Сущность ионообменных процессов, основные характеристики ионообменных смол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Институт материаловедения и металлургии

Реферат

на тему "Сущность ионообменных процессов, основные характеристики ионообменных смол"

Выполнил Цыплухина С.К.

2015г.

Введение

Применение ионнобменных процессов чрезвычайно разнообразно. Они используются в качественном и количественном анализе как вспомогательные операции в самых различных целях.

Наиболее обширной областью использования ионообменных процессов следует считать хроматографическое разделение смеси ионов, а также ионообменный хроматографический анализ металлов и сплавов.

Важное значение ионообменные процессы имеют при аналитическом определении следов веществ в современном ультрамикроанализе.

Ионообменные процессы позволяют изучать многие свойства ионов в растворе, а также определять концентрацию растворов, влажность вещества и другие важные характеристики.

Важнейшей областью применения ионитов была и остаётся водоподготовка. С помощью ионитовых фильтров получают деминерализованную (обессоленную) воду для паросиловых установок, многих современных технологических процессов и бытовых нужд. Ионитовые фильтры и электродиализные установки с ионитовыми мембранами применяют для опреснения морской или грунтовой воды с высоким солесодержанием.

Основные характеристики ионообменных смол

Ионообменные смолы (катиониты) - высокомолекулярные полимерные соединения трехмерной гелевой и макропористой структуры, содержащие функциональные группы кислотного характера, способные к реакциям катионного обмена.

Ионообменные смолы делят на катионообменные, анионообменные и амфотерные (или биполярные).

Катионообменные смолы бывают как сильно-, так и слабокислотные.

Анионообменные - сильно- и слабоосновные, а так же промежуточной и смешанной основности.

Сильнокислотные катиониты- это катиониты, обменивающие катионы в растворах при любых значениях pH, слабокислотные - способные к обмену катионов в щелочных средах при pH>7.

Сильноосновные аниониты - аниониты, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях pH; слабоосновные - аниониты, способные к обмену анионов из растворов кислот при pH 1-6.

Поскольку природная вода является многокомпонентной структурой - важно правильно организовать водоподготовку и выбрать нужный химреагент.

Ионообменные смолы можно рассматривать, в принципе, как нерастворимые полиэлектролиты. Поливалентный, т.е. многозарядный, ион, образующий структурный каркас ионнообменной смолы, практически неподвижен из-за своей огромной молекулярной массы. Этот ион-каркас связывает малые подвижные ионы противоположного знака, которые способны к эквивалентному обмену на ионы окружающего раствора.

Иониты представлены анионитами - материалами, способными к обмену анионов, и катионитами - материалами, обменивающими катионы.

г - гель

мп - макропористая структура

В таблице приводятся типичные значения показателей механической прочности и осмотической стабильности обычной ионообменной смолы.

Так как ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, то они способны вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.

Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру.

Ионообменные смолы обладают более высокой активностью, механической прочностью, химической устойчивостью, чем природные и искусственные алюмосиликаты и сульфоугли.

Производство ионообменных смол

Получают ионнообменные смолы полимеризацией, поликонденсацией или путём полимераналогичных превращений (т.е. называемой химической обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами ионита).

Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно-хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия.

Так же существует получение ионообменных смол с однородным

гранулометрическим составом зерен (с монодисперсным распределением зерен ионообменной смолы по размерам), полученным по особой технологии производства, а не методами тривиального рассева.

Такая технология синтезаионнообменных смол позволяет:

получить зерна с любым средним медианным размером в диапазоне от 300 до 1000 мкм;

лимитировать максимальное отклонение диаметра ионообменной смолы от среднего медианного размера для 95 % общего числа зерен в любой выборке пределами от -30 до +30 мкм;

исключить присутствие разрушенных и треснувших зерен в синтезированной ионообменной смоле;

обеспечить близкие к абсолютно возможным гомогенность структуры и изомерность свойств зерна ионнообменной смолы;

значительно повысить механическую прочность зерен, определяемую тестами на раздавливание и истирание;

существенно улучшить осмотическую стабильность зерен ионнообменной смолы

повысить химическую стойкость (устойчивость ее к окислению);

повысить устойчивость ионообменной смолы к отравлению органикой и другими веществами.

Применение

Ионнообменные смолы используют для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях, для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии, при очистке возвратных и сточных вод, для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки, для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности, используются в качестве катализатора для органического синтеза. Ионнообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности, фармацевтической промышленности и других отраслях.

