Іонообмінні смоли для очищення води

Технологію фільтрації води за допомогою іонообмінних смол стали широко використовувати ще півстоліття тому. Навпаки, навіщо переплачувати за технології комплексного очищення води, якщо потрібно лише видалити солі жорсткості за допомогою недорогих, але ефективних смол, які реалізує компанія Краузен.

Структура іонообмінних смол

Вони являють собою іоніти в зернистому вигляді, тобто синтетичні гранули або кульки. натрій, наприклад). Тому і назва відповідна. - Іонний обмін.

Основа смоли, іоніти також діляться на види.

Навіщо використовуються іонообмінні смоли

Іонообмінні смоли використовуються з цілями:

• Поліпшення смаку води.
• Пом'якшення води.
• Збереження тривалості експлуатації чайників, пральних та посудомийних машин, кави машин та іншої побутової техніки.

Чи можна пити воду після іонообмінних смол?

Ця речовина справляється з жорсткістю води, тобто замінює іони кальцію та магнію на іони натрію та хлору. Але фахівці стверджують, що така очищена вода корисна не завжди і не всім.Якби ця система фільтрації не була винайдена, то організм з часом сам успішно міг би пристосуватися до такого хімічного складу питної води, адже це він жодного разу доводив у процесі еволюції. До того ж люди з низкою захворювань нашкодять собі такою очищеною водою. Тут справа в тому, що іони, які замінюються, мають неприродне походження, що не завжди є плюсом для здоров'я.

Іонообмінні фільтри не завжди потрібні і побутовій техніці. Наука винайшла масу хімічних способів пом'якшення води, які допоможуть чайникам та пральним машинам служити довго та правильно. До того ж, убезпечити себе від жорсткості можна за допомогою звичайного кип'ятіння. Таку воду можна й пити.

Різновиди іонообмінних смол

• Відмінність по вологості. Заводи-виробники завжди максимально видаляють всю вологу зі смоли ще до її фасування. І тут у хід ідуть центрифуги. Чим менша вологість, тим більша ефективність використання іонообмінних смол.
• Відмінність за рівнем ємності. Це показник кількості іонів на одиницю маси. Таким чином, за ступенем ємності виділяють робочу, об'ємну та вагову смоли.

Іонообмінні смоли, безперечно, дозволяють досягти оптимального показника жорсткості води. Це благотворно впливає на наше здоров'я, адже, споживаючи таку воду, можна не перейматися функціями нирок та травної системи. Та й про недовговічну роботу посудомийних та пральних машин теж можна забути. Плюс економія на миючих засобах та порошках для прання білизни. Їх використання скоротиться вдвічі, бо у м'якій воді утворюється в рази більше піни.

Синтетичні іонообмінні смоли

Іонообмінні синтетичні смоли: класифікація та основні поняття

Іонообмінні синтетичні смоли широко використовуються в різних сферах діяльності людини. Більшість вироблених нині іонітів застосовується у різноманітних технологічних процесах (технологія неорганічних і органічних речовин, очищення стічних вод і газових середовищ, підготовка води у різних технологічних процесах, каталіз, радіохімія, медицина і біологія). Також іоніти знайшли застосування і в невеликих побутових системах для очищення питної води. В даний час більшу частину російського ринку іонообмінних смол займають зарубіжні компанії Purolite, Rohm & Haas, Dow Chemical, Bayer, Pure Resin Co. Ltd, українські ВАТ "Азот" (м. Черкаси) та ДП "Смоли" (м. Дніпродзержинськ), а також російські ВАТ "Азот" (м. Кемерово), ЗАТ "ТОКЕМ" (м. Кемерово). Асортимент смол, пропонований як зарубіжними, і вітчизняними постачальниками, різноманітний і великий. Цей факт ускладнює створення єдиної термінології, що найбільш точно і повно характеризує їх властивості та іонообмінні процеси.

Іонообмінними смолами називаються штучні органічні високомолекулярні сполуки, що мають іонообмінні властивості. Існує кілька типів класифікації іонообмінних смол.

• За «пористістю» можна розділити на гелеві (непористі) та макропористі. У гелевих іонітах пори, як такі, відсутні. Доступність іонообмінних груп забезпечується набуханням іоніту, внаслідок чого у матеріалі утворюється пористість. Макропористі іоніти одержують введенням у масу пороутворювача – інертного розчинника у процесі синтезу (наприклад, вищих вуглеводнів та спиртів).Частина розчинника затримується в матриці і після його видалення з гранул виходять смоли з розвиненою внутрішньою поверхнею в ненабрякому стані і великим об'ємом пор. Макропористі іоніти мало набухають, але завдяки розвиненій пористій поверхні дуже активні в обмінних процесах. Питома поверхня таких іонітів становить від 20 до 130 м2/р. Діаметр пір макропористих іонітів варіює від 200 до 1000 A.
• За природою протиіону (H+ – кислотна форма, K+, Na+, Cl-, SO – сольова форма, OH- – гідроксильна форма).
• Більшість виробників дотримуються класифікації за знаком заряду протиіону.

