Физико-химические свойства ионитов

Процесс обмена ионов

Итак, при погружении ионита в воду происходит его набухание и ионизация функциональных групп, при которой образуются две разновидности ионов: фиксированные ионы – неподвижные, прочно связанные с матрицей ионита и не способные покидать твердую фазу ионитов и переходить в раствор, их называют потенциалопределяющими; и противоионы (обменные ионы), эквивалентно равные потенциалопределяющим, но противоположныеим по знаку заряда. Они являются подвижными, способны покидать твердую фазу ионита и обмениваться на эквивалентное количество ионов того же знака из раствора.

Обмен ионов ионита на ионы раствора происходит следующим образом. Погруженный в воду и набухший ионит представляет собой раствор электролита и обладает общими с ним свойствами с той разницей, что противоионы, переходящие в раствор под действием полярных молекул воды, остаются вблизи твердой фазы ионитов, так как связаны силами электростатического притяжения с потенциалопределяющими ионами. Образуется так называемый двойной электрический слой. Если в растворе имеются ионы, равные по знаку противоионам ионита, и они оказываются вблизи твердой фазы ионитов, то происходит ионный обмен, и ионы раствора занимают место подвижных ионов ионита, которые, освободившись от электростатических сил притяжения, переходят в раствор. Обмен ионов происходит в строго эквивалентных количествах. В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекающая на внешней и внутренней поверхности ионита.

Процессы ионного обмена, протекающие в гетерогенной среде, обладают скоростью, определяемой фактическими скоростями диффузии - наиболее медленной стадией процесса ионообмена. Этот вывод подтверждается тем, что общая скорость процесса падает с увеличением размеров зерен ионита. Ионный обмен имеет свойство избирательности. Из слабоконцентрированных растворов «извлекаются», обмениваются лучше многовалентные ионы, чем одновалентные, а при высоких концентрациях раствора эффективнее протекает адсорбция одновалентных ионов. Именно на этом свойстве основана технология ионообменной очистки вод и регенерация ионита. Например, при умягчении воды происходит ионный обмен двухвалентных катионов кальция и магния, находящихся в растворе, на одновалентные ионы натрия или водорода – подвижные ионы ионита, при этом одновалентные ионы, находящиеся в растворе, практически не адсорбируютсяна катионите.

При обработке ионита концентрированным раствором поваренной соли ионы двухвалентных металлов, адсорбированные поверхностью ионита, замещаются ионами натрия. Таким образом, из концентрированных растворов происходит ионный обмен одновалентных ионов. Эту особенность используют при регенерации ионитов – восстановлении ионообменной способности.

Кислотно-основные свойства ионитов

Как уже было отмечено ранее, различают сильные и слабокислотные катиониты. У сильнокислотныхкатионитов обменным ионом является водород, у слабокислотных – ион натрия.Также различают сильно- и слабоосновные аниониты. Сильноосновные находятся в ОН-форме, обменным является гидроксид-ион, слабоосновные анионитысодержат в качестве обменного иона анионы слабых кислот, например гидрокарбонат-ион. Существуют иониты смешанного типа. Ионообменную очистку производят последовательным фильтрованием очищаемых вод через катионит, азатем через анионит, при этом осуществляются следующие химические реакции:

 

m [К] Н⁺ +Ме^m+ →[К]_mМе^m+ + mН⁺,

 

где [К] - матрица катионита;

H⁺- обменный противоион катионита;

Ме ^m+ - обменный ион раствора, извлекаемый катион.

 

n [Аn] ОН^- + А^n-→ [Аn]_n А ^n- + nОН^-,

 

где [Аn] - твердая фаза анионита;

ОН^- - обменный ион анионита;

А ^n-обменный (извлекаемый) ион раствора.

 

В результате Н-катионирования повышается кислотность воды, при последующем фильтровании обрабатываемой воды через анионит в ОН^-форме происходит нейтрализация кислотности. При наличие в воде анионов сильных и слабых кислот анионирование производят в две ступени, вначале извлекают анионы сильных кислот на слабоосновных анионитах, а затем анионы слабых кислотна сильноосновных анионитах.

Регенерация ионитов

По мере фильтрования воды через ионит и ее очистки происходит уплотнение ионита и снижение его обменной способности. Для восстановления последней ионит регенерируют. Процесс регенерации осуществляют в следующей последовательности: взрыхляют, фильтруя воду или водовоздушную смесь снизу вверх; фильтруют через ионит регенерационный раствор. Для катионитов таким раствором является 2-8 %-ый раствор кислоты (серной или соляной) или 10 %-ый раствор поваренной соли. При регенерации анионитов используют 2-6 %-ый раствор основания, или каустической соды. В процессе фильтрования регенерационного раствора многовалентные адсорбированные ионы вытесняются одновалентными по следующим схемам:

 

[К]_m Ме^m+ + _m(Н₂S0₄) →_m[К] Н⁺ + Ме₂(S0₄)_m (длякатионита);

 

[Аn]_n А^n- + nNаОН→n[Аn] ОН^- + Nа_n Аⁿ_- (для анионита).

