Jonska izmjena– proces razmene jona čvrstog matriksa ( jonit ) sa jonima vode.

Jonska izmjena je jedna od glavnih metoda prečišćavanja vode od jonskih kontaminanata, duboko desalinizacija vode. Prisutnost raznovrsnih materijala za ionsku izmjenu omogućava rješavanje problema prečišćavanja vode različitih hemijskih sastava sa visokom efikasnošću. Ovo je jedina metoda koja omogućava selektivno izdvajanje određenih komponenti iz otopine, na primjer soli tvrdoće i teških metala.

joniti –čvrste nerastvorljive supstance koje sadrže funkcionalne (jonogene) grupe koje su sposobne za jonizaciju u rastvorima i razmenu jona sa elektrolitima. Tokom jonizacije funkcionalnih grupa nastaju dvije vrste jona: jedni su čvrsto vezani za okvir (matriks) R ionskog izmjenjivača, drugi su suprotnog predznaka (konterioni), sposobni da pređu u otopinu u zamjenu za ekvivalent količina drugih jona istog predznaka iz rastvora.

Jonski izmjenjivači su podijeljeni prema svojstvima jonogenih grupa u četiri glavna tipa:

• amfoliti;
• selektivni jonski izmjenjivači.

Po prirodi matrice dijele se na:

• anorganski ionski izmjenjivači;
• organski izmjenjivači jona.

Kationski izmjenjivači– jonski izmjenjivači sa anjonima ili anionizmjenjivačkim grupama fiksiranim na matrici, razmjenjujući katjone sa vanjskom okolinom.

Ako je kationski izmjenjivač bio u vodikovom H + - obliku, tada se ekstrahuju svi kationi prisutni u vodi. Prečišćena otopina je kisela.

Kada se kroz kationski izmjenjivač kreće otopina koja sadrži mješavinu kationa, kao što su Na, Ca, Mg, Fe (prirodna voda), u njegovom sloju se formiraju frontovi sorpcije svakog kationa i dolazi do njihovog neistovremenog probijanja u filtrat. Prečišćavanje je završeno kada se glavni ekstrahirani ili kontrolirani ion pojavi u filtratu.

Anionski izmjenjivači– jonski izmjenjivači sa katjonima ili katjono-izmjenjivačkim grupama fiksiranim na matriksu, razmjenjujući anjone sa vanjskom okolinom.

Ako je anionski izmjenjivač u hidroksil OH – - obliku, tada se, u pravilu, isporučuje otopina za pročišćavanje od aniona nakon kontakta s kationskim izmjenjivačem u H + - obliku, koji ima kiselu reakciju.

U tom slučaju se ekstrahuju svi anioni prisutni u rastvoru. Pročišćena otopina ima neutralnu reakciju.

Kada se rastvor koji sadrži mešavinu anjona, kao što su Cl, SO 4 , PO 4 , NO 3 , propušta kroz anjonski izmenjivač, u njegovom sloju se formiraju sorpcioni frontovi svakog jona i dolazi do njihovog neistovremenog prodiranja u filtrat. Prečišćavanje vode završava kada se ekstrahirajući jon pojavi u filtratu.

Amfoliti sadrže fiksne katjonoizmjenjivačke i anjono-izmjenjivačke grupe, a pod određenim uvjetima djeluju ili kao kationski ili anjonski izmjenjivači. Koristi se za obradu tehnoloških rješenja.

Selektivni jonski izmjenjivači sadrže posebno odabrane ionogene grupe koje imaju visok afinitet za jedan ili grupu jona. Mogu se koristiti za pročišćavanje vode od određenih jona, kao što su bor, teški metali ili radionuklidi.

Glavne karakteristike jonskih izmjenjivača su:

• kapacitet razmene;
• selektivnost;
• mehanička čvrstoća;
• osmotska stabilnost;
• hemijska stabilnost;
• temperaturna stabilnost;
• granulometrijski (frakcioni) sastav.

Kapacitet razmjene

Za kvantitativno karakterizaciju jonskih i sorpcijskih svojstava jonskih izmjenjivača koriste se sljedeće veličine: ukupni, dinamički i radni kapacitet izmjene.

Ukupan kapacitet razmene(POE) određuje se brojem funkcionalnih grupa sposobnih za ionsku izmjenu po jedinici mase zračno suhog ili nabubrelog ionskog izmjenjivača i izražava se u mEq/g ili mEq/L. To je konstantna vrijednost, koja je naznačena u pasošu ionskog izmjenjivača i ne ovisi o koncentraciji ili prirodi izmijenjenog jona. POE može da se promeni (smanji) zbog toplotnog, hemijskog ili izlaganja radijaciji. U realnim radnim uslovima, POE se vremenom smanjuje zbog starenja matrice jonskog izmenjivača i nepovratne apsorpcije otrovnih jona (organskih, gvožđa, itd.) koji blokiraju funkcionalne grupe.

Ravnotežni (statički) kapacitet izmjene ovisi o koncentraciji jona u vodi, pH vrijednosti i omjeru volumena jonskog izmjenjivača i otopine tokom mjerenja. Neophodan za izvođenje proračuna tehnoloških procesa.

Kapacitet dinamičke razmjene (DEC) najvažniji pokazatelj u procesima tretmana vode. U realnim uslovima ponovne upotrebe jonskog izmenjivača u ciklusu sorpcije-regeneracije, kapacitet razmene se ne koristi u potpunosti, već samo delimično. Stepen iskorišćavanja određen je metodom regeneracije i utroškom regenerativnog sredstva, vremenom kontakta ionskog izmjenjivača sa vodom i regeneracijskim sredstvom, koncentracijom soli, pH, dizajnom i hidrodinamikom aparata koji se koristi. Slika to pokazuje proces prečišćavanja vode se zaustavljaut pri određenoj koncentraciji graničnog jona, po pravilu, mnogo prije nego što je ionski izmjenjivač potpuno zasićen. Broj apsorbiranih jona u ovom slučaju, koji odgovara površini pravokutnika A, podijeljen s volumenom ionskog izmjenjivača, bit će DOE. Broj apsorbiranih iona koji odgovara potpunom zasićenju kada je proboj 1, što odgovara zbiru DEC-a i površine zasjenjene figure iznad krivulje u obliku slova S, naziva se ukupni dinamički kapacitet izmjene (TDEC). U tipičnim procesima obrade vode, DFU obično ne prelazi 0,4–0,7 PFU.