• Катіоніти – полімери, здатні поглинати з розчинів електролітів позитивно заряджені іони (катіони) та обмінювати їх в еквівалентних кількостях на інші катіони.
• Аніони – полімери, здатні поглинати з розчинів електролітів негативно заряджені іони (аніони) та обмінювати їх у еквівалентних кількостях інші аніони.

Катіоніти виявляють властивості полікислот, а аніоніти – поліоснови.

Також виділяють групу смол під загальною назвою амфотерні іоніти або поліамфоліти. Вони містять рухливі кислотні та основні групи та в залежності від умов можуть проявляти себе як катіоніти або аніоніти.

Іоніт складається з матриці (каркаса) - Високомолекулярна, практично нерозчинна у воді або інших розчинниках частина іонообмінного матеріалу, що володіє певним зарядом (у катіонітів - негативний, у аніонітів - позитивний). З матрицею пов'язані рухливі іони - протиіони. Протиіони мають заряд, протилежний заряду іоногенної групи матриці. Загалом зерно іонообмінного матеріалу є нейтральним. Протиіони рухливі і здатні обмінюватися на іони того ж знака.Для наочності іоніт можна порівняти з губкою, у порах якої циркулюють протиіони. Якщо занурити губку в розчин, протиіони перемістяться в розчин, а їхнє місце займуть іони того ж знака з розчину, щоб зберегти електронейтральність зерна.

Якщо іоніт, що містить лише протиіони одного типу (на малюнку 1 вони зображені синім кольором), помістити в розчин з протиіонами іншого типу (на малюнку 1 вони зображені червоним кольором), іони першого типу почнуть заміщатися на іони другого типу.

Малюнок 1 – схема іонного обміну між іонітом та розчином

а – початковий стан; б – іонообмінна рівновага;

1 – матриця з фіксованими іонами; 2 – протиіони; 3 – коіони.

Цей процес продовжуватиметься до тих пір, поки не встановиться рівновага: іоніт і розчин будуть містити іони двох видів у певному співвідношенні. Такий стан прийнято називати іонообмінною рівновагою. Крім протиіонів до іоніту надходять розчинник з розчиненими в ньому іонами – коіонами. Коіони - іони, що володіють тим же зарядом, що і матриця іоніту.

Катіоніти

Катіоніти являють собою високомолекулярні тверді нерозчинні полікислоти, що містять кислотні групи: сульфогрупи, карбоксильні, фосфіновокислі, селеновокислі та ін. Вони дисоціюють у воді на малорухливий макроаніон (матриця)

RAN- | Kt+

Катіоніти, у яких всі рухомі іони представлені іонами водню, позначаються як H-катіоніти або H-форма катіоніту. У тих випадках, коли замість водню рухливі іони представлені катіонами металів (Na+, Ca2+ та ін.), застосовується відповідне позначення сольової форми Na- або Ca-катіоніт або Na- або Ca-форма катіоніту.

Катіоніти можна розділити на сильнокислотні та слабокислотні. Сильнокислотні катіоніти здатні обмінювати протиіони на зовнішні іони в лужному, нейтральному та кислому середовищах. Слабокислотні катіоніти обмінюють протиіони на інші катіони тільки в лужному середовищі. До сильнокислотних відносять катіонітів із сильно дисоційованими кислотними групами – сульфокислотними. До слабокислотних відносять катіоніти із слабо дисоційованими кислотними групами – карбоксильними.

Аніоніти

Синтетичні аніоніти містять у макромолекулі функціональні групи основного характеру і є твердими полімерними основами. Аніоніти дисоціюють у воді на малорухливий макрокатіоїн (матриця) і рухливі аніони:

RKt+ | An-

Слабоосновні аніоніти мають у своєму складі первинні, вторинні, третинні та четвертинні аміногрупи, сильноосновні аніоніти містять четвертинні аміногрупи. Сильноосновні аніоніти обмінюють протиіони в лужному, нейтральному та кислому середовищах, а слабоосновні – тільки в кислому середовищі. Як зазначалося, аніоніти можуть поставлятися в гидроксильной (OH-) чи сольової (Cl-) формі. При тривалому зберіганні аніонітів у формі гідроксильної їх обмінна ємність може знижуватися, що, швидше за все, пов'язано з окисленням цих полімерів. Внаслідок цього кількість вільних основних груп зменшується. Тому зберігати смоли рекомендується у сольовій формі та у зволоженому стані.

