-echiv/g.

Scopul analizei - se evaluează calitatea rășinii schimbătoare de anioni pentru decolorarea soluțiilor de zahăr.

Principiul metodei de analiză se bazează pe titrarea unei soluții de acid 0,1 N neabsorbite de schimbătorul de anioni. soluție de NaOH.

Reactivi:

0,1 N Soluții de HCl și NaOH.

Dispozitive și materiale:

O coloană de sticlă cu diametrul de 18 mm, înălțimea de 250 mm, cu un capăt trasat în partea inferioară, pe care se pune un tub de cauciuc cu o clemă cu șurub;

pâlnie de sticlă;

Balon cotat pentru 500 cm 3;

Biuretă pentru titrare;

pahar;

rășină schimbătoare de anioni.

Progresul definirii

10 g de schimbător de anioni pregătit pentru analiză în formă OH se transferă cu apă într-o coloană de sticlă cu diametrul de 18 mm cu un tampon de vată de sticlă în partea de jos, iar excesul de apă este scurs printr-un tub de cauciuc cu o clemă cu șurub.

După aceea, 400 cm 3 de 0,1 n. Soluție de HCl, menținând nivelul soluției deasupra stratului schimbător de anioni egal cu 1 cm.Apoi se spală cu volumul dublu al schimbătorului de anioni cu apă. Filtratul şi spălările sunt colectate într-un balon cotat şi aduse la un volum de 500 cm3. Selectat din volumul total într-un pahar de 50 cm 3 și titrat cu 0,1 N. soluție de NaOH.

Calcule:

1. Pentru a obține rezultate comparabile, capacitatea de schimb a schimbătorului de anioni este exprimată în același mod ca și schimbătorul de cationi în termeni de mg-eq/g de schimbător de ioni uscat.

Prin urmare, dacă se absoarbe 1 g de schimbător de anioni absolut uscat

cm 3 0,1 n. Soluție de HCl, iar 1 cm 3 din această soluție conține 0,1 mg-eq/g, apoi capacitatea totală de schimb a rășinii schimbătoare de anioni E A poate fi calculată din formula

,

Unde E A- capacitatea totală de schimb a schimbătorului de ioni, mg-eq/g de schimbător de ioni absolut uscat;

A- cantitatea de filtrat colectată pentru titrare, cm 3 ;

V O - cantitatea de 0,1 n. Soluție de HCI trecută prin schimbătorul de anioni, cm 3;

Vb- cantitatea totală de filtrat, cm 3 ;

g- cantitatea de rășină schimbătoare de anioni uscată luată pentru determinarea capacității acesteia, g;

W este conținutul de umiditate al anionitului, %. Determinat prin uscare timp de 3 ore la 95-100˚С.

2. Capacitatea schimbătorului de anioni poate fi exprimată și ca procent de HCl. În acest caz, luați în considerare faptul că 1 cm 3 0,1 n. Soluția de HCl conține 0,0036 g HCl, calculul E se efectuează conform formulei

6.3. Regenerarea rășinilor schimbătoare de ioni

Introducere

Rășinile schimbătoare de ioni cheltuite în ciclul de lucru sunt supuse regenerării (recuperării) după ce sunt spălate cu apă.

Schimbătoarele de cationi sunt reduse cu soluții slabe de HCl și HSO

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

KNa + HCl = KH + NaCI.

Pentru reducerea schimbătorilor de anioni se folosesc soluții slabe de NaOH, KOH, NaCl etc.

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

La sfârșitul ciclului de regenerare, aciditatea regeneratului din schimbătorul de cationi sau alcalinitatea regeneratului din schimbătorul de anioni ar trebui să se apropie de aciditatea și alcalinitatea soluțiilor de regenerare. Sfârșitul regenerării este determinat de titrare.

Scopul analizei - restabilirea capacitatii de schimb a schimbatoarelor de ioni.

Principiul metodei de analiză bazat pe titrarea soluțiilor de regenerare dintr-un schimbător de cationi 0,1 N. soluție de NaOH, iar din schimbătorul de anioni - 0,1 n. soluție de HCI.

Reactivi:

soluție de HCI 5%;

soluție de NaOH 4%;

0,1 N soluție de NaOH;

0,1 N soluție de HCI.