Selektivnost. Selektivnost se podrazumijeva kao sposobnost selektivne sorbcije jona iz otopina složenog sastava. Selektivnost je određena vrstom jonogenih grupa, brojem poprečnih veza matrice jonskog izmenjivača, veličinom pora i sastavom rastvora. Za većinu jonskih izmjenjivača, selektivnost je niska, ali su razvijeni posebni uzorci koji imaju visoku sposobnost ekstrakcije određenih jona.

Mehanička čvrstoća pokazuje sposobnost izmjenjivača jona da izdrži mehanička opterećenja. Jonski izmjenjivači se ispituju na habanje u specijalnim mlinovima ili težinom tereta koji uništava određeni broj čestica. Svi polimerizacijski jonski izmjenjivači imaju visoku čvrstoću. Za polikondenzacijske je znatno niža. Povećanje stepena umrežavanja polimera povećava njegovu snagu, ali pogoršava brzinu jonske razmene.

Osmotska stabilnost. Najveće uništavanje čestica jonskog izmjenjivača događa se kada se promijene karakteristike sredine u kojoj se nalaze. Budući da su svi ionski izmjenjivači strukturirani gelovi, njihov volumen ovisi o sadržaju soli, pH medija i jonskom obliku ionskog izmjenjivača. Kada se ove karakteristike promene, menja se i zapremina zrna. Zbog osmotskog efekta, volumen zrna u koncentriranim otopinama je manji nego u razrijeđenim. Međutim, ova promjena se ne dešava istovremeno, već kako se koncentracije „novog“ rastvora snižavaju po zapremini zrna. Stoga se vanjski sloj skuplja ili širi brže od jezgra čestice; Nastaju velika unutrašnja naprezanja i gornji sloj se lomi ili se cijelo zrno cijepa. Ovaj fenomen se naziva "osmotski šok". Svaki jonski izmjenjivač je sposoban izdržati određeni broj ciklusa takvih promjena karakteristika okoliša. To se zove njegova osmotska snaga ili stabilnost. Najveća promjena volumena se javlja kod slabo kiselih kationskih izmjenjivača. Prisustvo makropora u strukturi zrna jonskog izmenjivača povećava njegovu radnu površinu, ubrzava prekomerno bubrenje i omogućava pojedinim slojevima da „dišu“. Stoga su osmotski najstabilniji jako kiseli kationski izmjenjivači s makroporoznom strukturom, a osmotski najmanje stabilni slabo kiseli kationski izmjenjivači. Osmotska stabilnost se definiše kao broj celih zrna podeljen sa njihovim ukupnim početnim brojem, nakon ponovljenog (150 puta) tretmana uzorka jonskog izmenjivača naizmenično u rastvoru kiseline i lužine uz međupranje demineralizovanom vodom.

Hemijska stabilnost. Svi ionski izmjenjivači imaju određenu otpornost na otopine kiselina, lužina i oksidirajućih sredstava. Svi polimerizacioni jonski izmenjivači imaju veću hemijsku otpornost od polikondenzacionih. Kationski izmjenjivači su otporniji od anjonskih izmjenjivača. Među anjonskim izmjenjivačima, slabo bazni su otporniji na kiseline, lužine i oksidirajuća sredstva od jako baznih.

Temperaturna stabilnost katjonski izmjenjivači su veći od anjonskih izmjenjivača. Kationski izmjenjivači slabe kiseline rade na temperaturama do 130 °C, jake kiseline tipa KU-2-8 - do 100–120 °C, a većina anionskih izmjenjivača - ne više od 60, maksimalno 80 °C. po pravilu H- ili
OH oblici jonskih izmjenjivača su manje stabilni od oblika soli.

Frakcijski sastav. Sintetički izmjenjivači jona tipa polimerizacije proizvode se u obliku sfernih čestica veličine od 0,3 do 2,0 mm. Polikondenzacijski jonski izmjenjivači se proizvode u obliku drobljenih čestica nepravilnog oblika veličine 0,4-2,0 mm. Standardni ionski izmjenjivači tipa polimerizacije imaju veličine od 0,3 do 1,2 mm. Prosječna veličina polimerizacijskih izmjenjivača jona je od 0,5 do 0,7 mm (sl.). Koeficijent heterogenosti nije veći od 1,9. Ovo osigurava prihvatljivu hidrauličku otpornost sloja. Za procese u kojima su ionski izmjenjivači korišteni u fluidiziranom sloju, u SSSR-u su se proizvodili u obliku 2 klase veličine: klase A veličine 0,6–2,0 mm i klase B veličine 0,3–1,2 mm.

U inostranstvu, koristeći specijalne tehnologije, proizvode jonske izmenjivače monosfernog tipa Purofin, Amberjet, Marathon, koji imaju čestice vrlo malog raspona veličina: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (Sl.). Ovakvi jonski izmjenjivači imaju veći kapacitet izmjene, osmotsku i mehaničku stabilnost. Slojevi monosfernih ionskih izmjenjivača imaju manji hidraulički otpor, a mješoviti slojevi takvih kationskih i anionskih izmjenjivača su mnogo bolje odvojeni.

Rice. Krivulje raspodjele veličine čestica za standard ( 1 ) i monosferni ( 2 ) joniti ( A) i fotografije takvih izmjenjivača jona ( b)

Značajan broj procesa koji se dešavaju u prirodi i praksi su jonska izmjena. Jonska izmjena je u osnovi migracije elemenata u tlu i tijelu životinja i biljaka. U industriji se koristi za odvajanje i proizvodnju supstanci, desalinizaciju vode, tretman otpadnih voda, koncentriranje rastvora itd. Jonska izmjena može se odvijati kako u homogenom rastvoru tako i u heterogenom sistemu. U ovom slučaju, pod jonska izmjena razumiju heterogeni proces kojim se odvija razmjena između jona u otopini i u čvrstoj fazi, tzv jonski izmjenjivač ili jonski izmjenjivač. Jonski izmjenjivač apsorbira ione iz otopine i zauzvrat otpušta ione uključene u njegovu strukturu u otopinu.

