Échange d'ion– processus d'échange d'ions de la matrice solide ( ionite ) avec des ions d'eau.

L'échange d'ions est l'une des principales méthodes de purification de l'eau des contaminants ioniques, dessalement profond de l'eau. La présence d'une variété de matériaux échangeurs d'ions permet de résoudre avec une grande efficacité les problèmes de purification de l'eau de diverses compositions chimiques. C'est la seule méthode qui permet d'extraire sélectivement certains composants d'une solution, par exemple les sels de dureté et les métaux lourds.

Ionites – substances solides insolubles contenant des groupes fonctionnels (ionogènes) capables d'ionisation dans les solutions et d'échange d'ions avec des électrolytes. Lors de l'ionisation des groupes fonctionnels, deux types d'ions apparaissent : certains sont rigidement fixés au cadre (matrice) de l'échangeur d'ions R, d'autres sont de signe opposé (contre-ions), capables de passer dans la solution en échange d'un équivalent quantité d'autres ions du même signe provenant de la solution.

Les échangeurs d'ions sont divisés selon les propriétés des groupes ionogènes en quatre types principaux :

• les ampholytes;
• échangeurs d'ions sélectifs.

De par la nature de la matrice, ils sont divisés en :

• échangeurs d'ions inorganiques;
• échangeurs d'ions organiques.

Échangeurs de cations– des échangeurs d'ions avec des anions ou des groupes échangeurs d'anions fixés sur la matrice, échangeant des cations avec le milieu extérieur.

Si l'échangeur de cations était sous forme hydrogène H+-, alors tous les cations présents dans l'eau sont extraits. La solution purifiée est acide.

Lorsqu'une solution contenant un mélange de cations, tels que Na, Ca, Mg, Fe (eau naturelle), traverse l'échangeur de cations, des fronts de sorption de chaque cation se forment dans sa couche et leur percée non simultanée dans le filtrat se produit. La purification est terminée lorsque l'ion principal extractible ou contrôlé apparaît dans le filtrat.

Échangeurs d'anions– des échangeurs d'ions avec des cations ou des groupes échangeurs de cations fixés sur la matrice, échangeant des anions avec le milieu extérieur.

Si l'échangeur d'anions est sous la forme hydroxyle OH – -, alors, en règle générale, une solution est fournie pour la purification des anions après contact avec l'échangeur de cations sous la forme H + -, qui a une réaction acide.

Dans ce cas, tous les anions présents dans la solution sont extraits. La solution purifiée a une réaction neutre.

Lorsqu'une solution contenant un mélange d'anions, tels que Cl, SO 4 , PO 4 , NO 3 , traverse un échangeur d'anions, des fronts de sorption de chaque ion se forment dans sa couche et leur pénétration non simultanée dans le filtrat se produit. La purification de l'eau se termine lorsque l'ion extractible apparaît dans le filtrat.

Ampholytes contiennent des groupes échangeurs de cations et d'échange d'anions fixes et, dans certaines conditions, agissent soit comme échangeur de cations, soit comme échangeur d'anions. Utilisé pour traiter des solutions technologiques.

Échangeurs d'ions sélectifs contiennent des groupes ionogènes spécialement sélectionnés qui ont une haute affinité pour un ou un groupe d'ions. Ils peuvent être utilisés pour purifier l’eau de certains ions, comme le bore, les métaux lourds ou les radionucléides.

Les principales caractéristiques des échangeurs d’ions sont :

• capacité d'échange;
• sélectivité;
• force mécanique;
• stabilité osmotique ;
• stabilité chimique;
• stabilité de la température;
• composition granulométrique (fractionnée).

Capacité d'échange

Pour caractériser quantitativement les propriétés d'échange d'ions et de sorption des échangeurs d'ions, les grandeurs suivantes sont utilisées : capacité d'échange totale, dynamique et utile.

Capacité totale d'échange(POE) est déterminé par le nombre de groupes fonctionnels capables d'échanger des ions par unité de masse d'échangeur d'ions séché à l'air ou gonflé et est exprimé en mEq/g ou mEq/L. Il s'agit d'une valeur constante, indiquée dans le passeport de l'échangeur d'ions, et qui ne dépend pas de la concentration ou de la nature de l'ion échangé. Le POE peut changer (diminuer) en raison d’une exposition thermique, chimique ou radiologique. Dans des conditions réelles de fonctionnement, le POE diminue avec le temps en raison du vieillissement de la matrice échangeuse d'ions et de l'absorption irréversible d'ions toxiques (organiques, fer, etc.) qui bloquent les groupes fonctionnels.

La capacité d'échange à l'équilibre (statique) dépend de la concentration d'ions dans l'eau, du pH et du rapport des volumes de l'échangeur d'ions et de la solution lors des mesures. Nécessaire pour effectuer des calculs de processus technologiques.

Capacité d'échange dynamique (DEC) l'indicateur le plus important dans les processus de traitement de l'eau. Dans des conditions réelles d'utilisation répétée d'un échangeur d'ions dans le cycle de sorption-régénération, la capacité d'échange n'est pas totalement utilisée, mais seulement partiellement. Le degré d'utilisation est déterminé par la méthode de régénération et la consommation de l'agent régénérant, le temps de contact de l'échangeur d'ions avec l'eau et avec l'agent régénérant, la concentration en sel, le pH, la conception et l'hydrodynamique de l'appareil utilisé. La figure montre que le processus de purification de l'eau s'arrêteUtahà une certaine concentration de l'ion limitant, en règle générale, bien avant que l'échangeur d'ions ne soit complètement saturé. Le nombre d'ions absorbés dans ce cas, correspondant à l'aire du rectangle A, divisé par le volume de l'échangeur d'ions, sera le DOE. Le nombre d'ions absorbés correspondant à une saturation complète lorsque la percée est de 1, correspondant à la somme du DEC et de l'aire du chiffre ombré au-dessus de la courbe en S, est appelé capacité d'échange dynamique totale (TDEC). Dans les processus typiques de traitement de l’eau, le DFU ne dépasse généralement pas 0,4 à 0,7 PFU.