Dispozitive și materiale:

Coloane de sticlă cu rășină schimbătoare de cationi și rășină schimbătoare de anioni.

Progresul definirii

După spălarea rășinii cu apă, regenerarea se efectuează în coloanele: schimbător de cationi - cu soluție de HCl 5% și schimbător de anioni - cu soluție de NaOH 4%, trecându-le cu o viteză de 20 cm 3 /min.

Sfârșitul regenerării schimbătorului de cationi se stabilește prin titrarea soluțiilor sale de regenerare cu 0,1 N. soluție de NaOH și un schimbător de anioni - 0,1 n. soluție de HCI.

După regenerare, schimbătorul de cationi se spală cu apă până la o reacție neutră sau ușor acidă, iar schimbătorul de anioni - până la o reacție neutră sau ușor alcalină.

întrebări de test

1. Ce este schimbul de ioni?

2. Ce sunt rășinile schimbătoare de ioni?

3. Ce rășini schimbătoare de ioni sunt folosite în producția de zahăr?

4. Spuneți-ne despre capacitatea de schimb statică și dinamică a schimbătoarelor de ioni?

5. Ce determină capacitatea totală de schimb a schimbătoarelor de ioni?

6. În ce unități se exprimă capacitatea totală de schimb?

7. Care este scopul utilizării schimbătoarelor de ioni în producția de zahăr?

8. Pe ce principiu se bazează determinarea capacității totale de schimb a schimbătoarelor de ioni?

9. De ce este regenerată rășina schimbătoare de ioni?

10. Pe ce principiu se bazează regenerarea schimbătoarelor de ioni?

11. Cum se determină sfârșitul procesului de regenerare a schimbătorului de ioni?

Laboratorul #7

Analiza apelor uzate a producției de zahăr

Introducere

În industria alimentară, cea mai mare cantitate de apă este consumată de fabricile de zahăr. Dacă pentru nevoile unei fabrici de sfeclă de zahăr se folosește doar apă pură din rezervoare naturale, fără a returna o parte din apa uzată în producție, atunci consumul total de apă industrială (proaspătă) va fi de 1200-1500% din greutatea sfeclei. Este posibil să se reducă consumul de apă dulce la 150-250% din greutatea sfeclei, cu condiția ca apa uzată să fie folosită în multe zone ale fabricii de zahăr conform schemei de alimentare cu apă circulabilă. Apa arteziană este folosită numai pentru spălarea zahărului granulat în centrifuge, pentru pomparea cristalizării mascuitei Ι și pentru nevoile laboratorului fabricii.

Apele uzate (uzate) ale fabricilor de zahăr sunt diverse în ceea ce privește compoziția fizică și chimică, gradul de poluare și metoda de epurare necesară. După gradul de poluare, acestea sunt clasificate în trei categorii. Fiecare categorie este împărțită în două subgrupe: A și B, dintre care apa din subgrupa A este de calitate mai bună decât subgrupa B.

Apele uzate din producția de zahăr conțin o cantitate mare de materie organică, iar tratarea lor în condiții naturale este asociată cu anumite dificultăți, necesită suprafețe de teren semnificative și poate avea un impact negativ asupra mediului. În ultimii ani, au fost dezvoltate o serie de metode de tratare biologică și echipamente adecvate pentru implementarea acestora. Metodele de purificare propuse în prezent se bazează în principal pe procese anaerobe și aerobe de descompunere a impurităților de canalizare din fabricile de zahăr și amidon.

Tehnologia modernă de tratare a apelor uzate constă în separarea secvenţială a impurităţilor conţinute în acestea prin metode mecanice, anaerobe şi aerobe. În același timp, metoda anaerobă este un proces nou în tehnologia de tratare a apelor uzate. Procesul de purificare anaerobă necesită menținerea temperaturilor în intervalul 36-38 0 С pentru implementarea sa, ceea ce este asociat cu un consum suplimentar de căldură. Diferența sa față de metoda aerobă răspândită constă în principal în creșterea minimă a nămolului biologic și conversia impurităților care conțin carbohidrați în biogaz, a cărui componentă principală este metanul.