 

После регенерации производят отмывку ионита от регенерационного раствора, для этого иониты промывают водой, фильтруя ее сверху вниз. Продукты регенерации - элюаты – представляют собой концентрированные кислые или щелочные растворы, содержащие большое количество извлекаемых из ионитов компонентов – многовалентных катионов или анионов. Первые порции элюатов являются наиболее концентрированными по извлекаемым компонентам, их или сбрасывают в городскую канализацию, предварительно нейтрализовав путем смешения кислых и щелочных элюатов (возможно также дополнительное введение соответствующих реагентов), или собирают в специальные емкости для извлечения и утилизации ценных продуктов.

Применяют несколькоспособов утилизации концентрированных элюатов, например без специальнойобработки, если можно их использовать в основном производстве в качестве сырья или вспомогательного материала; смешение с основным потоком отходапроизводства; обработка элюатов химическими, физическими или биологическими агентами. Из химических агентов используют осадители, окислители, газообразователи, из физических тепло, холод, ультрафиолет, водяной пар, электричество, из биологических - различные микроорганизмы, деструктирующие итрансформирующие компоненты регенерационных растворов. Последующиепорции элюатов более низкими концентрациями загрязняющих веществ собирают в конце процесса в отдельную емкость и используют на первых стадияхпоследующих регенераций.

 

Технологический расчет

Рассчитать противоточный ионообменный аппарат для извлечения итаконовой кислоты на анионите ЭДЭ-10 П в ОН^—форме (рис. 8).

Итаконовую кислоту (метиленянтарная к-та t_пл 167—168 °С), получают микробиологическим синтезом, при сбраживании сахаросодержащих сред. Растворы после брожения, как правило, содержат 4-6% итаконовой кислоты, 0,5-1,5% сахара, до 0,6% красящих веществ, другие органические кислоты образуются в качестве побочных продуктов при брожении.

а б

 

Рисунок 8 – Химическая структура:

а – итаконовой кислоты, б – элементарного звена ионита ЭДЭ-10 П

 

ЭДЭ-10 П - это полифункциональный анионит смешанной основности, гелевой структуры, содержит в качестве ионогенных групп: вторичные, третичные аминогруппы алифатического ряда и группы четвертичных аммониевых оснований. Применяется для деминерализации воды, обессоливания воды, содержащей небольшие количества органических веществ, используется для очистки гидролизных растворов, глюкозных сиропов в медицине, молочной сыворотки в пищевой промышленности, этилового спирта от примесей кислот и альдегидов.

 

1. На основании изотермы Лэнгмюра определяем максимально возможное содержание итаконовой кислоты в ионите для данного исходного содержания:

г/г смолы

Тогда:

г/г смолы

 

Уравнение материального баланса имеет следующий вид:

(6.2.1)

 

Из уравнения (6.2.1)определяем расход ионита:

г смолы/с

2. Диаметр аппарата находим из площади поперечного сечения:

см

 

3. Для нахождения высоты слоя H_сл необходимо сначала найти уравнение

рабочей линии:

где а и b - коэффициенты.

Определяем коэффициенты а и b из уравнения (6.2.1) при и :

 

Тогда уравнение рабочей линии:

 

где [с] = г/мл; = г/г смолы.

Число единиц переноса для нахождения высоты слоя определяется из

уравнений (6.1.8 – 6.1.10):

 

Далее необходимо представить с* () в явном виде, используя уравнение

изотермы:

 

Для определения числа единиц переноса используем метод графического интегрирования. Данные представлены в табл.1

 

 

 

 

Таблица 1

 

№по пор.	с∙10-3		с* • 103
	13,00	0,57	5,60	135,13
	11,75	0,52	4,38	135,68
	10,50	0,48	3,62	145,34
	9,25	0,43	2,88	156,98
	8,00	0,38	2,28	174,82
	6,75	0,34	1,89	205,76
	5,50	0,29	1,47	248,13
	4,25	0,25	1,19	326,79
	3,00	0,20	0,88	471,70
	1,75	0,15	0,61	877,19
	0,50	0,11	0,43	14285,71
Δс= 1,25х10-3				Σ 17163,23
(по методу трапеции)

 

4. Время пребывания ионита в аппарате определяем по формуле:

τ =V_ап∙(1-ε)/

где V_ап -объем аппарата; - объемный расход ионита.

Заключение

Ионный обмен представляет собой один из новых, перспективных и широко разрабатываемых типовых процессов химической технологии. Однако, достижения в области химического синтеза ионообменных материалов,а также их применения в различных отраслях промышленности опережают развитие теоретических знаний, на основе которых проектируют аппараты для проведения ионообменного процесса.

Успехи в развитии теоретических основ химической технологии дают возможность осуществить единый подход к математическому описанию сложного процесса, протекающего в ионообменном реакторе.

В данной работе мы представили применение ионитов в промышленности, показали их неограниченные возможности во всех областях науки и техники. Продемонстрировали возможное аппаратурное оформление для некоторых процессов. Нами также осуществлен инженерный расчет ионообменного аппарата работающего в противоточном режиме.

Таким образом, противоточный ионообменный аппарат при заданных параметрах обладает диаметром 23,37 см, высотой слоя 1,12 м, массовым расход анионита ЭДЭ-10П 0,813 г смолы/с; время пребывания ионита в аппарате составляет 222 мин.