Sélectivité. La sélectivité est comprise comme la capacité de sorber sélectivement les ions provenant de solutions de composition complexe. La sélectivité est déterminée par le type de groupes ionogènes, le nombre de liaisons croisées de la matrice échangeuse d'ions, la taille des pores et la composition de la solution. Pour la plupart des échangeurs d'ions, la sélectivité est faible, mais des échantillons spéciaux ont été développés, dotés d'une grande capacité à extraire certains ions.

Force mécanique montre la capacité de l'échangeur d'ions à résister aux contraintes mécaniques. Les échangeurs d'ions sont testés par abrasion dans des broyeurs spéciaux ou par le poids d'une charge qui détruit un certain nombre de particules. Tous les échangeurs d'ions de polymérisation ont une résistance élevée. Pour ceux à polycondensation, il est nettement inférieur. L'augmentation du degré de réticulation du polymère augmente sa résistance, mais aggrave le taux d'échange d'ions.

Stabilité osmotique. La plus grande destruction des particules échangeuses d'ions se produit lorsque les caractéristiques de l'environnement dans lequel elles se trouvent changent. Tous les échangeurs d'ions étant des gels structurés, leur volume dépend de la teneur en sel, du pH du milieu et de la forme ionique de l'échangeur d'ions. Lorsque ces caractéristiques changent, le volume des grains change. En raison de l'effet osmotique, le volume de grains dans les solutions concentrées est inférieur à celui des solutions diluées. Cependant, ce changement ne se produit pas simultanément, mais au fur et à mesure que les concentrations de la « nouvelle » solution se stabilisent dans le volume des grains. Par conséquent, la couche externe se contracte ou se dilate plus rapidement que le noyau de la particule ; Des contraintes internes importantes apparaissent et la couche supérieure se brise ou le grain entier se brise. Ce phénomène est appelé « choc osmotique ». Chaque échangeur d'ions est capable de résister à un certain nombre de cycles de tels changements de caractéristiques environnementales. C’est ce qu’on appelle sa force osmotique ou sa stabilité. Le plus grand changement de volume se produit dans les échangeurs de cations faiblement acides. La présence de macropores dans la structure des grains échangeurs d'ions augmente leur surface de travail, accélère le gonflement excessif et permet aux différentes couches de « respirer ». Par conséquent, les échangeurs de cations fortement acides avec une structure macroporeuse sont les plus stables osmotiquement, et les échangeurs de cations faiblement acides sont les moins stables osmotiquement. La stabilité osmotique est définie comme le nombre de grains entiers divisé par leur nombre total initial, après traitement répété (150 fois) d'un échantillon d'échangeur d'ions alternativement dans une solution d'acide et d'alcali avec lavage intermédiaire à l'eau déminéralisée.

Stabilité chimique. Tous les échangeurs d'ions ont une certaine résistance aux solutions d'acides, d'alcalis et d'agents oxydants. Tous les échangeurs d’ions à polymérisation ont une plus grande résistance chimique que ceux à polycondensation. Les échangeurs de cations sont plus résistants que les échangeurs d'anions. Parmi les échangeurs d'anions, les échangeurs faiblement basiques sont plus résistants aux acides, aux alcalis et aux agents oxydants que les échangeurs fortement basiques.

Stabilité de la température les échangeurs de cations sont supérieurs aux échangeurs d'anions. Les échangeurs de cations d'acide faible fonctionnent à des températures allant jusqu'à 130 °C, les échangeurs d'acides forts de type KU-2-8 jusqu'à 100-120 °C et la plupart des échangeurs d'anions ne dépassent pas 60 °C, maximum 80 °C. en règle générale, H- ou
Les formes OH des échangeurs d’ions sont moins stables que les formes sel.

Composition factionnelle. Les échangeurs d'ions de type polymérisation synthétique sont produits sous forme de particules sphériques d'une taille allant de 0,3 à 2,0 mm. Les échangeurs d'ions à polycondensation sont produits sous forme de particules broyées de forme irrégulière d'une taille de 0,4 à 2,0 mm. Les échangeurs d'ions de type polymérisation standard ont des tailles de 0,3 à 1,2 mm. La taille moyenne des échangeurs d'ions de polymérisation est de 0,5 à 0,7 mm (Fig.). Le coefficient d'hétérogénéité n'est pas supérieur à 1,9. Ceci garantit une résistance hydraulique acceptable de la couche. Pour les procédés dans lesquels les échangeurs d'ions étaient utilisés en lit fluidisé, en URSS, ils étaient produits sous la forme de 2 classes de taille : la classe A avec une taille de 0,6 à 2,0 mm et la classe B avec une taille de 0,3 à 1,2 mm.

À l'étranger, en utilisant des technologies spéciales, ils produisent des échangeurs d'ions de type monosphère Purofine, Amberjet, Marathon, qui contiennent des particules d'une très petite plage de tailles : 0,35 ± 0,05 ; 0,5 ± 0,05 ; 0,6 ± 0,05 (Fig.). De tels échangeurs d'ions ont une capacité d'échange, une stabilité osmotique et mécanique plus élevées. Les couches d'échangeurs d'ions monosphériques ont une résistance hydraulique plus faible ; les couches mixtes de ces échangeurs de cations et d'anions sont bien mieux séparées.

Riz. Courbes de distribution granulométrique pour standard ( 1 ) et monosphérique ( 2 ) ionites ( UN) et des photographies de ces ionites ( b)

Un nombre important de processus se produisant dans la nature et dans la pratique sont les échanges d'ions. L'échange d'ions est à la base de la migration des éléments dans les sols et dans le corps des animaux et des plantes. Dans l'industrie, il est utilisé pour la séparation et la production de substances, le dessalement de l'eau, le traitement des eaux usées, la concentration de solutions, etc. L'échange d'ions peut se produire aussi bien dans une solution homogène que dans un système hétérogène. Dans ce cas, sous échange d'ion comprendre le processus hétérogène par lequel l'échange se produit entre les ions en solution et en phase solide, appelé échangeur d'ions ou échangeur d'ions. L'échangeur d'ions absorbe les ions de la solution et libère en retour les ions inclus dans sa structure dans la solution.