Proces aerob

C6H12O6 + O2 ---- CO2 + H2O + Bioprecipitat + Căldură (6360 kJ).

proces anaerob

C6H12O6 ---- CH4 + CO2 + Bioprecipitat + Căldură (0,38 kJ).

Metodele anaerobe sunt împărțite în patru grupe principale în funcție de tipul de reactoare utilizate în procesele de purificare:

Cu recirculare a nămolului biologic (nămol activ):

Cu un strat de sediment anaerob și sedimentarea sa internă;

Cu umpluturi inerte pentru nămol biologic;

Special.

Apele uzate supuse epurării anaerobe trebuie să conțină cât mai puține impurități mecanice și substanțe care inhibă procesul metanogen. În ele trebuie să treacă o fază de hidroliză-acid și, în plus, apele uzate trebuie să aibă o anumită valoare a pH-ului și o temperatură în intervalul 36-38 0 С.

Se crede că metoda de tratare anaerobă este benefică din punct de vedere economic pentru apele uzate cu poluare mai mare de 1,2-2,0 g/dm 3 BOD 5 (cererea biologică de oxigen). Limita superioară de poluare nu este limitată. Poate fi egal cu 100 g/dm 3 COD (cererea chimică de oxigen).

Acestea includ:

A) Excesul de apă proaspătă din rezervorul sub presiune, de la răcirea mascuitei în mixere de mascuite, de la pompe și alte instalații cu o temperatură sub 30°C. Aceste ape nu necesită tratare pentru a fi readuse în producție;

B) Barometrice, amoniac și altele cu temperaturi peste 30°C. Pentru a returna aceste ape, este necesară prerăcirea și aerarea.

La ape uzate categoria II includ apa de spălare a benzilor transportoare de la transportoarele hidraulice și spălatoarele de sfeclă. Pentru reutilizarea acestor ape în producţie se impune epurarea mecanică prealabilă a acestora prin decantare în rezervoare speciale de decantare.

La ape uzate categoria III includ: apa de presare a pulpei, nămolul acesteia, apa de lighean, sedimentul de apă de spălare a transportoarelor, sedimentul de filtrare lichid, ape menajere, fecale și alte ape dăunătoare. Tratarea apei de categoria III necesită metode de tratare biologică și combinată în rezervoare de sedimentare și câmpuri de filtrare adecvate.

La fabricile de zahăr existente se iau ca bază următorii indicatori principali ai bilanțului de apă (% din greutatea sfeclei): aportul de apă dulce dintr-un rezervor - 164; numărul de ape reciclate din categoria I - 898; categoria II -862; ape uzate de categoria III - 170 sau 110, cu condiția ca suspensia nămolului de spălare transportoare să se depună în decantoare verticale-îngroșatoare Sh1-POS-3 și decantatul să fie returnat în circuitul de recirculare a apei de categoria a II-a.

Pentru fabricile de sfeclă de zahăr nou construite, consumul de apă dulce pentru nevoile de producție nu trebuie să depășească 80% din greutatea sfeclei, iar cantitatea de apă uzată industrială tratată evacuată în corpurile naturale de apă nu trebuie să depășească 75% din greutatea sfeclei.

La analiza calității apelor industriale și uzate, temperatura, culoarea, mirosul, transparența acestora, caracteristicile sedimentelor, conținutul de solide în suspensie, reziduu uscat, pH, alcalinitate totală (aciditate), oxidabilitate, cerere biochimică de oxigen (BOD), cerere chimică de oxigen ( COD) sunt determinate, concentrația de amoniac, nitrați, cloruri și alți indicatori.

Obiectiv - stapaneste metodele de control al calitatii apelor industriale (proaspete) si uzate.

Un număr semnificativ de procese care apar în natură și desfășurate în practică sunt procese de schimb ionic. Schimbul de ioni stă la baza migrației elementelor din sol și organismele animalelor și plantelor. In industrie se foloseste pentru separarea si producerea substantelor, desalinizarea apei, tratarea apelor uzate, concentrarea solutiilor etc. Schimbul de ioni poate avea loc atat in solutie omogena cat si in sistem eterogen. În acest caz, sub schimb de ioniînţelege procesul eterogen prin care are loc un schimb între ioni în soluţie şi într-o fază solidă numită schimbător de ioni sau schimbător de ioni. Schimbătorul de ioni absoarbe ioni din soluție și, în schimb, dă ionii care fac parte din structura sa în soluție.