Фізико-хімічні властивості іонітів

1. Обмінна ємність

Обмінна ємність – один із найважливіших показників властивостей іонітів. Вона визначається кількістю функціональних груп, здатних до іонного обміну.Вимірюється в одиницях маси повітряно-сухого або в одиницях об'єму набряклого іоніту і відповідно виражається в мг-екв/гілі мг-екв/см3. Як правило, російські та закордонні виробники смол частіше вказують обмінну ємність в одиницях обсягу набряклого іоніту (мг-екв/см3).

Розрізняють повну та рівноважну обмінну ємність. Повна обмінна ємність (ПОЕ) відповідає загальній кількості функціональних груп в одиниці об'єму вологого або одиниці маси сухого іоніту. Пої величина постійна для даного зразка. Оскільки іонний процес – процес рівноважний, то вводиться поняття «рівноважна об'ємна ємність» (РОЄ). РОЄ залежить від низки умов протікання процесу: pH середовища, температура, концентрації розчинів, технологічні умови протікання процесу (швидкість подачі розчину, площа фільтрування, ін.). Таким чином, рівноважна обмінна ємність величина змінна, що залежить від різних умов.

2. Селективність

Селективністю називається здатність вибірково поглинати з розчину деякі іони чи групи іонів. При катіонному обміні на слабозшитому (до 8 – 10 % ДВБ) сульфокатіоніті з розбавлених розчинів, у яких немає реакцій комплексоутворення, має місце наступний ряд селективності для лужних та лужноземельних елементів:

Cs + > Rb + > K + > Na + > Li +

Ra 2+ > Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ > Be 2+

Спорідненість іонів лужних і лужноземельних металів до слабозшитому сульфокатіоніту зменшується в ряду в повній відповідності зі зменшенням їх порядкового номера і розміру іона та зі збільшенням радіуса гідратованого іона.

Зі збільшенням кількості зшиваючого агента в монофункціональних сульфокатіонітах та зміна природи функціональних груп (наприклад, з – SO3H на – COOH) призводить до повного обігу рядів селективності.

Для сильноосновних аніонітів характерний наступний ряд селективності:

SO > I - > NO > CrO > Br - > CSN - > Cl - > F -

Слабоосновні аніоніти виявляють підвищену вибірковість до гідроксил-іону (OH-), інші іони легко їм витісняються. Ряд селективності має вигляд:

OH - > SO > CrO > NO > Br - > Cl - > F -

3. Осмотична стабільність

Іоніти здатні до набухання у воді та органічних розчинниках, при цьому проявляється дія осмотичних сил на зерно іоніту. Ступінь набухання іоніту у воді залежить від властивостей іоніту та складу розчину та значень pH розчину. При збільшенні ступеня набухання зерен їх розмір збільшується, при зменшенні набухання – зерно зменшується. Цей процес називають "диханням" іоніту. Циклічні процеси розтягування та стиснення зерна призводять до розриву ланцюгів матриці та розтріскування гранул іоніту. Особливо гостро стоїть питання про механічну міцність аніонітів, оскільки їхня вартість вища, а термін служби менший, ніж у катіонітів. Цілком виключити вплив осмотичних сил на зерно іоніту неможливо, але завдяки деяким заходам можна знизити. Не можна допускати висихання іоніту, що постачається у вологому стані (зазвичай масова частка вологи становить 40 – 65%). Повітряно-сухі іоніти, щоб уникнути осмотичного удару, попередньо замочується в концентрованому розчині хлориду натрію.

Механічна міцність

Осмотична стійкість та механічна міцність іоніту залежить від будови матриці іоніту, форми зерна, температури, властивостей середовища та інших факторів.Руйнування зерна іоніту відбувається в результаті недостатньої осмотичної стабільності, при терті гранул один про одного, про стінки апаратури, а також при зіткненні з потоками середовища, що рухаються. Перепад тиску в іонообмінних колонах може стати причиною розтріскування або повного руйнування гранул іоніту. У вітчизняній літературі для оцінки механічної міцності іонообмінних матеріалів використовують два поняття: стирання – знос матеріалу внаслідок тертя зерен один про одного при промиваннях (граничне значення – 0,5 %) та подрібнюваність – знос у результаті розтріскування зерен (до 4 %). Смоли імпортного виробництва характеризуються показником «cracked» - відсоткове співвідношення цілих і тріснулих гранул, і показником «broken» - відсоткове співвідношення цілих та повністю зруйнованих гранул.

Гранулометричний склад

Швидкість всього іонообмінного процесу визначається лімітуючим стадією. Для процесів, що протікають у водному середовищі, це швидкість іонообміну між іонами води і частинкою смоли, що омивається. На зовнішній поверхні частки, що омивається, утворюється нерухома водяна плівка, товщина якої залежить від швидкості потоку і розмірів зерна смоли. Іон, який прагне потрапити всередину частинки смоли, у функціональну групу, повинен дифундувати з води через плівку, пройти через граничну поверхню частинки смоли. У чистих смолах дифузійні шляхи не забруднені сторонніми домішками і доступ до поверхні зерна не заблокований. Зі збільшенням швидкості потоку зменшується товщина водяної плівки, що полегшує проходження іонів до зерна.Підвищення температури води веде до зменшення її в'язкості, що сприяє збільшенню швидкості дифузії та збільшенню кінетики іонного обміну. Іншим важливим фактором є співвідношення між об'ємом частинки до її поверхні. Зі зменшенням діаметра зерна на кожну функціональну групу припадає велика поверхня обміну.