3.5.1. Classification et propriétés physiques et chimiques des échangeurs d'ions

Absorbants échangeurs d'ions, échangeurs d'ions Ce sont des polyélectrolytes constitués de matrices– groupes stationnaires d’atomes ou de molécules (chaînes de haut poids moléculaire) auxquels sont attachés des groupes actifs groupes ionogènes atomes qui assurent sa capacité d’échange d’ions. Les groupes ioniques, quant à eux, sont constitués d'ions immobiles liés à la matrice par des forces d'interaction chimique et d'un nombre équivalent d'ions mobiles de charges opposées - contre-ions. Les contre-ions sont capables de se déplacer sous l’action d’un gradient de concentration et peuvent être échangés contre des ions provenant d’une solution ayant la même charge. Dans le système échangeur d'ions - solution électrolytique, parallèlement à la répartition des ions échangés, il existe également une redistribution des molécules de solvant entre ces phases. Avec le solvant, une certaine quantité pénètre dans l'échangeur d'ions. koions(ions de même signe de charge avec des ions fixes). Puisque la neutralité électrique du système est maintenue, une quantité équivalente de contre-ions passe en outre dans l'échangeur d'ions avec les co-ions.

Selon les ions mobiles, les échangeurs d'ions sont divisés en échangeurs de cations et échangeurs d'anions.

Échangeurs de cations contiennent des anions immobiles et des cations échangeurs; ils sont caractérisés par des propriétés acides - un hydrogène ou un ion métallique mobile. Par exemple, échangeur de cations R / SO 3 - H + (ici R est une base structurelle avec un groupe fonctionnel fixe SO 3 - et un contre-ion H +). En fonction du type de cations contenus dans l'échangeur de cations, on l'appelle échangeur de cations H, si tous ses cations mobiles sont représentés uniquement par de l'hydrogène, ou échangeur de cations Na, échangeur de cations Ca, etc. Ils sont désignés RH, RNa, R 2 Ca, où R est le cadre avec la partie fixe du groupe actif de la résine échangeuse de cations. Les échangeurs de cations avec des groupes fonctionnels fixes –SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2-, etc. sont largement utilisés.

Échangeurs d'anions contiennent des cations immobiles et des anions échangeurs ; ils sont caractérisés par les propriétés basiques d'un ion hydroxyde mobile ou d'un ion résidu acide ; Par exemple, échangeur d'anions R / N(CH 3) 3 + OH -, avec un groupe fonctionnel -N(CH 3) 3 + et un contre-ion OH -. L'échangeur d'anions peut se présenter sous différentes formes, comme l'échangeur de cations : échangeur d'anions OH ou ROH, échangeur d'anions SO 4 ou RSO 4, où R est un cadre avec une partie fixe du groupe actif de l'échangeur d'anions. Les plus couramment utilisés sont les échangeurs d'anions à groupes fixes – +, - +, NH 3 +, NH +, etc.

En fonction du degré de dissociation du groupe actif de la résine échangeuse de cations et, par conséquent, de la capacité d'échange d'ions, les résines échangeuses de cations sont divisées en acide fort et acide faible. Ainsi, le groupe actif –SO 3 H est complètement dissocié, donc l'échange d'ions est possible dans une large plage de pH ; les échangeurs de cations contenant des groupes sulfoniques sont classés comme fortement acides ; Les échangeurs de cations de résistance moyenne comprennent des résines contenant des groupes acide phosphorique. De plus, pour les groupes dibasiques capables de se dissocier par étapes, un seul des groupes possède les propriétés d'un acide de force moyenne, le second se comporte comme un acide faible. Ce groupe ne se dissociant pratiquement pas en milieu fortement acide, il est donc conseillé d'utiliser ces échangeurs d'ions en milieu légèrement acide ou alcalin, à pH 4. Les échangeurs de cations faiblement acides contiennent des groupes carboxyle, qui sont légèrement dissociés même dans les solutions faiblement acides ; leur plage de fonctionnement est à pH 5 ; Il existe également des échangeurs de cations bifonctionnels contenant à la fois des groupes sulfo et des groupes carboxyle ou des groupes sulfo et phénoliques. Ces résines fonctionnent dans des solutions fortement acides et, à une alcalinité élevée, elles augmentent considérablement leur capacité.

Semblables aux échangeurs de cations, les échangeurs d’anions sont divisés en haut de base et bas de base. Les échangeurs d'anions hautement basiques contiennent des bases ammonium quaternaire ou pyridine bien dissociées comme groupes actifs. De tels échangeurs d'anions sont capables d'échanger des anions non seulement dans des solutions acides mais également dans des solutions alcalines. Les échangeurs d'anions basiques moyens et faibles contiennent des groupes amino primaires, secondaires et tertiaires, qui sont des bases faibles, leur plage de travail est de pH 89.

Des échangeurs d'ions amphotères sont également utilisés - ampholytes, qui comprennent des groupes fonctionnels ayant les propriétés à la fois d'acides et de bases, par exemple des groupes d'acides organiques en combinaison avec des groupes aminés. Certains échangeurs d'ions, en plus des propriétés d'échange d'ions, ont des propriétés complexantes ou rédox. Par exemple, les échangeurs d'ions contenant des groupes amino ionogènes donnent des complexes avec des métaux lourds dont la formation se produit simultanément à l'échange d'ions. L'échange d'ions peut s'accompagner d'une complexation dans la phase liquide en ajustant sa valeur de pH, ce qui permet la séparation des ions. Les échangeurs d'ions électroniques sont utilisés en hydrométallurgie pour l'oxydation ou la réduction d'ions dans des solutions avec leur sorption simultanée à partir de solutions diluées.

Le processus de désorption d'un ion absorbé sur un échangeur d'ions est appelé élution, dans ce cas l'échangeur d'ions est régénéré et transféré à sa forme initiale. Grâce à l'élution des ions absorbés, à condition que l'échangeur d'ions soit suffisamment « chargé », on obtient des éluats avec une concentration en ions 100 fois supérieure à celle des solutions d'origine.