3.5.1. Clasificarea și proprietățile fizico-chimice ale schimbătoarelor de ioni

Adsorbanți cu schimb de ioni, schimbători de ioni sunt polielectroliti care sunt compusi din matrici- grupe imobile de atomi sau molecule (lanţuri cu molecule înalte) cu activ grupări ionogene atomi care îi asigură capacitatea de schimb ionic. Grupurile ionice, la rândul lor, constau din ioni imobili legați de matrice prin forțe de interacțiune chimică și un număr echivalent de ioni mobili cu sarcina opusă - contraionii. Contraionii sunt capabili să se deplaseze sub acțiunea unui gradient de concentrație și pot fi schimbați cu ioni dintr-o soluție cu aceeași sarcină. În sistemul schimbător de ioni - soluție de electrolit, împreună cu distribuția ionilor schimbători, există și o redistribuție între aceste faze a moleculelor de solvent. Împreună cu solventul, o anumită cantitate de coions(ionii cu același nume responsabil cu cei fixe). Întrucât neutralitatea electrică a sistemului este păstrată, împreună cu coionii, o cantitate suplimentară de contraioni, echivalentă acestora, trece în schimbătorul de ioni.

În funcție de care ioni sunt mobili, schimbătoarele de ioni sunt împărțite în schimbătoare de cationi și schimbătoare de anioni.

Schimbătoare de cationi conțin anioni imobili și schimbă cationi, se caracterizează prin proprietăți acide - un hidrogen mobil sau ion metalic. De exemplu, schimbătorul de cationi R / SO 3 - H + (aici R este o bază structurală cu o grupare funcțională fixă ​​SO 3 - și contraion H +). După tipul de cationi conținute în schimbătorul de cationi, acesta se numește schimbător de cationi H, dacă toți cationii săi mobili sunt reprezentați doar de hidrogen, sau schimbător de cationi Na, schimbător de cationi Ca etc. Se notează RH, RNa, R2Ca, unde R este cadrul cu partea fixă ​​a grupului activ al schimbătorului de cationi. Sunt utilizate pe scară largă schimbătoarele de cationi cu grupe funcţionale fixe -SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2- etc.

schimbătoare de anioni conțin cationi imobili și anioni de schimb, ei sunt caracterizați prin proprietățile principale - un ion hidroxid mobil sau un ion al unui reziduu acid. De exemplu, schimbătorul de anioni R/N (CH 3) 3 + OH -, cu gruparea funcțională -N (CH 3) 3 + și contraionul OH -. Schimbătorul de anioni poate fi sub diferite forme, precum și schimbătorul de cationi: schimbător de anioni OH sau ROH, SO 4 - schimbător de anioni sau RSO 4, unde R este un cadru cu o parte fixă ​​a grupului activ al schimbătorului de anioni. Cele mai frecvent utilizate schimbătoare de anioni cu grupe fixe - +, - +, NH 3 +, NH + etc.

În funcție de gradul de disociere a grupului activ al schimbătorului de cationi și, în consecință, de capacitatea de schimb de ioni, schimbătoarele de cationi sunt împărțite în puternic acid și slab acid. Deci, gruparea activă -SO 3 H este complet disociată, prin urmare, schimbul de ioni este posibil într-un interval larg de pH, schimbătoarele de cationi care conțin grupări sulfo sunt clasificate ca fiind puternic acide. Schimbătoarele de cationi cu rezistență medie includ rășini cu grupări de acid fosforic. Mai mult, pentru grupările dibazice capabile de disociere în trepte, doar una dintre grupuri are proprietățile unui acid de rezistență medie, a doua se comportă ca un acid slab. Deoarece această grupă practic nu se disociază într-un mediu puternic acid, este de aceea oportună utilizarea acestor schimbătoare de ioni în medii ușor acide sau alcaline, la pH4. Schimbătoarele de cationi slab acide conțin grupări carboxil, care sunt puțin disociate chiar și în soluții slab acide, domeniul lor de funcționare la pH5. Există, de asemenea, schimbătoare de cationi bifuncționale care conțin atât grupări sulfo, cât și grupări carboxil sau grupări sulfo și fenol. Aceste rășini funcționează în soluții puternic acide, iar la alcalinitate ridicată își măresc brusc capacitatea.