Среди промышленных смол широкое распространение получили смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные катионы (например, КУ-2-8), сильно- и слабоосновные анионы(например, АВ-17-8). Направленный синтез ионообменных смол позволяет создавать материалы с заданными технологическими характеристиками. смола ионообменный полимерный

Отечественная промышленность давно и широко использует марки реагентов: катиониты КУ-1, КУ-2-8, КУ-2-8 ЧС и аниониты АВ-17-8, АВ-17-8ЧС, АН-31, а также их зарубежные аналоги фирм DOWEX (США), PUROLITE (Великобретания), AMBERLITE.

Для промышленной очистки

Необходимо сказать, что один миллиметр накипи на теплопередающих поверхностях - это 10% перерасхода топлива

Правильно организованная водоподготовка поможет экономить топливо и продлит срок службы оборудования. Качественный теплоноситель позволяет существенно продлить срок службы теплоэнергетического оборудования до капитального ремонта.

Ионообменная фильтрация действительно очищает воду от солей, образующих накипь. Чем выше температура поверхности, тем меньше альтернатив ионообменной фильтрации.

Все способы обработки воды, предлагаемые сегодня, можно разделить условно на две группы:

КОРРЕКЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ:

магнитная и ультразвуковая обработка;

обработка воды ингибиторами накипеобразования: ИОМС-1, комплексоны, комплексонаты.

Фильтрация воды методом ионного обмена

Наиболее распространенный метод очистки водного теплоносителя в настоящее время - ионообменная фильтрация, который основан на способности некоторых материалов (ионитов), изменять ионный состав воды.

Ионообменные методы очистки воды используются при необходимости достижения очень низких концентраций загрязняющих веществ или полного обессоливания воды.

Для предотвращения преждевременного выхода из строя парокотельных установок в технологическом процессе при химводоочистке нашли применение иониты, в частности сульфоуголь и ионообменные смолы.

Обработка воды методом ионного обмена широко распространена в энергетике России и за рубежом, т.к. обладает следующими достоинствами:

1. Удаляемые из воды примеси не образуют осадка.

2. Не требуется постоянного дозирования реагентов.

Простота обслуживания.

Однотипность конструкций фильтров.

Небольшой объем зданий и сооружений.

Возможность автоматизации процесса.

Обработанный теплоноситель сохраняет свои свойства при любой температуре.

В промышленной энергетике достаточно широко используется метод получения химочищенной воды по схемам H-Na- катионирования.

Наиболее распространенным катионитом прошлого тысячелетия был сульфоуголь. Сегодня химическая промышленность предлагает большой выбор ионообменных смол, которые позволяют существенно улучшить качество подготовки воды, что приводит к предотвращению образования и накопления отложений на теплопередающих поверхностях.

Сущность ионообменных процессов

На ранних стадиях развития урановой технологии единственным методом выделения урана из растворов после выщелачивания его из руд был осадительный метод, суть которого заключается в осаждении урана в виде труднорастворимых соединений. Основные недостатки, свойственные для этого метода - большой расход химического реагента-осадителя и сравнительно низкое содержание урана в осадке. Позднее в урановой промышленности были внедрены более прогрессивные методы - сорбционный (ионообменный) и экстракционный.

Сорбционный метод извлечения урана из пульп и растворов начал внедряться в промышленность с 1952 г. Сорбция - это поглощение растворённых веществ твёрдыми материалами (сорбентами). Сущность сорбционного метода состоит в следующем. Сорбент контактируется с раствором или пульпой, содержащими извлекаемый металл. При этом происходит сорбция металла на сорбенте. Раствор или пульпа, после извлечения металла (рафинат), сбрасывается. Сорбент, насыщенный извлекаемым металлом, промывается водой для удаления трудносорбируемых ионов и твёрдых механических примесей. После промывки проводится десорбция металла с сорбента. Десорбцию (элюирование) проводят раствором реагента, содержащим катион или анион, который входит в состав исходного сорбента. При десорбции происходит вымывание извлекаемого металла и регенерация сорбента до первоначального его состояния. После десорбции сорбент снова возвращается на сорбцию металла.

Лежащие в основе сорбции ионообменные процессы занимают важное место в атомной технологии. Кроме указанного применения для извлечения урана из растворов (пульп), получаемых при выщелачивании урановых руд, ионообменные процессы используются для полного обессоливания воды на АЭС, для улавливания радиоактивных изотопов из сточных вод атомных предприятий.

Ионообменные процессы извлечения и очистки металлов от примесей основаны на способности ряда твёрдых веществ (ионитов) обмениваться ионами с растворами электролитов.

Иониты - природные или искусственные неорганические или высокомолекулярные органические соединения, практически нерастворимые в воде и водных растворах кислот, щелочей и солей, содержащие ионогенные группы, способные к эквивалентному обмену ионами, растворёнными в электролите. В зависимости от вида ионогенной активной группы иониты подразделяют на классы - катиониты и аниониты. Существуют также биполярные иониты (амфолиты), имеющие и катионообменные и анионообменные группы.