Certains matériaux naturels ont des propriétés échangeuses d'ions : zéolites, bois, cellulose, charbon sulfoné, tourbe, etc., mais ils ne sont presque jamais utilisés à des fins pratiques, car ils n'ont pas une capacité d'échange ou une stabilité suffisamment élevée dans les environnements traités. Les échangeurs d'ions organiques les plus largement utilisés sont les résines échangeuses d'ions synthétiques, qui sont des composés polymères solides de haut poids moléculaire contenant des groupes fonctionnels capables de dissociation électrolytique, c'est pourquoi on les appelle polyélectrolytes. Ils sont synthétisés par polycondensation et polymérisation de monomères contenant les groupes ioniques nécessaires, ou par ajout de groupes ioniques à des unités individuelles d'un polymère préalablement synthétisé. Les groupes de polymères sont chimiquement liés les uns aux autres, cousus dans un cadre, c'est-à-dire dans un réseau spatial tridimensionnel appelé matrice, à l'aide d'une substance qui interagit avec eux - un agent cresson. Le divinylbenzène est souvent utilisé comme agent de réticulation. En ajustant la quantité de divinylbenzène, il est possible de modifier la taille des cellules de résine, ce qui permet d'obtenir des échangeurs d'ions qui adsorbent sélectivement tout cation ou anion grâce à « l'effet tamis » des ions ayant une taille supérieure à la cellule ; la taille ne sont pas absorbées par la résine. Pour augmenter la taille des cellules, des réactifs contenant des molécules plus grosses que le vinylbenzène sont utilisés, par exemple des diméthacrylates d'éthylène glycols et de biphénols. Grâce à l'utilisation de télogènes, substances qui empêchent la formation de longues chaînes linéaires, une perméabilité accrue des échangeurs d'ions est obtenue. Aux endroits où les chaînes sont brisées, des pores apparaissent, de ce fait les échangeurs d'ions acquièrent un cadre plus mobile et gonflent plus fortement au contact d'une solution aqueuse. Le tétrachlorure de carbone, les alkylbenzènes, les alcools, etc. sont utilisés comme télogènes. Les résines ainsi obtenues ont. gel structure ou microporeux. Pour obtenir macroporeux Des solvants organiques, tels que des hydrocarbures supérieurs, tels que l'isooctane et des alcools, sont ajoutés au mélange réactionnel. Le solvant est capturé par la masse polymérisante et, une fois la formation de la charpente terminée, il est distillé, laissant de larges pores dans le polymère. Ainsi, selon leur structure, les échangeurs d'ions sont divisés en macroporeux et en gel.

Les échangeurs d'ions macroporeux ont de meilleures caractéristiques d'échange cinétique que ceux en gel, car ils ont une surface spécifique développée de 20 à 130 m 2 /g (contrairement aux échangeurs en gel, qui ont une surface de 5 m 2 /g) et grands pores - 20-100 nm, ce qui facilite l'échange hétérogène d'ions qui se produit à la surface des pores. Le taux de change dépend largement de la porosité des grains, même s’il n’affecte généralement pas leur capacité d’échange. Plus le volume et la taille des grains sont importants, plus la diffusion interne est rapide.

Les résines échangeuses d'ions en gel sont constituées de grains homogènes qui, une fois secs, ne présentent pas de pores et sont imperméables aux ions et aux molécules. Ils deviennent perméables après gonflement dans l'eau ou des solutions aqueuses.

Gonflement des échangeurs d'ions

Gonflement est le processus d'augmentation progressive du volume d'un échangeur d'ions placé dans un solvant liquide en raison de la pénétration des molécules de solvant profondément dans la structure de l'hydrocarbure. Plus l’échangeur d’ions gonfle, plus l’échange d’ions se produit rapidement. Gonflement caractérisé gonflement du poids- la quantité d'eau absorbée pour 1 g d'échangeur d'ions sec ou coefficient de gonflement- le rapport des volumes spécifiques de l'échangeur d'ions gonflé et sec. Souvent, le volume de résine pendant le processus de gonflement peut augmenter de 10 à 15 fois. Le gonflement d'une résine de haut poids moléculaire est d'autant plus important que le degré de réticulation de ses unités constitutives est faible, c'est-à-dire moins son réseau macromoléculaire est rigide. La plupart des échangeurs d'ions standards contiennent 6 à 10 % de divinylbenzène (parfois 20 %) dans les copolymères. Lorsque des agents à longue chaîne sont utilisés pour la réticulation à la place du divinylbenzène, on obtient des échangeurs d'ions à macromesh hautement perméables, sur lesquels l'échange d'ions se produit à un rythme élevé. Outre la structure de la matrice, le gonflement de l'échangeur d'ions est influencé par la présence de groupes fonctionnels hydrophiles dans celui-ci : plus il y a de groupes hydrophiles, plus l'échangeur d'ions gonfle. De plus, les échangeurs d'ions contenant des contre-ions monochargés gonflent plus fortement, contrairement aux échangeurs doublement et triplement chargés, dans des solutions concentrées, le gonflement se produit dans une moindre mesure que dans les solutions diluées. La plupart des échangeurs d'ions inorganiques ne gonflent pas du tout ou presque, bien qu'ils absorbent de l'eau.

Capacité de l'échangeur d'ions

La capacité d'échange d'ions des absorbants est caractérisée par leur capacité d'échange, en fonction du nombre de groupes ionogènes fonctionnels par unité de masse ou de volume de l'échangeur d'ions. Elle est exprimée en milliéquivalents pour 1 g d'échangeur d'ions sec ou en équivalents pour 1 m 3 d'échangeur d'ions et pour la plupart des échangeurs d'ions industriels, elle est de l'ordre de 2 à 10 meq/g. Capacité totale d'échange(POE) – le nombre maximum d'ions qui peuvent être absorbés par l'échangeur d'ions lorsqu'il est saturé. Il s'agit d'une valeur constante pour un échangeur d'ions donné, qui peut être déterminée à la fois dans des conditions statiques et dynamiques.

Dans des conditions statiques, au contact d'un certain volume de solution électrolytique, déterminer capacité d'échange statique totale(PSOE), et capacité d'échange statique d'équilibre(PCOE), qui varie en fonction de facteurs affectant l'équilibre (volume de solution, sa composition, concentration, etc.). L'équilibre entre l'ionite et la solution correspond à l'égalité de leurs potentiels chimiques.

Dans des conditions dynamiques, avec filtration continue de la solution à travers une certaine quantité d'échangeur d'ions, le capacité d'échange dynamique– le nombre d'ions absorbés par l'échangeur d'ions avant la percée des ions sorbés (DOE), pleine capacité d'échange dynamique jusqu'à ce que l'échangeur d'ions soit complètement épuisé (PDOE). La capacité avant percée (capacité de travail) est déterminée non seulement par les propriétés de l'échangeur d'ions, mais dépend également de la composition de la solution initiale, de la vitesse de son passage à travers la couche de l'échangeur d'ions, de la hauteur (longueur) de l'ion couche d'échangeur, le degré de sa régénération et la taille des grains.