3.5.1. Klasifikacija i fizička i hemijska svojstva jonskih izmjenjivača

Jonski izmjenjivači, jonski izmjenjivači To su polielektroliti koji se sastoje od matrice– stacionarne grupe atoma ili molekula (visokomolekularni lanci) sa aktivnim vezanim za njih jonogene grupe atoma koji obezbeđuju njegovu sposobnost izmene jona. Jonske grupe, pak, sastoje se od nepokretnih jona povezanih sa matriksom silama hemijske interakcije, i ekvivalentnog broja mobilnih jona sa suprotnim nabojem - kontrajoni. Protuioni se mogu kretati pod djelovanjem gradijenta koncentracije i mogu se zamijeniti za jone iz otopine s istim nabojem. U sistemu jonski izmenjivač - rastvor elektrolita, uz raspodelu izmenjenih jona, dolazi i do preraspodele molekula rastvarača između ovih faza. Zajedno sa rastvaračem određena količina prodire u jonski izmjenjivač. koions(joni istog znaka naelektrisanja sa fiksnim). Pošto se održava električna neutralnost sistema, ekvivalentna količina kontrajona dodatno prolazi u jonski izmenjivač zajedno sa kojonima.

U zavisnosti od toga koji su joni mobilni, jonski izmenjivači se dele na kationske i anjonske izmenjivače.

Kationski izmjenjivači sadrže nepokretne anione i izmjenjivačke katione, karakteriziraju ih kisela svojstva - mobilni vodikov ili metalni ion. Na primjer, kationski izmjenjivač R / SO 3 - H + (ovdje je R strukturna osnova sa fiksnom funkcionalnom grupom SO 3 - i protujonom H +). Na osnovu vrste katjona sadržanih u kationskom izmjenjivaču, naziva se H-katjonski izmjenjivač, ako su svi njegovi pokretni katjoni predstavljeni samo vodonikom, ili Na-katjonskim izmjenjivačem, Ca-katjonskim izmjenjivačem itd. Označeni su RH, RNa, R 2 Ca, gdje je R okvir sa fiksnim dijelom aktivne grupe katjonoizmjenjivačke smole. Kationski izmenjivači sa fiksnim funkcionalnim grupama –SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2- itd.

Anionski izmjenjivači sadrže nepokretne katione i izmjenjivačke anione, karakteriziraju ih osnovna svojstva mobilnog hidroksidnog iona ili jona kiselog ostatka. Na primjer, anionski izmjenjivač R / N(CH 3) 3 + OH -, sa funkcionalnom grupom -N(CH 3) 3 + i protujonom OH -. Anjonski izmjenjivač može biti u različitim oblicima, poput kationskog izmjenjivača: OH-anjonski izmjenjivač ili ROH, SO4-anjonski izmjenjivač ili RSO 4, gdje je R okvir sa fiksnim dijelom aktivne grupe anjonskog izmjenjivača. Najčešće se koriste anjonski izmjenjivači sa fiksnim grupama – +, - +, NH 3 +, NH + itd.

U zavisnosti od stepena disocijacije aktivne grupe katjonske izmenjivačke smole, a prema tome i sposobnosti jonske izmene, katjonske izmenjivačke smole se dele na jaka kiselina i slaba kiselina. Tako je aktivna grupa –SO 3 H potpuno disocirana, pa je moguća izmjena jona u širokom pH rasponu; kationski izmjenjivači koji sadrže sulfonske grupe klasificirani su kao jako kiseli. Kationski izmjenjivači srednje snage uključuju smole sa grupama fosforne kiseline. Štoviše, za dvobazne grupe sposobne za postepenu disocijaciju, samo jedna od grupa ima svojstva kiseline srednje jačine, druga se ponaša kao slaba kiselina. Budući da se ova grupa praktički ne disocira u jako kiseloj sredini, preporučljivo je koristiti ove ionske izmjenjivače u blago kiselim ili alkalnim sredinama, na pH4. Slabo kiseli kationski izmenjivači sadrže karboksilne grupe, koje su blago disocirane čak i u slabo kiselim rastvorima, njihov radni opseg je na pH5. Postoje i bifunkcionalni kationski izmjenjivači koji sadrže i sulfo grupe i karboksilne grupe ili sulfo i fenolne grupe. Ove smole rade u jako kiselim otopinama, a pri visokoj alkalnosti dramatično povećavaju svoj kapacitet.

Slično kao kationski izmjenjivači, anjonski izmjenjivači se dijele na visoka osnovna i niska osnovna. Visoko bazični anjonski izmjenjivači sadrže dobro disocirane kvarterne amonijeve ili piridinske baze kao aktivne grupe. Takvi anjonski izmjenjivači su sposobni razmjenjivati ​​anjone ne samo u kiselim već iu alkalnim otopinama. Srednje i niskobazni anjonski izmjenjivači sadrže primarne, sekundarne i tercijarne amino grupe, koje su slabe baze, njihov radni opseg je pH89.

Koriste se i amfoterni jonoizmjenjivači - amfoliti, koji uključuju funkcionalne grupe sa svojstvima i kiselina i baza, na primjer, grupe organskih kiselina u kombinaciji sa amino grupama. Neki jonski izmjenjivači, pored svojstava jonske izmjene, imaju svojstva kompleksiranja ili redoks. Na primjer, ionski izmjenjivači koji sadrže ionogene amino grupe daju komplekse s teškim metalima, čije se stvaranje događa istovremeno s ionskom izmjenom. Jonska izmjena može biti praćena kompleksiranjem u tečnoj fazi podešavanjem njene pH vrijednosti, što omogućava odvajanje jona. Izmjenjivači elektronskih jona koriste se u hidrometalurgiji za oksidaciju ili redukciju jona u otopinama uz njihovu istovremenu sorpciju iz razrijeđenih otopina.

Proces desorpcije jona apsorbovanog na jonskom izmenjivaču naziva se elucija, u ovom slučaju jonski izmjenjivač se regeneriše i prenosi u početni oblik. Kao rezultat eluiranja apsorbiranih jona, pod uslovom da je jonski izmjenjivač dovoljno „opterećen“, dobijaju se eluati s koncentracijom jona 100 puta većom nego u originalnim otopinama.