В настоящее время в промышленности в качестве ионитов используют такие соединения как цеолиты, сульфоугли, ионообменные смолы. Смолы получили наибольшее распространение в производстве цветных и редких металлов.

Макромолекула ионообменной смолы состоит из гибких переплетённых нитей полимерных молекул, углеводородные цепи которых имеют поперечные связи, образующие сетчатую структуру, так называемую матрицу. Матрица содержит неподвижные заряженные группы, природу и количество которых можно регулировать при синтезе смол. Заряд фиксированных ионов уравновешивается подвижными ионами противоположного знака (противоионами), способными вступать в ионообменные реакции с ионами, находящимися в электролите (рис.1).

аб

Рисунок 1 - Трёхмерная модель структуры катионита (а) и анионита (б)

Активными группами в катионитах являются: сульфогруппа (-SO3H), карбоксильная группа (-СООН), гидроксильная группа (-ОН) и другие, более сложные соединения. Аниониты в качестве активных групп содержат аминогруппы разной степени замещения (-NH2), (=NH), (?N), четвертичные аммониевые основания ( N+) и др.

В зависимости от назначения в промышленности применяют смолы с частицами размером от 0,3 до 2,0 мм, суммарная поверхность которых изменяется от 0,2 до 300 м 2/г.

Важнейшей характеристикой ионита является так называемая обменная ёмкость ионита. Она выражает количество задержанных ионитом ионов в принятых условиях. Различают три вида обменной ёмкости:

1) статическая ёмкость (СОЕ) представляет собой количество ионов, сорбированных единицей смолы, находящейся в равновесии с электролитом;

2) динамическая ёмкость (ДОЕ) выражает количество ионов, сорбированных единицей смолы при контактировании электролита со смолой в динамических условиях (фильтрации) до появления (проскока) сорбируемого иона в растворе, прошедшего сквозь слой смолы;

3) полная динамическая ёмкость (ПДОЕ) выражает количество сорбированных ионов в динамических условиях до полного насыщения слоя смолы.

Принято считать, что смола достигает ПДОЕ, если концентрация подлежащего поглощению иона в выходящем растворе равняется концентрации этого иона в исходном растворе. На практике ёмкость ионита выражают в единицах массы на единицу объёма набухшей смолы (г/л, кг/м 3).

Обменная ёмкость смол в значительной мере зависит от рН среды. Эта зависимость положена в основу классификации смол, причём по характеру зависимости СОЕ от рН среды все смолы подразделяются на четыре класса (рис. 2).

1 - иониты I класса; 2 - иониты II класса; 3 - иониты III класса; 4 - иониты IV класса

Рисунок 2 - Зависимость СОЕ смол от рН среды

К I классу относятся иониты, проявляющие свойства сильных кислот или оснований. Их обменная ёмкость остаётся постоянной в широком интервале значений рН. Такие свойства катиониту придаёт группа -SO3H, а аниониту группа N+.

Ко II классу относятся иониты, проявляющие свойства слабых кислот или слабых оснований. Их обменная ёмкость достигает максимума только при определённом значении рН раствора, высоким для катионитов и низком для анионитов. Такие свойства катионитов связаны с наличием в них активных групп - СООН и - ОН, которые могут обменивать ионы водорода на другие катионы только в нейтральной или щелочной среде. Для анионитов с активными группами - СООН и - ОН характерен обмен ионов ОН- на другие анионы только в нейтральной или кислой среде.

К двум классам (III и IV) относятся иониты смешанного типа. Иониты III класса ведут себя подобно смесям многих кислот или оснований различной силы. Обменная ёмкость их меняется в широком интервале значений рН.

Список используемой литературы

1. Брннгс Б. Технологические схемы ионообменной очистки воды // Индустрия напитков. 2004.

2. Громов С.Л. Технологические преимущества процесса противоточной регенерации ионообменных смол UPCORE : промывка взрыхлением // Теплоэнергетика. 1998.

3. Алексеева Т.В., Федосеев Б.С. Совершенствование техники ионного обмена на основе противоточной технологии // Энергетик. 2001.

4. Гришки А.А., Малахов И.А., Ларин Б.М. Экологические проблемы ионообменных технологий на ТЭС // Сб. материалов междунар. конф. "Экология энергетики". М.: Изд-во МЭИ. 2000.

5. Резник Я.И. Оптимизация ионообменной технологии водоподготовки: фильтрование с противоточной регенерацией.

6. Лаврушина Ю.А. Умягчение воды. Ионообменные смолы: виды, принцип действия, эффективность.

Размещено на Allbest.ru