Основні характеристики іонітів

 

Іонний обмін є одним з основних методів очищення води від іонних забруднень, глибокого знесолення води. Наявність різноманітних іонообмінних матеріалів дозволяє вирішувати завдання очищення вод різного хімічного складу з високою ефективністю. Це єдиний метод, що дає можливість вибірково, селективно витягувати з розчину деякі компоненти, наприклад, солі жорсткості, важкі метали.

Іоніти - тверді нерозчинні речовини, що мають у своєму складі функціональні (іоногенні) групи, здатні до іонізації в розчинах та обміну іонами з електролітами. При іонізації функціональних груп виникають два різновиди іонів: одні жорстко закріплені на каркасі (матриці) R ионита, інші - протилежного їм знака (протівоіони), здатні переходити в розчин в обмін на еквівалентну кількість інших іонів того ж знака з розчину. [6, c. 164]

Іоніти діляться за властивостями йоногенних груп на чотири основних види:

• катіоніти;

• аніоніти;

• амфолітом;

• селективні іоніти.

За природою матриці їх поділяють на:

• неорганічні іоніти;

• органічні іоніти.

Катіоніти - іоніти з закріпленими на матриці аніонами або аніонообмінних групами, обмінюються із зовнішнім середовищем катіонами.

Якщо катионит перебував у водневій Н + - формі то витягуються всі катіони, що знаходяться у воді. Очищений розчин має кислу реакцію.

При русі через катионит розчину, що містить суміш катіонів, таких як Na, Ca, Mg, Fe (природна вода), відбувається формування в його шарі фронтів сорбції кожного катіона і неодновременное початок проскакування їх в фільтрат. Очищення закінчують при появі в фільтраті основного витягується або контрольованого іона.

Аніоніти - іоніти з закріпленими на матриці катіонами або катіонообменних групами, обмінюються із зовнішнім середовищем аніонами.

Якщо аніоніт знаходиться в гідроксильної ОH - формі, то на очищення від аніонів подається, як правило, розчин після контактування з катионитом в Н + - формі, що має кислу реакцію.

В цьому випадку беруться всі знаходяться в розчині аніони. Очищений розчин має нейтральну реакцію.

При пропущенні через аніоніт розчину, що містить суміш аніонів, таких як Cl, SO4, PO4, NO3, відбувається формування в його шарі фронтів сорбції кожного іона і неодновременное початок проскакування їх в фільтрат. Очищення води закінчується при появі в фільтраті витягується іона.

Амфолітом містять закріплені катіонообмінні і аніонообменние групи, і в певних умовах виступають або як катионит, або як аніоніт. Використовуються для переробки технологічних розчинів.

Селективні іоніти містять спеціально підібрані іоногенні групи, що мають високу спорідненість до якогось одного або до групи іонів. Можуть використовуватися для очищення води від певних іонів, наприклад, бору, важких металів або від радіонуклідів.

Основними характеристиками іонітів є:

• обмінна ємність;

• селективність;

• механічна міцність;

• осмотична стабільність;

• хімічна стабільність;

• температурна стійкість;

• гранулометричний (фракційний) склад.

 

 

Обмінна ємність

Для кількісної характеристики іонообмінних і сорбційних властивостей іонітів застосовують такі величини: повна, динамічна і робоча обмінна ємність.

Повна обмінна ємність (пое) визначається числом функціональних груп, здатних до іонного обміну, в одиниці маси повітряно-сухого або набряклого ионита і виражається в мг-екв / г або мг-екв / л. Вона є постійною величиною, яку вказують у паспорті ионита, і не залежить від концентрації або природи обмінюється іона. Поїдьте може змінюватися (зменшуватися) через термічного, хімічного або радіаційного впливу. У реальних умовах експлуатації пое зменшується з часом внаслідок старіння матриці іоніту, незворотного поглинання іонів-отруйників (органіки, заліза і т. п.), які блокують функціональні групи.