Neki prirodni materijali imaju svojstva jonske izmjene: zeoliti, drvo, celuloza, sulfonirani ugalj, treset itd., ali se gotovo nikad ne koriste u praktične svrhe, jer nemaju dovoljno visok kapacitet izmjene ili stabilnost u obrađenim sredinama. Najrasprostranjeniji organski izmjenjivači jona su sintetičke ionizmjenjivačke smole, koje su čvrsta visokomolekularna polimerna jedinjenja koja sadrže funkcionalne grupe sposobne za elektrolitičku disocijaciju, zbog čega se nazivaju polielektroliti. Sintetiziraju se polikondenzacijom i polimerizacijom monomera koji sadrže potrebne jonske grupe, ili dodavanjem ionskih grupa pojedinačnim jedinicama prethodno sintetiziranog polimera. Polimerne grupe su hemijski povezane jedna s drugom, ušivene u okvir, odnosno u trodimenzionalnu prostornu mrežu zvanu matrica, uz pomoć supstance koja s njima stupa u interakciju - kres agenta. Divinilbenzen se često koristi kao umrežavalac. Podešavanjem količine divinilbenzena, moguće je promijeniti veličinu ćelija smole, što omogućava dobivanje ionskih izmjenjivača koji selektivno apsorbiraju bilo koji kation ili anion zbog “efekta sita”; joni koji imaju veličinu veću od ćelije veličine ne apsorbira smola. Za povećanje veličine ćelije koriste se reagensi s većim molekulama od vinilbenzena, na primjer, dimetakrilati etilen glikola i bifenola. Korišćenjem telogena, supstanci koje sprečavaju stvaranje dugih linearnih lanaca, postiže se povećana permeabilnost jonskih izmenjivača. Pore ​​se pojavljuju na mjestima gdje su lanci prekinuti, zbog čega ionski izmjenjivači dobijaju pokretljiviji okvir i jače bubre u kontaktu s vodenim rastvorom. Kao telogeni koriste se tetrahlorid ugljenika, alkilbenzeni, alkoholi itd. Ovako dobijene smole imaju gel strukture ili mikroporozna. Za dobijanje makroporozna Organski rastvarači, kao što su viši ugljovodonici, kao što su izooktan i alkoholi, dodaju se u reakcionu smešu. Otapalo je zarobljeno polimerizirajućom masom, a nakon što je formiranje okvira završeno, oddestilira se, ostavljajući velike pore u polimeru. Tako se jonski izmjenjivači prema svojoj strukturi dijele na makroporozne i gel.

Makroporozni ionski izmjenjivači imaju bolje karakteristike kinetičke izmjene u odnosu na gel, jer imaju razvijenu specifičnu površinu od 20-130 m 2 /g (za razliku od gelskih koji imaju površinu od 5 m 2 /g) i velike pore - 20-100 nm, što olakšava heterogenu razmjenu jona koja se javlja na površini pora. Tečaj značajno zavisi od poroznosti zrna, iako obično ne utiče na njihov razmjenski kapacitet. Što je veći volumen i veličina zrna, to je brža unutrašnja difuzija.

Gel smole za jonsku izmjenu sastoje se od homogenih zrnaca koja, kada se osuše, nemaju pore i nepropusna su za jone i molekule. Postaju propusni nakon bubrenja u vodi ili vodenim otopinama.

Bubrenje jonskih izmjenjivača

Oticanje je proces postepenog povećanja volumena ionskog izmjenjivača smještenog u tekući rastvarač zbog prodiranja molekula rastvarača duboko u ugljovodonični okvir. Što više jonski izmjenjivač nabubri, to se brže odvija ionska izmjena. Oticanje okarakterisan oticanje težine- količina apsorbirane vode po 1 g suhog jonskog izmjenjivača odn koeficijent bubrenja- odnos specifičnih zapremina nabubrenog jonskog izmenjivača i suvog. Često se volumen smole tokom procesa bubrenja može povećati 10-15 puta. Bubrenje visokomolekularne smole je veće, što je niži stepen umrežavanja njenih sastavnih jedinica, odnosno što je manje kruta njena makromolekularna mreža. Većina standardnih ionskih izmjenjivača sadrži 6-10% divinilbenzena (ponekad 20%) u kopolimerima. Kada se za umrežavanje umjesto divinilbenzena koriste dugolančani agensi, dobijaju se visokopropusni makromrežasti jonski izmjenjivači na kojima se ionska izmjena odvija velikom brzinom. Osim strukture matrice, na bubrenje jonskog izmjenjivača utječe i prisustvo hidrofilnih funkcionalnih grupa u njemu: što je više hidrofilnih grupa, ionski izmjenjivač više bubri. Osim toga, jonski izmjenjivači koji sadrže jednonabijene protujone jače bubre, za razliku od dvostruko i trostruko nabijenih.U koncentriranim otopinama bubrenje se javlja u manjoj mjeri nego u razrijeđenim. Većina neorganskih izmjenjivača jona uopće ne bubri ili gotovo ne bubri, iako upija vodu.

Kapacitet jonskog izmenjivača

Kapacitet ionske izmjene sorbenata karakterizira njihov kapacitet razmene, u zavisnosti od broja funkcionalnih ionogenih grupa po jedinici mase ili zapremine jonskog izmenjivača. Izražava se u miliekvivalentima po 1 g suhog ionskog izmjenjivača ili u ekvivalentima po 1 m 3 ionskog izmjenjivača i za većinu industrijskih ionskih izmjenjivača je u rasponu od 2-10 meq/g. Ukupan kapacitet razmene(POE) – maksimalni broj jona koji može da apsorbuje jonski izmenjivač kada je zasićen. Ovo je konstantna vrijednost za dati jonski izmjenjivač, koja se može odrediti i u statičkim i u dinamičkim uvjetima.

U statičkim uslovima, pri kontaktu sa određenom zapreminom rastvora elektrolita, odrediti ukupni statički kapacitet razmene(PSOE), i ravnotežni statički razmjenski kapacitet(PCOE), koji varira u zavisnosti od faktora koji utiču na ravnotežu (volumen rastvora, njegov sastav, koncentracija, itd.). Ravnoteža između jonita i rastvora odgovara jednakosti njihovih hemijskih potencijala.

