Eesmärk- määrata ioonivaheti üks peamisi füüsikalisi ja keemilisi omadusi - kogu dünaamiline vahetusvõime (PDEC).

Töö olemus. Maksimaalne ioonide kogus, mida ioonivaheti suudab neelata, määrab selle kogu vahetusvõime. See vastab ionogeensete rühmade kontsentratsioonile. Tootlikkust väljendatakse vahetatud ioonide millimolekvivalentide arvuna 1 g kuiva (mmol ekv/g) või 1 ml paisunud ioonivaheti kohta (mmol ekv/ml) pH väärtustel, mis vastavad selle täielikule ionisatsioonile. Ioonivahetite võimsuse määramine toimub staatilistes või dünaamilistes tingimustes (ioonivahetuskolonnis).

Ioonivahetite võimsus dünaamilistes tingimustes määratakse väljundkõverate järgi, mis on konstrueeritud koordinaatides "Vahetuva iooni kontsentratsioon kolonni väljalaskeava juures – eluaadi maht". Neid kasutatakse täieliku dünaamilise vahetusvõime (PDOE) ja dünaamilise vahetusvõime läbimurdeni (DOE) leidmiseks, mis näitab neeldunud ioonide kogust kuni nende ilmumiseni eluaadis (läbimurre).

Laboritöös on vaja määrata vase (II) tugevalt happelise katioonivaheti KU-2 PDOE. Selleks CuSO 4 lahus pidevalt läbivad kolonni, mis on täidetud H+-vormis KU-2 katioonivahetiga, ja kogutakse eraldi osa väljavoolavast lahusest ( eluaat) mõõtekolbidesse, et määrata igas neist Cu 2+ kontsentratsioon.

Kui CuSO4 lahus lastakse läbi ioonivaheti kihi, toimub ioonivahetusreaktsioon:

2 R–SO 3 H + CuSO 4 Û (R–SO 3) 2 Cu + H 2 SO 4.

Eluaadi esimestes osades peaksid Cu 2+ ioonid puuduma, kuna ioonivaheti kiht küllastub järk-järgult nende ioonidega lahuse läbimisel. Siis tuleb libisemine Cu 2+ ioonid eluaati, misjärel Cu 2+ kontsentratsioon kolonni väljalaskeava juures suureneb, kuni see võrdub Cu 2+ kontsentratsiooniga kolonni sisselaskeavas, mis näitab täielik küllastus ioniidi kiht.

Eluaadi Cu 2+ ioonide sisalduse analüüs viiakse läbi fotomeetriliselt. Määratlus põhineb vase (II) ammoniaagi moodustumisel, millel on intensiivne sinine värvus:

Cu 2+ + 4NH 3 ↔ 2+.

Selle ühendi valguse neeldumise maksimum vastab λ = 620 nm. Tundmatu kontsentratsiooni leidmiseks kasutatakse kalibreerimiskõvera meetodit.

Seadmed, riistad, reaktiivid: kolonn vesiniku kujul oleva KU-2 sulfokatiidiga; fotoelektriline kolorimeeter; küvetid ( l= 3 cm); Mariotte'i kolb lahuse ühtlaseks varustamiseks kolonni; prillid; mõõtekolvid mahuga 25,0 ml (3 tk.) ja 50,0 ml (6 tk.); gradueeritud pipetid; mõõtesilinder mahuga 25 ml, 0,1 N. standardlahus CuSO 4; 3 n. HCl lahus; reaktiivid Cu 2+ tuvastamiseks; 5% NH3 vesilahus; universaalne indikaatorpaber.

Töö lõpetamine

1. Ioonivaheti tööks ettevalmistamine. Töös kasutatakse eelnevalt ettevalmistatud katioonivahetiga kolonni, mille kaal tuleb õpetajaga selgeks teha.