La capacité de travail est déterminée par la courbe de rendement de la Fig. 3.5.1

S 1 – capacité d'échange utile, S 1 + S 2 – capacité d'échange dynamique totale.

Lors d’une élution dans des conditions dynamiques, la courbe d’élution ressemble à la courbe représentée sur la Fig. 3.5.2

Typiquement, le DOE dépasse 50 % du PDOE pour les échangeurs d'ions fortement acides et fortement basiques et 80 % pour les échangeurs d'ions faiblement acides et faiblement basiques. La capacité des échangeurs d’ions fortement acides et fortement basiques reste pratiquement inchangée sur une large gamme de solutions de pH. La capacité des échangeurs d’ions faiblement acides et faiblement basiques dépend en grande partie du pH.

Le degré d'utilisation de la capacité d'échange de l'échangeur d'ions dépend de la taille et de la forme des grains. En règle générale, la granulométrie est comprise entre 0,5 et 1 mm. La forme des grains dépend du mode de préparation de l'échangeur d'ions. Ils peuvent être de forme sphérique ou irrégulière. Les grains sphériques sont préférables car ils offrent de meilleures conditions hydrodynamiques et une plus grande vitesse de processus. Des échangeurs d'ions à grains cylindriques, fibreux et autres sont également utilisés. Plus les grains sont fins, meilleure est la capacité d'échange de l'échangeur d'ions, mais en même temps, selon l'équipement utilisé, soit la résistance hydraulique de la couche sorbante soit l'entraînement des petits grains de l'échangeur d'ions par la solution augmente. L'entraînement peut être évité en utilisant des échangeurs d'ions contenant un additif ferromagnétique. Cela permet au matériau à grains fins d'être maintenu en suspension dans la zone de champ magnétique à travers laquelle se déplace la solution.

Les échangeurs d'ions doivent avoir une résistance mécanique et une stabilité chimique, c'est-à-dire ne pas être détruits par gonflement et fonctionnement dans des solutions aqueuses. De plus, ils doivent être facilement régénérés, conservant ainsi leurs propriétés actives pendant longtemps et fonctionnant sans remplacement pendant plusieurs années.

Détermination de la capacité d'échange dynamique

et la capacité d'échange dynamique totale de l'échangeur de cations

La capacité des échangeurs d'ions à échanger des ions est caractérisée par la capacité d'échange, c'est-à-dire le nombre de groupes fonctionnels participant à l'échange, qui est exprimé en unités équivalentes et se réfère à une unité du nombre d'échangeurs d'ions. La capacité d'échange peut être déterminée à la fois dans des conditions statiques et dynamiques, il existe donc les concepts de capacité d'échange statique et de capacité d'échange dynamique.

But du travail: déterminer la capacité d'échange de l'échangeur de cations en conditions dynamiques (DOE et PDOE).

DEC (capacité d'échange dynamique) – capacité d'échange de l'échangeur d'ions, déterminée par l'apparition d'un ion donné dans la solution sortant de la colonne (par « percée ») (mg-eq/dm 3).

La PDEC (capacité d'échange dynamique totale) est déterminée par l'arrêt complet de l'extraction d'un ion donné de la solution, c'est-à-dire au moment de l'égalisation de la concentration de l'ion absorbé dans la solution et du filtrat lors du passage de la solution dans une colonne avec échangeur d'ions (mg-eq/dm 3).

L'essence de la méthode dynamique de détermination de la capacité d'échange est qu'une solution d'un ion saturant passe en continu à travers une couche compactée d'échangeur d'ions située dans la colonne jusqu'à ce qu'un équilibre de sorption soit établi entre la solution initiale et le sorbant. Lorsque la solution traverse la colonne, une couche de sorption s'y forme, c'est-à-dire dans sa partie supérieure, se produit une saturation complète de l'échangeur d'ions, puis le front de sorption descend dans la colonne. Lorsque le front atteint l’extrémité de la colonne, l’ion saturant « fuit » dans le filtrat.

A partir du moment où la couche saturée est formée, la sorption se produit selon le mode de transfert parallèle du front de sorption. Un transfert supplémentaire de la solution initiale conduit au fait qu'une saturation complète est obtenue sur toute l'épaisseur du sorbant, c'est-à-dire l'équilibre arrive. A partir de ce moment, la concentration du filtrat devient égale à la concentration de la solution initiale.

Dans ce travail, l’ion cuivre (sulfate de cuivre) est utilisé comme ion saturant. Dans ce cas, la réaction d’échange d’ions dans la colonne est :

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

La « percée » de l'ion cuivre dans le filtrat est déterminée à l'aide d'une réaction qualitative du Cu 2+ avec une solution d'ammoniaque. Dans ce cas, la réaction se produit :

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

(

complexe bleu vif

Réactifs et équipements

Sulfate de cuivre, solution 0,05 N.

Iodure de potassium KJ, solution à 20 %.

Thiosulfate de sodium Na 2 S 2 O 3,

Solution 0,05N.

Amidon, solution à 1%.

Acide sulfurique, solution 2N

Résine échangeuse de cations KU-2.

Colonne chromatographique en verre avec robinet de 20 cm de long et 1 à 1,5 cm de diamètre.

Trépied chimique avec pieds.

Eprouvette graduée pour 25 ml – 10 pcs.

Fiole conique pour titrage 250 ml – 2 pcs.

Burette de titrage de 25 ml.

Pipettes 2, 5 et 10 ml

Avancement de l'analyse

La colonne est remplie d'un échangeur de cations pré-préparé, en respectant strictement les exigences d'un garnissage uniforme et dense. La colonne est montée strictement verticalement sur un trépied. En tournant le robinet, le débit requis est réglé (3...4 ml/min). Lors de l'analyse, il faut s'assurer qu'il y a toujours une couche de liquide au-dessus de la couche de l'échangeur de cations, qu'aucune bulle d'air ne se forme dans la colonne et que l'échangeur de cations ne flotte.