U dinamičkim uslovima, uz kontinuiranu filtraciju rastvora kroz određenu količinu jonskog izmenjivača, dinamički kapacitet razmene– broj jona koje apsorbuje jonski izmjenjivač prije proboja sorbiranih jona (DOE), puni kapacitet dinamičke razmjene dok se jonski izmjenjivač potpuno ne iscrpi (PDOE). Kapacitet prije proboja (radni kapacitet) određen je ne samo svojstvima jonskog izmjenjivača, već zavisi i od sastava inicijalne otopine, brzine njegovog prolaska kroz sloj ionskog izmjenjivača, visine (dužine) jona. sloj izmjenjivača, stepen njegove regeneracije i veličina zrna.

Radni kapacitet je određen izlaznom krivom na sl. 3.5.1

S 1 – radni kapacitet razmene, S 1 + S 2 – ukupni dinamički kapacitet razmene.

Kada se vrši eluiranje u dinamičkim uslovima, kriva elucije izgleda kao kriva prikazana na Sl. 3.5.2

Tipično, DOE prelazi 50% PDOE za jako kisele i jako bazne ionske izmjenjivače i 80% za slabo kisele i slabo bazične ionske izmjenjivače. Kapacitet jako kiselih i jako baznih ionskih izmjenjivača ostaje gotovo nepromijenjen u širokom rasponu pH otopina. Kapacitet slabo kiselih i slabo bazičnih ionskih izmjenjivača uvelike ovisi o pH.

Stepen iskorišćenosti izmenjivog kapaciteta jonskog izmenjivača zavisi od veličine i oblika zrna. Obično su veličine zrna u rasponu od 0,5-1 mm. Oblik zrna zavisi od načina pripreme jonskog izmenjivača. Mogu biti sfernog ili nepravilnog oblika. Poželjna su sferna zrna - obezbeđuju bolje hidrodinamičke uslove i veću brzinu procesa. Koriste se i jonski izmjenjivači sa cilindričnim zrnima, vlaknasti i drugi. Što su zrna finija, to je bolji kapacitet izmjene jonskog izmjenjivača, ali istovremeno, ovisno o korištenoj opremi, ili hidraulički otpor sloja sorbenta ili uvlačenje sitnih zrna ionskog izmjenjivača otopinom povećava. Uvlačenje se može izbjeći korištenjem ionskih izmjenjivača koji sadrže feromagnetni aditiv. Ovo omogućava da se finozrnati materijal drži u suspenziji u zoni magnetnog polja kroz koju se rastvor kreće.

Ionski izmjenjivači moraju imati mehaničku čvrstoću i kemijsku stabilnost, odnosno ne biti uništeni kao rezultat bubrenja i rada u vodenim otopinama. Osim toga, trebalo bi ih lako regenerirati, čime će zadržati svoja aktivna svojstva dugo vremena i raditi bez zamjene nekoliko godina.

Određivanje dinamičkog kapaciteta razmjene

i ukupni kapacitet dinamičke izmjene kationskog izmjenjivača

Sposobnost jonskih izmjenjivača za razmjenu jona karakteriše izmjenjivački kapacitet, tj. broj funkcionalnih grupa koje učestvuju u razmeni, koji se izražava u ekvivalentnim jedinicama i odnosi se na jedinicu broja jonskih izmenjivača. Kapacitet razmjene može se odrediti i u statičkim i u dinamičkim uslovima, stoga postoje koncepti statičkog razmjenskog kapaciteta i dinamičkog razmjenskog kapaciteta.

Cilj rada: odrediti kapacitet izmjene kationskog izmjenjivača u dinamičkim uvjetima (DOE i PDOE).

DEC (dinamički kapacitet razmene) – kapacitet razmene jonskog izmenjivača, određen pojavom datog jona u rastvoru koji teče iz kolone („probojom“) (mg-eq/dm 3).

PDEC (ukupni dinamički kapacitet izmjene) određuje se potpunim prestankom ekstrakcije datog jona iz otopine, tj. u trenutku izjednačavanja koncentracije apsorbovanog jona u rastvoru i filtrata pri prolasku rastvora kroz kolonu sa jonskim izmenjivačem (mg-eq/dm 3).

Suština dinamičke metode za određivanje kapaciteta izmjene je da se otopina zasićenog jona kontinuirano propušta kroz zbijeni sloj ionskog izmjenjivača koji se nalazi u koloni dok se ne uspostavi sorpcijska ravnoteža između početnog rastvora i sorbenta. Kako otopina prolazi kroz kolonu, u njoj se formira sorpcijski sloj, tj. u njegovom gornjem dijelu dolazi do potpunog zasićenja jonskog izmjenjivača, zatim se front sorpcije pomiče niz stub. Kada prednja strana dođe do kraja kolone, zasićeni jon „procuri“ u filtrat.

Od trenutka formiranja zasićenog sloja dolazi do sorpcije u načinu paralelnog prenosa fronta sorpcije. Daljnji prijenos početnog rješenja dovodi do toga da se postiže potpuno zasićenje u cijeloj debljini sorbenta, tj. dolazi balans. Od tog vremena, koncentracija filtrata postaje jednaka koncentraciji izvorne otopine.

U ovom radu se kao zasićeni jon koristi ion bakra (bakar sulfat). U ovom slučaju, reakcija jonske izmjene u koloni je:

CuSO 4 + 2HR = CuR 2 + H 2 SO 4

“Proboj” jona bakra u filtrat se određuje kvalitativnom reakcijom za Cu 2+ s otopinom amonijaka. U ovom slučaju dolazi do reakcije:

2CuSO 4 + 2NH 4 OH = ↓(CuOH) 2 SO 4 + (NH 4) 2 SO 4

(

jarko plavi kompleks

Reagensi i oprema

Bakar sulfat, 0,05 N rastvor.

Kalijum jodid KJ, 20% rastvor.

natrijum tiosulfat Na 2 S 2 O 3,

0,05N rastvor.

Škrob, 1% rastvor.

Sumporna kiselina, 2N rastvor

Kationska izmjenjivačka smola KU-2.

Staklena hromatografska kolona sa slavinom dužine 20 cm, prečnika 1 - 1,5 cm.

Hemijski tronožac sa nogama.

Merni cilindar za 25 ml – 10 kom.

Konusna tikvica za titraciju 250 ml – 2 kom.

25 ml titraciona bireta.