Similar schimbătorilor de cationi, schimbătoarele de anioni sunt împărțite în de bază ridicată și de bază scăzută. Schimbătoarele de anioni foarte bazici conțin ca grupări active baze cuaternare de amoniu sau piridină bine disociate. Astfel de anioniți sunt capabili să schimbe anioni nu numai în soluții acide, ci și în soluții alcaline. Rășinile anionice bazice medii și scăzute conțin grupări amino primare, secundare și terțiare, care sunt baze slabe, domeniul lor de funcționare la pH89.

Se folosesc și schimbătoare de ioni amfoteri - amfoliti, care includ grupări funcționale cu proprietăți atât ale acizilor, cât și ale bazelor, de exemplu, grupuri de acizi organici în combinație cu grupări amino. Unele schimbătoare de ioni, pe lângă proprietățile de schimb de ioni, au proprietăți de complexare sau redox. De exemplu, schimbătoarele de ioni care conțin grupări amino ionogene dau complecși cu metale grele, a căror formare are loc simultan cu schimbul de ioni. Schimbul de ioni poate fi însoțit de complexarea în fază lichidă, prin ajustarea valorii pH-ului acestuia, ceea ce permite separarea ionilor. Schimbatoarele electroni-ioni sunt folosite in hidrometalurgie pentru oxidarea sau reducerea ionilor in solutii cu sorbtia lor simultana din solutii diluate.

Procesul de desorbție a unui ion absorbit de un schimbător de ioni se numește eluare, în timp ce schimbătorul de ioni este regenerat și este transferat în forma sa inițială. Ca urmare a eluării ionilor absorbiți, cu condiția ca schimbătorul de ioni să fie suficient de „încărcat”, se obțin eluați cu o concentrație de ioni de 100 de ori mai mare decât în ​​soluțiile inițiale.

Unele materiale naturale au proprietăți de schimb ionic: zeoliți, lemn, celuloză, cărbune sulfonat, turbă etc., cu toate acestea, aproape niciodată nu sunt folosite în scopuri practice, deoarece nu au o capacitate de schimb suficient de mare, stabilitate în mediile tratate. . Cele mai răspândite sunt schimbătoarele de ioni organici - rășini sintetice schimbătoare de ioni, care sunt compuși polimerici solizi cu molecul mare, care conțin grupe funcționale capabile de disociere electrolitică, de aceea se numesc polielectroliți. Ele sunt sintetizate prin policondensarea și polimerizarea monomerilor care conțin grupările ionogene necesare sau prin adăugarea grupărilor ionogene la unitățile individuale ale unui polimer sintetizat anterior. Grupările polimerice sunt legate chimic între ele, reticulate într-un cadru, adică într-o rețea spațială tridimensională numită matrice, cu ajutorul unei substanțe care interacționează cu ele - un agent de nasturel. Divinilbenzenul este adesea folosit ca agent de reticulare. Prin ajustarea cantității de divinilbenzen, este posibilă modificarea dimensiunii celulelor de rășină, ceea ce face posibilă obținerea unor schimbătoare de ioni care absorb selectiv orice cation sau anion datorită „efectului de sită”, ionii mai mari decât dimensiunea celulei nu sunt absorbită de rășină. Pentru a crește dimensiunea celulei, se folosesc reactivi cu molecule mai mari decât cele ale vinilbenzenului, de exemplu, dimetacrilații de etilenglicoli și bifenoli. Datorită utilizării telogenilor, substanțe care împiedică formarea lanțurilor liniare lungi, se realizează o permeabilitate crescută a schimbătorilor de ioni. În locurile în care lanțurile sunt rupte apar pori, din această cauză, schimbătoarele de ioni capătă un cadru mai mobil și se umflă mai mult la contactul cu o soluție apoasă. Ca telogeni se folosesc tetraclorura de carbon, alchilbenzenii, alcoolii etc.. Rasinile obtinute astfel au gel structură sau microporoasă. Pentru obtinerea macroporoasă ioniții din amestecul de reacție adaugă solvenți organici, care sunt hidrocarburi mai mari, cum ar fi izooctanul, alcoolii. Solventul este captat de masa de polimerizare, iar după ce formarea cadrului este finalizată, este distilat, lăsând pori mari în polimer. Astfel, în funcție de structură, schimbătoarele de ioni se împart în macroporoase și gel.