1. Détermination du volume de solution traversant l'échangeur d'ions jusqu'à percée

Une solution de sulfate de cuivre traverse la colonne en continu, collectant le filtrat s'écoulant de la colonne dans un bécher. Périodiquement, quelques gouttes du filtrat sont prélevées dans la plaque à gouttes et une réaction qualitative est effectuée pour détecter la présence d'ions cuivre. L'apparition d'une couleur bleu vif indique la « percée » des ions cuivre dans le filtrat. A l'aide d'une éprouvette graduée, mesurer le volume de filtrat collecté avant la « percée » des ions cuivre et l'enregistrer (V percée).

2. Détermination du volume de solution passé à travers l'échangeur d'ions

jusqu'à ce que les concentrations s'égalisent

Après la « percée », la solution de sulfate de cuivre continue de passer, mais le filtrat s'écoulant de la colonne est collecté dans des éprouvettes graduées par portions de 25 ml. Dans chaque portion du filtrat, la teneur en ions cuivre est déterminée par titrage iodométrique.

Pour ce faire, prélever une aliquote du filtrat (10 ml), la transférer dans une fiole de titrage, ajouter 4 ml d'une solution d'acide sulfurique 2N et 10 ml d'une solution d'iodure de potassium à 20 %. Titrer avec une solution de thiosulfate de sodium 0,05 N jusqu'à ce que la solution devienne jaune clair, puis ajouter 3 à 4 gouttes d'amidon et poursuivre le titrage jusqu'à ce que la solution bleue se décolore. (Si la solution a une couleur jaune clair après avoir ajouté de l'iodure de potassium, l'amidon est ajouté immédiatement).

Le passage de la solution de sulfate de cuivre à travers la colonne est arrêté une fois que la teneur en ions cuivre dans le filtrat est égale à sa concentration dans la solution d'origine. Enregistrez le volume de solution passé à travers la colonne jusqu'à ce que les concentrations s'égalisent (V plein).

A la fin de l'expérience, l'échangeur de cations est régénéré en faisant passer dans la colonne 150 ml d'une solution d'acide chlorhydrique à 5%. L'intégralité de la régénération est vérifiée par une réaction qualitative aux ions cuivre (si l'échantillon de filtrat ne devient pas bleu lorsqu'on y ajoute de l'ammoniac, la régénération est considérée comme terminée). Après passage de la solution de régénération, la colonne est lavée à l'eau distillée jusqu'à ce que le filtrat soit neutre (vérifier par ajout d'orange de méthyle ou de bleu de bromothymol).

Calculs

1. Le calcul de la concentration en ions cuivre dans le filtrat s'effectue à l'aide de la formule :

Mg-éq/dm 3

2. Sur la base des résultats de l'analyse, un chromatogramme de sortie est construit (graphique en coordonnées : C – f (solution V)), traçant le volume du filtrat (en millilitres) sur l'axe des abscisses et la concentration en ions cuivre. en portions du filtrat (en mEq/) sur l'axe des ordonnées dm 3).

3. Calculez le DOE et le PDOE à l'aide des formules :

,

où : C est la concentration d'ions (cations pour l'échangeur de cations, anions pour l'échangeur d'anions) dans la solution traversée, mEq/dm 3 ;V percée est la quantité d'eau passée à travers le filtre avant la percée de l'ion absorbé , dm 3 ;V total est la quantité d'eau qui traverse le filtre jusqu'à ce que les concentrations soient égalisées, dm 3 ;V échangeur d'ions – volume de l'échangeur d'ions, dm 3.

Le volume de l'échangeur d'ions est calculé à l'aide de la formule :

,

où : r – rayon de colonne, dm ; h – hauteur de la couche échangeuse d'ions, dm.

Questions de protection :

Quelle est la base de l’échange d’ions ? Que sont les ionites ?

Quels échangeurs d'ions sont appelés macroporeux, gel, isoporeux ?

Quels groupes d'échange les échangeurs de cations et les échangeurs d'anions contiennent-ils dans leur structure ?

Que sont les résines échangeuses d’ions de qualité nucléaire ?

Décrire les indicateurs de qualité des échangeurs d'ions (distribution granulométrique, résistance mécanique, résistance chimique, stabilité osmotique, stabilité thermique, gonflement).

Pourquoi les propriétés d’échange d’ions des échangeurs d’ions se détériorent-elles à haute température ? Quelles substances se forment lors de la destruction de l'échangeur de cations KU-2-8 et de l'échangeur d'anions AV-17-8 à haute température ?

La capacité de sorption des échangeurs d'ions est caractérisée par le coefficient de répartition K. De quoi s'agit-il ?

Qu'est-ce que les échangeurs d'ions POE ?

Définir le DOE. Dans quelles unités le DOE est-il exprimé ? Comment est calculé le DOE d’un échangeur d’ions ?

Définir le PDOE. Dans quelles unités le PDOE est-il exprimé ? Comment est calculé le PDOE de l’échangeur d’ions ?

Quelle capacité d’échange est supposée égale à la capacité d’échange utile et pourquoi ?

Quels facteurs influencent la capacité d’échange de l’échangeur d’ions ?

Comment la résine échangeuse de cations et d’anions est-elle régénérée ?

Pourquoi devrait-il toujours y avoir une couche de liquide au-dessus de la couche échangeuse d’ions dans la colonne ?

Donnez le calcul pour préparer une solution 0,05 N de sulfate de cuivre.

Écrivez la réaction qui se produit dans la colonne entre l'échangeur de cations et la solution qui le traverse.

Quand se produit la « percée » des ions dans le filtrat ? Comment contrôler les « fuites » d’ions cuivre dans le filtrat ? Écrivez votre réaction.

Jusqu’à quel point la solution de sulfate de cuivre passe-t-elle à travers la colonne après une « percée » ? Comment se caractérise ce moment ?

Quelle méthode est utilisée pour déterminer la teneur en cuivre du filtrat ? Écrivez les équations des réactions se produisant en utilisant la méthode de la balance ion-électron. Nommez le titrant et l’indicateur. Quel est le rôle de l’acide sulfurique 2N ? Sur quel principe fonctionne l'indicateur ? Pourquoi de l'amidon est-il ajouté à la fin du titrage ?

Comment l’échangeur de cations est-il régénéré après l’expérience ? Donner le calcul pour préparer la solution de régénération.