Pipete 2, 5 i 10 ml

Napredak analize

Kolona se puni unapred pripremljenim kationskim izmenjivačem, striktno poštujući zahteve ujednačenog i gustog pakovanja. Stub je postavljen strogo okomito na tronožac. Okretanjem slavine podešava se željeni protok (3...4 ml/min). Prilikom izvođenja analize potrebno je osigurati da iznad sloja kationskog izmjenjivača uvijek postoji sloj tekućine i da se u koloni ne stvaraju mjehurići zraka i da kationski izmjenjivač ne ispliva.

1. Određivanje zapremine rastvora koji je prošao kroz jonski izmenjivač do proboja

Rastvor bakar sulfata se kontinuirano propušta kroz kolonu, sakupljajući filtrat koji teče iz kolone u čašu. Povremeno se nekoliko kapi filtrata unosi u ploču za kapljanje i provodi se kvalitativna reakcija na prisustvo iona bakra. Pojava svijetlo plave boje ukazuje na "proboj" jona bakra u filtrat. Koristeći graduirani cilindar, izmjerite zapreminu filtrata prikupljenog prije „proboja“ jona bakra i zabilježite ga (V proboj).

2. Određivanje zapremine rastvora propuštenog kroz jonski izmenjivač

dok se koncentracije ne izjednače

Nakon što dođe do „proboja“, rastvor bakar sulfata nastavlja da teče, ali se filtrat koji teče iz kolone sakuplja u mernim cilindrima u porcijama od 25 ml. U svakom dijelu filtrata, jodometrijskom titracijom određuje se sadržaj iona bakra.

Da biste to učinili, uzmite alikvot filtrata (10 ml), prebacite ga u titracionu tikvicu, dodajte 4 ml 2N rastvora sumporne kiseline i 10 ml 20% rastvora kalijum jodida. Titrirati sa 0,05 N rastvorom natrijum tiosulfata dok rastvor ne postane svetlo žut, zatim dodati 3-4 kapi škroba i nastaviti titraciju dok plavi rastvor ne promeni boju. (Ako rastvor ima svetlo žutu boju nakon dodavanja kalijum jodida, odmah se dodaje skrob).

Propuštanje rastvora bakar sulfata kroz kolonu se prekida nakon što je sadržaj jona bakra u filtratu jednak njegovoj koncentraciji u originalnom rastvoru. Zabilježite volumen rastvora koji je prošao kroz kolonu dok se koncentracije ne izjednače (V pun).

Na kraju eksperimenta, katjonski izmjenjivač se regeneriše propuštanjem 150 ml 5% rastvora hlorovodonične kiseline kroz kolonu. Potpunost regeneracije provjerava se kvalitativnom reakcijom na ione bakra (ako uzorak filtrata ne postane plav kada mu se doda amonijak, regeneracija se smatra završenom). Nakon prolaska otopine za regeneraciju, kolona se ispere destilovanom vodom dok filtrat ne postane neutralan (provjeriti dodavanjem metil narandže ili bromotimol plavog).

Računanja

1. Proračun koncentracije bakrenih jona u filtratu vrši se pomoću formule:

Mg-eq/dm 3

2. Na osnovu rezultata analize konstruiše se izlazni hromatogram (grafikon u koordinatama: C – f(V rastvor)), koji na osi apscise prikazuje zapreminu filtrata (u mililitrima) i koncentraciju jona bakra. u dijelovima filtrata (u mEq/) na osi ordinate dm 3).

3. Izračunajte DOE i PDOE koristeći formule:

,

gdje je: C koncentracija jona (katjona za kationski izmjenjivač, anjona za anionski izmjenjivač) u propuštenom rastvoru, mEq/dm 3; V proboj je količina vode koja je prošla kroz filter prije proboja apsorbiranog jona , dm 3 ;V ukupno je količina vode koja je prošla kroz filter dok se koncentracije ne izjednače, dm 3; V jonski izmjenjivač – zapremina jonskog izmjenjivača, dm 3.

Zapremina jonskog izmjenjivača izračunava se pomoću formule:

,

gdje je: r – polumjer stuba, dm; h – visina sloja jonskog izmjenjivača, dm.

Pitanja za zaštitu:

Šta je osnova jonske razmene? Šta su joniti?

Koji jonski izmjenjivači se nazivaju makroporozni, gel, izoporozni?

Koje grupe izmjenjivača sadrže kationski i anjonski izmjenjivači u svojoj strukturi?

Šta su nuklearne ionizmjenjivačke smole?

Opišite pokazatelje kvaliteta jonskih izmjenjivača (distribucija veličine čestica, mehanička čvrstoća, hemijska otpornost, osmotska stabilnost, termička otpornost, bubrenje).

Zašto se svojstva jonske izmjene pogoršavaju na visokim temperaturama? Koje supstance nastaju uništavanjem kationskog izmenjivača KU-2-8 i anionskog izmenjivača AV-17-8 na visokim temperaturama?

Kapacitet sorpcije jonskih izmjenjivača karakterizira koeficijent raspodjele K. Šta je to?

Šta su POE jonski izmjenjivači?

Definišite DOE. U kojim jedinicama se izražava DOE? Kako se izračunava DOE jonskog izmjenjivača?

Definirajte PDOE. U kojim jedinicama se izražava PDOE? Kako se izračunava PDOE jonskog izmjenjivača?

Za koji kapacitet razmjene se pretpostavlja da je jednak radnom razmjenskom kapacitetu i zašto?

Koji faktori utiču na kapacitet razmene jonskog izmenjivača?

Kako se regeneriše kationska i anionska izmjenjivačka smola?

Zašto bi uvek trebalo da postoji sloj tečnosti iznad sloja jonskog izmenjivača u koloni?

Dajte proračun za pripremu 0,05 N rastvora bakar sulfata.

Napišite reakciju koja se odvija u koloni između kationskog izmjenjivača i rastvora koji je prošao kroz njega.

Kada dolazi do “proboja” jona u filtrat? Kako se provjerava “curenje” jona bakra u filtrat? Napišite svoju reakciju.

Do koje tačke se rastvor bakar sulfata propušta kroz kolonu nakon što dođe do „probijanja“? Kako se karakteriše ovaj trenutak?

Koja metoda se koristi za određivanje sadržaja bakra u filtratu? Napišite jednadžbe za reakcije koje se odvijaju koristeći metodu ravnoteže jona i elektrona. Imenujte titrant i indikator. Koja je uloga 2N sumporne kiseline? Na kom principu radi indikator? Zašto se škrob dodaje na kraju titracije?