Рівноважна (статична) обмінна ємність залежить від концентрації іонів у воді, рН і відносини обсягів ионита і розчину при вимірах. Необхідна для проведення розрахунків технологічних процесів.

Динамічна обмінна ємність (ДОЕ) - найважливіший показник в процесах водопідготовки. У реальних умовах багаторазового застосування ионита в циклі сорбції-регенерації обмінна ємність використовується не повністю, а лише частково. Ступінь використання визначається методом регенерації і витратою регенеруючого агента, часом контакту ионита з водою і з регенеруючою агентом, концентрацією солей, рН, конструкцією і гідродинаміки використовуваного ап Параті. На малюнку показано, що процес очищення води припиняють при певній концентрації лімітує іона, як правило, задовго до повного насичення ионита. Кількість поглинених при цьому іонів, відповідне площі прямокутника А, віднесене до обсягу ионита, і буде ДОЕ. Кількість поглинених іонів, відповідне повного насичення, коли проскакування дорівнює 1, відповідне сумі ДОЕ і площі заштрихованої фігури над S-подібної кривої, називають повною динамічної обмінної ємністю (ПДОЕ). У типових процесах водопідготовки ДОЕ звичайно не перевищує 0,4-0,7 пое.

Рис.11

Порівняння повної динамічної ПДОЕ та динамічної обмінної ємності ДОЕ. Заштрихована площа А відповідає ДОЕ, а вся площа над кривою з урахуванням проскакування солей - ПДОЕ

Селективність

Під селективністю розуміють здатність вибірково сорбувати іони з розчинів складного складу. Селективність визначається типом йоногенних груп, числом поперечних зв'язків матриці іоніту, розміром пір і складом розчину. Для більшості іонітів селективність невелика, проте розроблені спеціальні зразки, які мають високу здатність до вилучення певних іонів.

Механічна міцність

Механічна міцність показує здатність ионита протистояти механічним впливам. Іоніти перевіряються на стиранність в спеціальних млинах або по вазі вантажу, що руйнує певне число часток. Всі полімеризації іоніти мають високу міцність. У поліконденсационних вона істотно нижче. Збільшення ступеня зшивки полімеру підвищує його міцність, але погіршує швидкість іонного обміну.

Осмотична стабільність

Найбільше руйнування часток іонітів відбувається при зміні характеристик середовища, в якому вони знаходяться. Оскільки всі іоніти являють собою структуровані гелі, їх обсяг залежить від солевмісту, рН середовища та іонної форми іоніту. При зміні цих характеристик обсяг зерна змінять ється. Внаслідок осмотичного ефекту обсяг зерна в концентрованих розчинах менше, ніж у розбавлених. Однак ця зміна відбувається не одночасно, а в міру вирівнювання концентрацій «нового» розчину за обсягом зерна. Тому зовнішній шар стискається або розширюється швидше, ніж ядро ​​частинки; виникають великі внутрішні напруження і відбувається відколювання верхнього шару або розколювання всього зерна. Це явище називається «осмотичний шок». Кожен ионит здатний витримувати певну кількість циклів таких змін характеристик середовища. Це називається його осмотичної міцністю або стабільністю.

Найбільше зміна обсягу відбувається у слабокислотних катіонітів. Наявність в структурі зерен ионита макропор збільшує його робочу поверхню, прискорює перенабуханіе і дає можливість «дихати» окремим верствам. Тому найбільш осмотично стабільні сильнокислотного катіоніти макропористістю структури, а найменш - слабокислотні катіоніти.

Осмотична стабільність визначається як кількість цілих зерен, віднесене до загального початкового їх числа, після багаторазової (150 раз) обробки навіски ионита поперемінно в розчині кислоти і луги з проміжною відмиванням знесоленої водою.

Хімічна стабільність

Всі іоніти володіють певною стійкістю до розчинів кислот, лугів і окисників. Всі полімеризації іоніти мають велику хімічну стійкість, ніж поліконденсаційні. Катіоніти більш стійкі, ніж аніоніти. Серед анионитов слабоосновние стійкіше до дії кислот, лугів і окисників, ніж сільноосновние.