Існує оптимальне співвідношення між розміром гранул і товщиною шару матеріалу, що засипається в іонообмінні фільтри. Дрібнозернистий іоніт, володіючи більш розвиненою поверхнею, має дещо більшу іонообмінну ємність, ніж крупнозернистий. Однак, зі зменшенням зерен катіоніту гідравлічний опір та витрата електроенергії на фільтрування води збільшуються. Виходячи з вищесказаного, найбільшого поширення набули смоли з розміром зерна 0,3 - 1,5 мм. У технологіях іонування з протилежними у напрямку потоками оброблюваної води та регенеруючого розчину велике значення має однорідність гранул (монодисперсність). Ступінь однорідності розмірів зерен суттєво впливає на процес іонного обміну. При промиванні винос дрібної фракції почнеться набагато раніше, ніж почнуть рухатися більші частинки. Якщо знизити швидкість промивки для запобігання виносу дрібної фракції, великі частки будуть недостатньо промиті.

Основні параметри, що характеризують фракційний склад іонообмінного матеріалу, визначаються ситовим аналізом. Наважка матеріалу просівається через ряд калібрувальних сит, залишки на ситах зважуються, і визначається відсоткове співвідношення між різними фракціями. На основі отриманих результатів обчислюється еквівалентний діаметр зерен dе (ефективний розмір), мм.

Pi - відсотковий вміст зерен із середнім діаметром dk, що залишилися на ситі при розсіві. Середній діаметр dk визначається як розмір комірки сита.

Коефіцієнт неоднорідності завантаження kн

d80 - калібр сита, через який пройшло 80% при просіюванні зерен іоніту;

d10 - калібр сита, через який пройшло 10% при просіюванні зерен іоніту.

Хімічна стійкість

Хімічна стійкість іонообмінної смоли визначається зміною об'ємної ємності, типу іоногенних груп, механічної міцності та залежить від природи агресивного середовища, будови полімерного каркасу, міцності зв'язку з ним функціональних груп. Хімічно стійкими є зв'язки типу C-C, C-P, C-S, зв'язки C-N, C-O легко гідролізують. Тому хімічна стійкість катіонітів, зазвичай, вище, ніж аніонітів. До руйнівного впливу кислот і лугів найбільш стійкі сульфокатіоніти на основі кополімерів стиролу та дивінілбензолу. Слабоосновні аніоніти менше схильні до хімічної деструкції, ніж сильноосновні. У зв'язку з цим, у схемах з використанням аніонообмінних смол на першому ступені використовують слабоосновний аніоніт, а на другому ступені сильноосновний аніоніт.

Ті, що руйнують дію на смоли, надають різні окислювачі (хлор, озон, перекис водню та ін.). При процесах окиснення відбувається руйнація зв'язків між різними групами в каркасі іоніту, структура матриці порушується, знижується ступінь зшивки. Під дією різних хімічних агентів іоніти здатні пептизуватися, тобто переходити в колоїдний стан і втрачати іонообмінну здатність.

Термічна стійкість

При нагріванні у воді сульфокатіоніту відбувається відщеплення сульфогруп з утворенням сірчаної кислоти:

RSO3H + H2O + RH + H2SO4

При температурі вище 150 0С сірчана кислота окислює полімер, при нагріванні вище 250 0С утворюються сульфони і відбувається додаткове зшивання ланцюгів:

RSO3H + RH + RSO2R + H2O;

RSO3H + RSO3H + RSO2R + H2SO4.

Більш стійкими є сольові форми сульфокатіоніту:

RSO3M + H2O + RH + MHSO4.

Їхній термічний гідроліз протікає з меншою швидкістю, ніж гідроліз Н-катіонітів.

Аніоніти більшою мірою, ніж катіоніти, при термічному гідролізі схильні до незворотних процесів, ніж катіоніти. Найменшу хімічну стійкість мають сильноосновні аніоніти. Зазнаючи реакцій дезамінування (відщеплення аміногрупи) та деструкції (процес розриву хімічних зв'язків, що призводить до зменшення ступеня полімеризації), сильноосновні аніоніти перетворюються на слабоосновні. В результаті таких хімічних перетворень утворюються аміни та низько-і високомолекулярні спирти. Також як і катіоніти, аніоніти виявляють більшу стійкість у сольовій формі.