Kako se kationski izmjenjivač regenerira nakon eksperimenta? Dajte proračun za pripremu otopine za regeneraciju.

Kapacitet razmjene

Za kvantitativno karakterizaciju jonskih i sorpcijskih svojstava jonskih izmjenjivača koriste se sljedeće veličine: ukupni, dinamički i radni kapacitet izmjene.

Ukupan kapacitet razmene(POE) određuje se brojem funkcionalnih grupa sposobnih za ionsku izmjenu po jedinici mase zračno suvog ili nabubrelog ionskog izmjenjivača i izražava se u mEq/g ili mEq/L. To je konstantna vrijednost, koja je naznačena u pasošu ionskog izmjenjivača i ne ovisi o koncentraciji ili prirodi izmijenjenog jona. POE može da se promeni (smanji) zbog toplotnog, hemijskog ili izlaganja radijaciji. U realnim radnim uslovima, POE se vremenom smanjuje zbog starenja matrice jonskog izmenjivača i nepovratne apsorpcije otrovnih jona (organskih, gvožđa, itd.) koji blokiraju funkcionalne grupe.

Ravnotežni (statički) kapacitet izmjene ovisi o koncentraciji jona u vodi, pH vrijednosti i omjeru volumena jonskog izmjenjivača i otopine tokom mjerenja. Neophodan za izvođenje proračuna tehnoloških procesa.

Kapacitet dinamičke razmene(DOE) - najvažniji pokazatelj u procesima tretmana vode. U realnim uslovima ponovne upotrebe jonskog izmenjivača u ciklusu sorpcije-regeneracije, kapacitet razmene se ne koristi u potpunosti, već samo delimično.

Stepen upotrebe određen je metodom regeneracije i potrošnjom regenerativnog sredstva, vremenom kontakta ionskog izmjenjivača sa vodom i regeneracijskim sredstvom, koncentracijom soli, pH, dizajnom i hidrodinamikom aparata koji se koristi. Slika pokazuje da se proces pročišćavanja vode zaustavlja pri određenoj koncentraciji graničnog jona, po pravilu, mnogo prije nego što se ionski izmjenjivač potpuno zasiti. Broj apsorbiranih jona u ovom slučaju, koji odgovara površini pravokutnika A, podijeljen s volumenom ionskog izmjenjivača, bit će DOE.

Broj apsorbiranih iona koji odgovara potpunom zasićenju kada je proboj 1, što odgovara zbiru DEC-a i površine zasjenjene figure iznad krivulje u obliku slova S, naziva se ukupni dinamički kapacitet izmjene (TDEC). U tipičnim procesima obrade vode, DOE obično ne prelazi 0,4-0,7 PFU.

Rice. 1

eksperimentalni dio

Reagensi i rastvori: soli MgCl2*6H2O u destilovanoj vodi u odmjernoj tikvici kapaciteta 250 cm3

Rastvor 1 kalcijum nitrata (0,02 M) pripremljen je otapanjem uzorka (1,18 g) soli Ca(NO3)2 4H20. Nakon rastvaranja uzorka, otopina je razrijeđena u destilovanoj vodi u volumetrijskoj tikvici kapaciteta 250 cm3.

Rastvor 2 kalcijum nitrata (O.1M) pripremljen je otapanjem uzorka (5,09 g) soli Ca(NO3)2 4H20. Nakon rastvaranja uzorka, otopina je razrijeđena u destilovanoj vodi u volumetrijskoj tikvici kapaciteta 250 cm3.

Početno rješenje kompleksona III pripremljen od fiksanala. Standardizacija je izvršena korištenjem magnezijum sulfata.

Puferske otopine su pripremljene od NH4Cl "analitičke čistoće". i NH4OH.

Zaostala koncentracija jona Mg 2+ određena je kompleksometrijski sa indikatorom eriohrom crni T.

Zaostala koncentracija jona Ca 2+ određena je kompleksometrijom sa indikatorom mureksidom.

Sorbirana koncentracija je utvrđena iz razlike između početne i rezidualne koncentracije.

Kao sorbent korištena je stijena koja sadrži zeolit ​​iz pojave Atyashevsky.

Priprema sorbenta.

DSP manifestacije Atyashevsky je usitnjen, prosijan, frakcije granula veličine 1 - 2 - 3 mm su sakupljene i osušene u sušionici.

Rezervoar za jonsku izmjenu u statičkom načinu rada. Na 20 cm W otopine koja sadrži ione Ca 2+, u drugom slučaju Mg 2+, poznate koncentracije i

Pri određenoj pH vrijednosti dodano je 5,0 g sorbenta, mućkano određeno vrijeme, a čvrsta faza je odvojena filtracijom. IN

Selektivnost kelatometrijske titracije u odnosu na kalcij može se povećati provođenjem određivanja u visoko alkalnom mediju (magnezijev filtrat je određivao zaostalu koncentraciju Ca 2+ jona, u drugom slučaju Mg 2+. Koncentracija sorbovana je određena razlikom između početnog i rezidualnog.

Metalohromni indikator - mureksid.

EDTA, 0,05M rastvor; amonijačna puferska smjesa pH=9; NaOH, 2M rastvor; indikatori - eriohrom crni T i mureksid - čvrsti (mješavina s NaCl u omjeru 1: 100).

Metoda određivanja

1. Uzorak analiziranog rastvora je prebačen u titracionu tikvicu, dodato je 10 cm 3 puferske mešavine amonijaka (pH 9), 25 cm 3 destilovane vode, 30 - 40 mg eriohrom crnog TI je izmereno na vrhu lopaticom dok se indikator potpuno ne otopi. Rastvor dobija vinskocrvenu boju. Titracija rastvorom EDTA je vršena kap po kap iz birete uz neprekidno mešanje dok se boja ne promeni u jasno plavu.

2. Uzorak analiziranog rastvora prebačen je u titracionu tikvicu, na vrh lopatice je dodato 5 cm 3 2M rastvora NaOH, 30 cm 3 destilovane vode i 30 mg mureksida. Rešenje je postalo crveno. Titracija je vršena rastvorom EDTA sve dok boja nije postala ljubičasta.

Proračun statističkih uslova u odnosu na jone kalcijuma i magnezijuma.