Schimbătoarele de ioni macroporoase au caracteristici cinetice de schimb mai bune în comparație cu cele cu gel, deoarece au o suprafață specifică dezvoltată de 20-130 m 2 /g (spre deosebire de cele cu gel, care au o suprafață de 5 m 2 /g) și pori mari - 20-100 nm, ceea ce facilitează schimbul eterogen de ioni care are loc la suprafața porilor. Cursul de schimb depinde în mod semnificativ de porozitatea boabelor, deși de obicei nu afectează capacitatea lor de schimb. Cu cât volumul și dimensiunea granulelor sunt mai mari, cu atât difuzia internă este mai rapidă.

Rășinile schimbătoare de ioni gel constau din granule omogene, care în formă uscată nu au pori și sunt impermeabile la ioni și molecule. Ele devin permeabile după umflarea în apă sau soluții apoase.

Umflarea schimbătorilor de ioni

umflătură numit procesul de creștere treptată a volumului schimbătorului de ioni plasat într-un solvent lichid, datorită pătrunderii moleculelor de solvent adânc în cadrul hidrocarburilor. Cu cât schimbătorul de ioni se umflă mai mult, cu atât mai rapid are loc schimbul de ioni. Umflătură caracterizat umflare în greutate- cantitatea de apă absorbită la 1 g schimbător de ioni uscat sau raportul de umflare- raportul dintre volumele specifice schimbătorului de ioni umflat și uscat. Adesea, volumul rășinii în procesul de umflare poate crește de 10-15 ori. Umflarea unei rășini cu molecule înalte este cu atât mai mare, cu atât este mai scăzut gradul de reticulare a unităților sale constitutive, adică cu atât rețeaua macromoleculară este mai puțin rigidă. Majoritatea schimbătoarelor de ioni standard conțin 6-10% divinilbenzen în copolimeri (uneori 20%). Atunci când agenții cu lanț lung sunt utilizați pentru reticulare în locul divinilbenzenului, se obțin schimbători de ioni macroreticulati bine permeabili, pe care schimbul de ioni are loc la o rată mare. Pe lângă structura matricei, umflarea schimbătorului de ioni este afectată de prezența grupărilor funcționale hidrofile în acesta: schimbătorul de ioni se umflă cu atât mai mult, cu atât există mai multe grupări hidrofile. În plus, schimbătoarele de ioni care conțin contraioni încărcați unic se umflă mai puternic, spre deosebire de contraionii cu două și trei încărcări.În soluțiile concentrate, umflarea apare într-o măsură mai mică decât în ​​cele diluate. Majoritatea schimbătoarelor de ioni anorganici nu se umflă deloc sau aproape, deși absorb apă.

Capacitatea schimbătorului de ioni

Capacitatea de schimb ionic a adsorbanților este caracterizată de acestea capacitatea de schimb, în funcție de numărul de grupe ionogene funcționale pe unitatea de masă sau de volum a schimbătorului de ioni. Se exprimă în miliechivalenți la 1 g de schimbător de ioni uscat sau în echivalenți la 1 m 3 de schimbător de ioni și pentru majoritatea schimbătoarelor de ioni industriale este în intervalul 2-10 meq/g. Capacitate de schimb completă(POE) - numărul maxim de ioni care pot fi absorbiți de schimbătorul de ioni atunci când acesta este saturat. Aceasta este o valoare constantă pentru un schimbător de ioni dat, care poate fi determinată atât în ​​condiții statice, cât și în condiții dinamice.

În condiții statice, în contact cu un anumit volum de soluție de electrolit, determinați capacitate completă de schimb static(PSOE) și capacitatea de schimb static de echilibru(PCOE), care variază în funcție de factorii care afectează echilibrul (volumul soluției, compoziția, concentrația etc.). Schimbător de ioni de echilibru - soluție corespunde egalității potențialelor lor chimice.