Capacité d'échange

Pour caractériser quantitativement les propriétés d'échange d'ions et de sorption des échangeurs d'ions, les grandeurs suivantes sont utilisées : capacité d'échange totale, dynamique et utile.

Capacité totale d'échange(POE) est déterminé par le nombre de groupes fonctionnels capables d'échanger des ions par unité de masse d'échangeur d'ions séché à l'air ou gonflé et est exprimé en mEq/g ou mEq/L. Il s'agit d'une valeur constante, indiquée dans le passeport de l'échangeur d'ions, et qui ne dépend pas de la concentration ou de la nature de l'ion échangé. Le POE peut changer (diminuer) en raison d’une exposition thermique, chimique ou radiologique. Dans des conditions réelles de fonctionnement, le POE diminue avec le temps en raison du vieillissement de la matrice échangeuse d'ions et de l'absorption irréversible d'ions toxiques (organiques, fer, etc.) qui bloquent les groupes fonctionnels.

La capacité d'échange à l'équilibre (statique) dépend de la concentration d'ions dans l'eau, du pH et du rapport des volumes de l'échangeur d'ions et de la solution lors des mesures. Nécessaire pour effectuer des calculs de processus technologiques.

Capacité d’échange dynamique(BICHE) - l'indicateur le plus important dans les procédés de traitement de l'eau. Dans des conditions réelles d'utilisation répétée d'un échangeur d'ions dans le cycle de sorption-régénération, la capacité d'échange n'est pas totalement utilisée, mais seulement partiellement.

Le degré d'utilisation est déterminé par la méthode de régénération et la consommation de l'agent régénérant, le temps de contact de l'échangeur d'ions avec l'eau et avec l'agent régénérant, la concentration en sel, le pH, la conception et l'hydrodynamique de l'appareil utilisé. La figure montre que le processus de purification de l'eau est généralement arrêté à une certaine concentration de l'ion limitant bien avant que l'échangeur d'ions ne soit complètement saturé. Le nombre d'ions absorbés dans ce cas, correspondant à l'aire du rectangle A, divisé par le volume de l'échangeur d'ions, sera le DOE.

Le nombre d'ions absorbés correspondant à une saturation complète lorsque la percée est de 1, correspondant à la somme du DEC et de l'aire du chiffre ombré au-dessus de la courbe en S, est appelé capacité d'échange dynamique totale (TDEC). Dans les processus typiques de traitement de l’eau, le DOE ne dépasse généralement pas 0,4 à 0,7 PFU.

Riz. 1

partie expérimentale

Réactifs et solutions : sels MgCl2*6H2O dans de l'eau distillée dans une fiole jaugée d'une capacité de 250 cm3

Une solution de nitrate de calcium 1 (0,02 M) a été préparée en dissolvant un échantillon (1,18 g) du sel Ca(NO3)2·4H20. Après dissolution de l'échantillon, la solution a été diluée dans de l'eau distillée dans une fiole jaugée d'une capacité de 250 cm3.

Une solution de nitrate de calcium 2 (0,1 M) a été préparée en dissolvant un échantillon (5,09 g) de sel Ca(NO3)2·4H20. Après dissolution de l'échantillon, la solution a été diluée dans de l'eau distillée dans une fiole jaugée d'une capacité de 250 cm3.

Solution initiale complexe III préparé à partir de fixanal. La standardisation a été réalisée à l'aide de sulfate de magnésium.

Des solutions tampons ont été préparées à partir de NH4Cl « qualité analytique ». et NH4OH.

La concentration résiduelle en ions Mg 2+ a été déterminée par complexométrie avec l'indicateur noir ériochrome T.

La concentration résiduelle en ions Ca 2+ a été déterminée par complexométrie avec l'indicateur murexide.

La concentration sorbée a été déterminée à partir de la différence entre les concentrations initiales et résiduelles.

La roche contenant de la zéolite de l'occurrence Atyashevsky a été utilisée comme absorbant.

Préparation du absorbant.

Le DSP de la manifestation d'Atyashevsky a été broyé, tamisé, des fractions de granulés mesurant 1 à 2 à 3 mm ont été collectées et séchées dans une étuve.

Réservoir échangeur d'ions en mode statique. A 20 cm W d'une solution contenant des ions Ca 2+, dans un autre cas Mg 2+, de concentration connue et

À une certaine valeur de pH, 5,0 g de sorbant ont été ajoutés, agités pendant un temps donné et la phase solide a été séparée par filtration. DANS

La sélectivité du titrage chélatométrique vis-à-vis du calcium peut être augmentée en effectuant le dosage en milieu fortement alcalin (le filtrat de magnésium a déterminé la concentration résiduelle en ions Ca 2+, dans un autre cas en ions Mg 2+. La concentration sorbée a été trouvée par le différence entre l'initial et le résidu.

Indicateur métallochromique - murexide.

EDTA, solution 0,05 M ; mélange tampon d'ammoniaque pH = 9 ; NaOH, solution 2M ; indicateurs - noir ériochrome T et murexide - solide (mélange avec NaCl dans un rapport de 1 : 100).

Méthode de détermination

1. Un échantillon de la solution analysée a été transféré dans un ballon de titrage, 10 cm 3 de mélange tampon d'ammoniaque (pH 9), 25 cm 3 d'eau distillée ont été ajoutés, 30 à 40 mg de noir d'ériochrome TI ont été pesés sur la pointe de une spatule jusqu'à ce que l'indicateur soit complètement dissous. La solution a acquis une couleur rouge vin. Le titrage avec la solution d'EDTA a été effectué goutte à goutte à partir d'une burette sous agitation continue jusqu'à ce que la couleur vire au bleu clair.

2. Un échantillon de la solution analysée a été transféré dans un ballon de titrage, 5 cm 3 de solution de NaOH 2M, 30 cm 3 d'eau distillée et 30 mg de murexide ont été ajoutés au bout d'une spatule. La solution est devenue rouge. Le titrage a été effectué avec une solution d'EDTA jusqu'à ce que la couleur devienne violette.

Calcul des conditions statistiques relatives aux ions calcium et magnésium.