Температурна стійкість

Температурна стійкість катіонітів вище, ніж анионитов. Слабокислотні катіоніти працездатні при температурі до 130 ° С, сильнокислотного типу КУ-2-8 - до 100-120 ° С, а більшість анионитов - не вище 60, максимум 80 ° С. При цьому, як правило, Н-або ОН-форми іонітів менш стійкі, ніж сольові.

Фракційний склад

Синтетичні іоніти полімеризаційного типу виробляються у вигляді кулястих часток з розміром в діапазоні від 0,3 до 2,0 мм. Поліконденсаційні іоніти випускаються у вигляді подрібнених частинок неправильної форми з розміром 0,4-2,0 мм. Стандартні іоніти полімеризаційного типу мають розмір від 0,3 до 1,2 мм. Середній розмір полімеризацій іонітів становить від 0,5 до 0,7 мм (мал.). Коефіцієнт неоднорідності не більше 1,9. Цим забезпечується прийнятне гідравлічний опір шару. Для процесів, коли іоніти використовувалися в псевдозрідженому шарі, в СРСР вони випускалися у вигляді 2 класів по крупности: клас А з розміром 0,6-2,0 мм і клас Б з розміром 0,3-1,2 мм. [9]

За кордоном за спеціальними технологіями випускають іоніти моносферного типу Purofine, Amberjet, Marathon, які мають частинки з дуже малим розкидом розмірів: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (рис. 1.3). Такі іоніти мають більш високу обмінну ємність, осмотичну і механічну стабільність. Шари моносферних іонітів мають менший гідравлічний опір, змішані шари таких катіоніту і аніоніти значно краще розділяються.

 

Рис. 12. Криві розподілу часток за розміром для стандартного (1) і моносферного (2) іонітів

 

 

Технологическая схема

Химводоочистки

Рис.13

Вихідна вода, підігріта до t = 30-35 C, подається по трубопроводу в воздухоотделітель освітлювача 1. Далі по спускний трубі через тангенціальний введення потрапляє в нижню частину апарата, де здійснюється її змішання з реагентами. Тангенціальний введення забезпечує обертальний рух води і, як наслідок, більш ефективне змішання. Вапняне молоко і розчин коагулянту надходять по трубопроводах, розташованим вище введення вихідної води в смесітель.Хіміческое взаємодія завершується в нижній частині освітлювача. Придане тангенціальним введенням обертальний рух води гаситься вертикальної і горизонтальнойперегородками з отворами d = 100 - 150 мм.

Потім вода надходить в приймальний пристрій, де змішується з освітленої водою. Ізраспределітельного пристрої освітлена вода через трубопровід відводиться на подальшу механічну очистку.

Рідина подається через приймальний штуцер. Фільтрація відбувається через дрібнопористий сітку, залишаючи на її поверхні осад. Для очищення фільтруючої сітки від осаду використовується ультразвукове поле створюване хвилеводом, приєднаним до перетворювача. Виникаюча при цьому кавітація і вихрові потоки очищають фільтроелементи, і під дією гравітаційних сил і мікропотоків частинки осаду потрапляють в приймач осаду. Таким чином, відбувається фільтрація рідини і регенерація (очищення) стінок і сітки фільтроелемента. Після механічного очищення направляється на знесолення в катеонітний фільтр. Вода надходить під напором і проходить через шар катіоніту в напрямку зверху вниз. При цьому відбувається пом'якшення води шляхом обміну іонів. Після знесолення вода відводиться в резервуар, де в подальшому подається в тепломережу. Регенерація фільтру відбувається знизу вгору. Цикл роботи фільтра складається з наступних операцій: пом'якшення, розпушування, регенерація, відмивання. Робочий цикл фільтра закінчується, коли жорсткість фільтра почне перевищувати 0,1 мг-екв / л.