În condiții dinamice, cu filtrarea continuă a soluției printr-o anumită cantitate de schimbător de ioni, determinați capacitatea de schimb dinamic- numărul de ioni absorbiți de schimbătorul de ioni înainte de străpungerea ionilor absorbiți (DOE), capacitate de schimb dinamică completă până la dezvoltarea completă a schimbătorului de ioni (PDOE). Capacitatea înainte de străpungere (capacitatea de lucru) este determinată nu numai de proprietățile schimbătorului de ioni, ci depinde și de compoziția soluției inițiale, viteza de trecere a acesteia prin stratul schimbătorului de ioni, înălțimea (lungimea) ionului. stratul schimbător, gradul de regenerare a acestuia și dimensiunea boabelor.

Capacitatea de funcționare se determină din curba de ieșire fig. 3.5.1

S 1 - capacitate de schimb de lucru, S 1 +S 2 - capacitate de schimb dinamică completă.

Când eluția este efectuată în condiții dinamice, curba de eluție are forma curbei prezentate în fig. 3.5.2

De obicei, DEC este mai mare de 50% din PDOE pentru schimbătoarele de ioni puternic acide și puternic bazice și 80% pentru schimbătoarele de ioni slab acide și slab bazice. Capacitatea schimbătorilor de ioni puternic acizi și puternic bazici rămâne practic neschimbată într-o gamă largă de soluții de pH. Capacitatea schimbătorilor de ioni slab acizi și slab bazici depinde în mare măsură de pH.

Gradul de utilizare a capacității de schimb a schimbătorului de ioni depinde de mărimea și forma boabelor. De obicei, granulele sunt în intervalul 0,5-1 mm. Forma boabelor depinde de metoda de preparare a schimbătorului de ioni. Ele pot avea formă sferică sau neregulată. Granulele sferice sunt de preferat - oferă condiții hidrodinamice mai bune și viteză mare a procesului. Se mai folosesc schimbatoare de ioni cu boabe cilindrice, fibroase si altele. Cu cât boabele sunt mai fine, cu atât capacitatea de schimb a schimbătorului de ioni este mai bună, dar în același timp, în funcție de echipamentul utilizat, fie crește rezistența hidraulică a stratului de sorbant, fie îndepărtarea granulelor mici ale schimbătorului de ioni de către soluția crește. Transferul poate fi evitat prin utilizarea unor schimbătoare de ioni care conțin un aditiv feromagnetic. Acest lucru vă permite să păstrați materialul cu granulație fină în suspensie în zonă - câmpul magnetic prin care se mișcă soluția.

Schimbătoarele de ioni trebuie să aibă rezistență mecanică și rezistență chimică, adică nu trebuie să fie distruse ca urmare a umflării și funcționării în soluții apoase. În plus, ar trebui să fie regenerate cu ușurință, păstrându-și astfel proprietățile active pentru o lungă perioadă de timp și funcționând fără schimbare timp de câțiva ani.

Vă mulțumesc anticipat pentru răspuns.

C100E este o rășină schimbătoare de cationi cu acid puternic de tip gel, cu capacitate mare de schimb, stabilitate chimică și fizică și performanță excelentă. C100E reține eficient particulele în suspensie și, de asemenea, sub formă acidă (H +), elimină ionii de fier și mangan.

Capacitatea mare de schimb face posibila obtinerea apei cu o duritate totala de ordinul a 0,05 meq/l, iar cinetica excelenta de schimb ionic face posibila realizarea unor debite mari. La utilizarea C100E, alunecarea ionilor care provoacă duritatea apei în condiții normale de funcționare, de regulă, nu depășește 1% din duritatea totală a sursei de apă. În acest caz, capacitatea de schimb a rășinii practic nu se modifică, cu condiția ca proporția ionilor monovalenți să nu depășească 25%.

C100E este insolubil în soluții acide și alcaline și în toți solvenții organici obișnuiți. Prezența agenților oxidanți reziduali (cum ar fi ionii de clor liber sau hipoclorit) în apă poate reduce rezistența mecanică a particulelor de rășină schimbătoare de cationi. C100E este stabil termic până la o temperatură de 150°C, totuși, la temperaturi ridicate, capacitatea de schimb a rășinii schimbătoare de cationi în formă acidă (H+) scade.