Détermination de la capacité d'échange du magnésium

A 20 cm 3 d'une solution de chlorure de magnésium de concentration molaire équivalente à 0,02 mol/l, on ajoute 5,0 g de sorbant, préalablement séché à 105 0 C pendant 1 heure et agité pendant un temps donné (0,5 heure). Dans un autre cas, 1 heure et ainsi de suite. Après un certain temps, la solution a été filtrée. 5 cm 3 du filtrat ont été prélevés pour analyse et la concentration résiduelle en ions Mg 2+ a été déterminée par la méthode complexométrique.

2. A 20 cm3 de solution de chlorure de calcium avec une concentration molaire équivalente à 0,1 mol/l, 5,0 g d'absorbant, préalablement séché à 105°C pendant 1 heure, ont été ajoutés et agités pendant un temps spécifié (0,5 heure). Dans un autre cas, 1 heure et ainsi de suite. Après un certain temps, la solution a été filtrée. Nous avons prélevé 5 cm3 du filtrat pour analyse et déterminé la concentration résiduelle en ions Ca2+ par la méthode complexométrique.

L'influence du temps de contact du CBPB et de la solution CaCl2*4H2O sur la capacité d'échange du CBPB en conditions statiques.

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

Avec l'augmentation du temps de contact de phase, une augmentation de la concentration à l'équilibre est observée. Et au bout de 3 heures, un équilibre mobile dynamique s'établit.

Merci d'avance pour votre réponse.

C100E est une résine échangeuse de cations de type gel acide fort avec une capacité d'échange élevée, une stabilité chimique et physique et d'excellentes caractéristiques de performance. Le C100E retient efficacement les particules en suspension et, sous forme acide (H+), élimine également les ions fer et manganèse.

Une capacité d'échange élevée permet d'obtenir de l'eau avec une dureté totale d'environ 0,05 mEq/l, et une excellente cinétique d'échange d'ions permet d'atteindre des débits élevés. Lors de l'utilisation du C100E, la fuite d'ions responsables de la dureté de l'eau dans des conditions de fonctionnement normales ne dépasse généralement pas 1 % de la dureté totale de l'eau de source. Dans ce cas, la capacité d'échange de la résine ne change pratiquement pas, à condition que la proportion d'ions monovalents ne dépasse pas 25 %.

Le C100E est insoluble dans les solutions d'acides et d'alcalis et dans tous les solvants organiques courants. La présence d'agents oxydants résiduels dans l'eau (par exemple des ions chlore libre ou hypochlorite) peut entraîner une diminution de la résistance mécanique des particules de résine échangeuse de cations. Le C100E est thermiquement stable jusqu'à une température de 150°C, cependant, à des températures élevées, la capacité d'échange de la résine échangeuse de cations sous forme acide (H+) diminue.

Caractéristiques

UNE BRÈVE DESCRIPTION DE
espace libre au dessus du chargement - 50%
granulométrie 0,6 mm jusqu'à 90 %
Poids en vrac 820g/l
Teneur en eau (humidité) 42-48%
Capacité totale jusqu'à 2 g eq/l
température de fonctionnement de 4 à 120 0 C
pH de l'eau 0 - 14
transition des ions Na vers H - 8%
hauteur de couche de 0,8 à 2 m
vitesse de service de 5 à 40 m/heure
vitesse de service spécifique 20OZ/heure
vitesse de rétrolavage à 20 C de 10 à 12 m/heure
volume d'eau pour le rétrolavage avec une nouvelle charge 20 OZ
volume d'eau pour le lavage à contre-courant 4OZ
volume d'eau pour le rinçage lent au sel 4OZ
consommation de sel pendant la régénération pour 1 litre de charge - 150g
dureté résiduelle - 0,5 mg eq/l
perte de pression spécifique en kPa m 2 hauteur de chargement - 1
perte de pression de 11 mbar à 4 o C à 1 m de hauteur de chargement
vitesse pendant la régénération - 5m/heure
vitesse de lavage du sel avec de l'eau - 5 m/heure

CONDITIONS D'UTILISATION
absence de fer oxydé (Fe 3+) dans l'eau
manque d'oxygène dissous dans l'eau
manque de matière organique dans l'eau
absence de tout agent oxydant dans l'eau
après ramollissement au sodium, l'alcalinité totale et le résidu sec augmenteront.
des agents oxydants puissants tels que l'acide nitrique peuvent provoquer une forte réaction
substances en suspension dans l'eau de source jusqu'à 8 mg/l
couleur de l'eau de source jusqu'à 30 0 C
turbidité de l'eau de source jusqu'à 6 mg/l
dureté totale de l'eau de source jusqu'à 15 mg eq/l

Vous trouverez ci-dessous des méthodes de calcul de la capacité d'échange et d'autres paramètres de l'échangeur de cations.

La capacité d'échange utile de l'échangeur de cations E f g÷eq/m3 peut être exprimée par la formule suivante :

E f = Q x F ; Ep = Ep x Vk.

Le volume de résine échangeuse de cations chargé dans le filtre à l'état gonflé est exprimé par la formule :

Formule pour déterminer la capacité d'échange utile de l'échangeur de cations ep, g÷eq/m3 :

ер = Q x Ж/S x h ;

où F est la dureté de l'eau de source, g÷eq/m3 ; Q - quantité d'eau adoucie, m2 ; S est la surface du filtre échangeur de cations, m 2 ; h est la hauteur de la couche échangeuse de cations, m.

En désignant la vitesse de déplacement de l'eau dans l'échangeur de cations comme v k, la quantité d'eau adoucie Q peut être trouvée à l'aide de la formule suivante :

Q = v k x S x Tk = ер x S x h / Ж ;

d'où l'on peut calculer la durée de fonctionnement du filtre échangeur de cations Tk :

Tk = ер x h/v k x Ж.

Il est également possible de calculer la capacité d'échange de l'échangeur de cations à l'aide de graphiques de corrélation.

Sur la base de données pratiques approximatives, votre filtre ne pourra nettoyer pas plus de 1 500 litres. eau. Pour des calculs plus précis, vous devez connaître la quantité (volume) de résine dans votre filtre et la capacité d'échange utile de votre résine (pour les résines échangeuses de cations, la capacité utile varie de 600 à 1500 mg-eq/l). Connaissant ces données, vous pouvez facilement calculer la quantité exacte d'eau adoucie à l'aide des formules fournies.