Određivanje kapaciteta izmjene magnezijuma

U 20 cm 3 rastvora magnezijum hlorida molarne koncentracije ekvivalentne 0,02 mol/l, dodao sam 5,0 g sorbenta, prethodno sušenog na 105 0 C 1 sat i mućkanog određeno vreme (0,5 h). U drugom slučaju, 1 sat i tako dalje. Nakon određenog vremena rastvor je filtriran. Za analizu je uzeto 5 cm 3 filtrata i kompleksometrijskom metodom je određena rezidualna koncentracija jona Mg 2+.

2. U 20 cm3 rastvora kalcijum hlorida molarne koncentracije ekvivalentne 0,1 mol/l, dodano je 5,0 g sorbenta, prethodno sušenog na 1050C 1 sat, i mućkano određeno vreme (0,5 sat). U drugom slučaju, 1 sat i tako dalje. Nakon određenog vremena rastvor je filtriran. Za analizu smo uzeli 5 cm3 filtrata i kompleksometrijskom metodom odredili zaostalu koncentraciju jona Ca2+.

Uticaj vremena kontakta CBPB i rastvora CaCl2*4H2O na kapacitet razmene CBPB u statičkim uslovima.

(C(Ca2+)in = 0,1 mol/l; mcsp = 5,0 g.)

Sa povećanjem vremena kontakta faze, uočava se povećanje ravnotežne koncentracije. I nakon 3 sata uspostavlja se dinamička mobilna ravnoteža.

Hvala unaprijed na odgovoru.

C100E je kationska izmjenjivačka smola sa jakim kiselim gelom sa visokim kapacitetom izmjene, kemijskom i fizičkom stabilnošću i odličnim karakteristikama performansi. C100E efikasno zadržava suspendovane čestice, a takođe, u kiselom (H+) obliku, uklanja jone gvožđa i mangana.

Visok kapacitet izmjene omogućava vam da dobijete vodu ukupne tvrdoće od oko 0,05 mEq/l, a odlična kinetika ionske izmjene omogućava postizanje visokih brzina protoka. Kod upotrebe C100E, curenje jona koji uzrokuju tvrdoću vode u normalnim radnim uslovima, u pravilu ne prelazi 1% ukupne tvrdoće izvorne vode. U ovom slučaju, kapacitet izmjene smole se praktično ne mijenja, pod uslovom da udio monovalentnih jona ne prelazi 25%.

C100E je nerastvorljiv u rastvorima kiselina i lužina i u svim uobičajenim organskim rastvaračima. Prisustvo zaostalih oksidirajućih sredstava u vodi (na primjer, slobodni ioni klora ili hipoklorita) može dovesti do smanjenja mehaničke čvrstoće čestica kationske izmjenjivače smole. C100E je termički stabilan do temperature od 150°C, međutim, pri visokim temperaturama se smanjuje kapacitet izmjene katjonske izmjenjivačke smole u obliku kiseline (H+).

Specifikacije

KRATAK OPIS OD
slobodan prostor iznad utovara - 50%
veličina zrna 0,6mm do 90%
Nasipna težina 820g/l
Sadržaj vode (vlažnost) 42-48%
Ukupni kapacitet do 2 g eq/l
radna temperatura od 4 – 120 0 C
pH vode 0 - 14
prelazak Na jona u H - 8%
visina sloja od 0,8 - 2m
brzina tokom servisa od 5 - 40m/sat
specifična radna brzina 20OZ/sat
brzina povratnog pranja na 20 C od 10 - 12 m/sat
zapremina vode za povratno pranje sa novim punjenjem 20 OZ
zapremina vode za povratno pranje 4OZ
zapremina vode za sporo ispiranje soli 4OZ
potrošnja soli tokom regeneracije po 1 litri punjenja - 150g
rezidualna tvrdoća - 0,5 mg eq/l
specifični gubitak pritiska u kPa m 2 visina opterećenja - 1
gubitak pritiska od 11 mbar na 4 o C na 1 m visine utovara
brzina tokom regeneracije - 5m/sat
brzina pri pranju soli vodom - 5m/sat

PRAVILA KORIŠTENJA
odsustvo oksidiranog željeza (Fe 3+) u vodi
nedostatak rastvorenog kiseonika u vodi
nedostatak organske materije u vodi
odsustvo bilo kakvih oksidacijskih sredstava u vodi
nakon omekšavanja natrijuma, ukupna alkalnost i suhi ostatak će se povećati.
jaka oksidirajuća sredstva kao što je dušična kiselina mogu izazvati jaku reakciju
suspendovanih materija u izvorskoj vodi do 8 mg/l
boja izvorske vode do 30 0 C
zamućenost izvorske vode do 6 mg/l
ukupna tvrdoća izvorske vode do 15 mg eq/l

U nastavku su navedene metode za izračunavanje kapaciteta izmjene i drugih parametara kationskog izmjenjivača.

Kapacitet radne razmene kationskog izmenjivača E f g÷eq/m3 može se izraziti sledećom formulom:

E f = Q x F; Ep = Ep x Vk.

Volumen kationske izmjenjivačke smole ubačene u filter u nabubrelom stanju izražava se formulom:

Formula za određivanje radnog kapaciteta izmenjivača katjona ep, g÷eq/m3:

er = Q x Ž/S x h;

gdje je F tvrdoća izvorne vode, g÷eq/m3; Q - količina omekšane vode, m2; S je površina filtera za kationsku izmjenu, m2; h je visina sloja kationskog izmjenjivača, m.

Označavajući brzinu kretanja vode u kationskom izmjenjivaču kao v k, količina omekšane vode Q može se naći pomoću sljedeće formule:

Q = v k x S x Tk = er x S x h / Ž;

odakle možete izračunati trajanje rada filtera kationske izmjene Tk:

Tk = er x h/v k x Ž.

Takođe je moguće izračunati kapacitet izmene kationskog izmenjivača korišćenjem korelacionih grafika.

Na osnovu približnih praktičnih podataka, vaš filter će moći da očisti ne više od 1500 litara. vode. Za preciznije proračune morate znati količinu (volumen) smole u vašem filteru i radni kapacitet vaše smole (za smole za kationsku izmjenu radni kapacitet varira od 600 do 1500 mg-eq/l). Poznavajući ove podatke, lako možete izračunati tačnu količinu omekšane vode koristeći priložene formule.