Specificații

Proprietăți fizice
	particule sferice transparente de culoare gălbuie
Formular de livrare
Greutate în vrac, g/cm3
Greutate specifică, g/cm3
Coeficient de uniformitate
Dimensiunea granulelor, mm (plasă)
Capacitate de schimb, g-eq/l
Umflarea Na + → H + , max, %
Umflarea Ca 2+ → Na + , max, %
Condiții de aplicare
	6 - 10 (forma Na)
Temperatura maxima de functionare, °C
Înălțimea stratului, cm (in)
Debit de funcționare, volum de rășină/oră
Expansiunea stratului în modul de spălare în contra, %
Concentrația soluției de NaCl, %
Consum de sare pentru regenerare, gr. NaCl/l rășină

O SCURTĂ DESCRIERE A
spațiu liber deasupra descărcarii - 50%
granulație 0,6 mm până la 90%
Greutate vrac 820gr/l
Conținut de apă (umiditate) 42-48%
Capacitate totală până la 2 g eq/l
temperatura de funcționare de la 4 - 120 0 С
pH-ul apei 0 - 14
tranziția ionilor de Na la H - 8%
inaltimea stratului de la 0,8 - 2m
viteza de serviciu de la 5 - 40m/h
viteză specifică de serviciu 20 oz/oră
viteza de spalare in contra-spalare la 20 C de la 10 - 12m/h
volum de apă pentru spălare în contra cu o încărcătură nouă de 20 oz
volumul apei de spălare în contrasens 4 oz
volum de apă pentru spălarea lentă a sării 4oz
consumul de sare în timpul regenerării la 1 litru de încărcătură - 150g
duritate reziduală - 0,5mg echiv/l
pierdere specifică de presiune în kPa m 2 înălțime de încărcare - 1
pierdere de presiune de 11mbar la 4°C la 1m înălțime de încărcare
viteza de regenerare - 5m/h
viteza la spalarea cu sare cu apa - 5m/h

CONDIȚII DE APLICARE
lipsa fierului oxidat (Fe 3+) în apă
lipsa oxigenului dizolvat în apă
lipsa materiei organice din apa
absența oricăror agenți oxidanți în apă
după sodiu - înmuiere, alcalinitatea totală și reziduul uscat vor crește.
agenții oxidanți puternici precum acidul azotic pot provoca reacții violente
solide în suspensie în apă sursă până la 8 mg/l
culoarea apei sursei până la 30 0 С
turbiditatea apei sursei până la 6 mg/l
duritatea totală a apei sursei de până la 15 mg echiv/l

Mai jos sunt metodele de calcul a capacității de schimb și alți parametri ai schimbătorului de cationi.

Capacitatea de schimb de lucru a cationitului E f g÷eq / m3, poate fi exprimată prin următoarea formulă:

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

Volumul cationitului încărcat în filtru în stare umflată este exprimat prin formula:

Formula pentru determinarea capacității de schimb de lucru a schimbătorului de cationi ep, g÷eq / m 3:

ep \u003d Q x W / S x h;

unde W este duritatea apei sursei, g÷eq/m3; Q - cantitatea de apă dedurizată, m 2; S este aria filtrului de cationiți, m2; h este înălțimea stratului de cationit, m.

Notând viteza de mișcare a apei în schimbătorul de cationi ca v k , cantitatea de apă dedurizată Q poate fi găsită folosind următoarea formulă:

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

din care se poate calcula durata de funcționare a filtrului de cationiți Tk:

Tk = ep x h/v k x W.

De asemenea, este posibil să se calculeze capacitatea de schimb a schimbătorului de cationi folosind grafice de corelare.

Pe baza datelor practice aproximative, filtrul dvs. va putea curăța nu mai mult de 1500 de litri. apă. Pentru calcule mai precise, trebuie să cunoașteți cantitatea (volumul) de rășină din filtrul dvs. și capacitatea de schimb de lucru a rășinii dvs. (pentru rășinile schimbătoare de cationi, capacitatea de lucru variază de la 600 la 1500 meq/l). Cunoscând aceste date, puteți calcula cu ușurință cantitatea exactă de apă dedurizată conform formulelor dvs.