Kõigepealt on vaja katioonivaheti muuta vesiniku vormiks. Selleks lastakse kolonnist läbi 80–100 ml 3N vesinikkloriidhapet. HCl lahus, kontrollides filtraadi Cu (II) sisaldust. Analüütiliste reaktiividena vase (II) tuvastamiseks võite kasutada NaOH või KOH lahust ( moodustub sinine sade Cu (OH) 2), NH 3 vesilahus ( moodustub intensiivse sinise värvusega vase (II) ammooniumikompleks) ja jne.

Cu (II) katioonide puudumisel filtraadis pestakse kolonni katioonivahetit destilleeritud veega neutraalseks. Sellisel kujul loetakse ioonvaheti tööks ettevalmistatuks.

2. Ioonivahetuse läbiviimine dünaamilistes tingimustes. CuSO4 lahus valatakse kolonni ülaossa kinnitatud Mariotte'i kolbi. Seejärel hakkavad nad seda laskma läbi katioonikihi, säilitades konstantse (~ 1 ml/min) filtreerimiskiiruse ja reguleerides seda väljalaskeava juures kruviklambriga. Tööde tegemisel on vaja tagada, et lahuse tase kolonnis püsiks konstantsena. Filtraat kogutakse eraldi portsjonitena mõõtekolbidesse mahuga 25,0 ml ja igas neist määratakse Cu (II) kontsentratsioon ( vaata allpool).

CuSO 4 lahuse läbimine katioonvahetist peatub, kui küllastava Cu (II) iooni sisaldus kahes viimases proovis jääb konstantseks.

3. Analüüsi läbiviimine.

§ Kalibreerimisgraafiku koostamine. Standardse 0,1 N alikvoodid. CuSO 4 lahus (1,00; 2,50; 4,00; 5,00; 6,00 ml) pannakse 50,0 ml mahuga mõõtekolbidesse, igasse kolbi lisatakse 25 ml 5% ammoniaagilahust ja destilleeritakse vett kuni märgini. Sama mahutavusega mõõtekolvis valmistatakse võrdluslahus, mis sisaldab 25 ml ammoniaagilahust.

Mõõtke valguse neeldumist ( AGA) üks valmistatud lahustest 3 cm kihipaksusega küvetis koos kõigi filtritega ja vastavalt sõltuvusele A = f(λ) valib filtri.

Seejärel mõõtke valitud valgusfiltriga kõigi võrdluslahuste valguse neeldumine. Mõõtmistulemusi töödeldakse vähimruutude meetodil, eelistatavalt arvutiga ja koordinaatidesse ehitatakse kalibreerimisgraafik. A – FROM, mmol ekv/ml.

§ Filtraadi analüüs. Iga kogutud eluaadi osa (25,0 ml) kanti kvantitatiivselt 50,0 ml mahuga mõõtekolbi ja lahjendati 5% ammoniaagilahusega märgini. Valguse neeldumist mõõdetakse võrdluslahuse suhtes ja Cu (II) kontsentratsioon lahuses leitakse kalibreerimiskõveralt.

Kui mõõdetud väärtus A≥ 0,6, seejärel asetatakse selle lahuse alikvoot (10,0 ml) 50,0 ml mahuga mõõtekolbi, lisatakse 20 ml 5% NH4OH lahust ja lahjendatakse destilleeritud veega märgini. Saadud lahus on fotomeetriline. Vase (II) kontsentratsiooni arvutamisel eluaadi igas osas tuleb arvesse võtta tehtud lahjendust.

4. Vastuvõetud andmete töötlemine.

4.1. PDOE arvutamine:

valguse neeldumise mõõdetud väärtuse järgi ( AGA) iga lahus määrab Cu (II) ioonide kontsentratsiooni kalibreerimisgraafiku abil;

· vastavalt ekvivalentide seadusele arvutatakse Cu (II) ioonide kontsentratsioon eluaadi kõigis osades (25 ml), võttes arvesse kõiki eelnevalt tehtud lahjendusi;

Arvutage Cu (II) ioonide keemiline kogus (mmol ekv) kogumahus jäi vahele lahendus valemi järgi

kus V(Cu 2+) = 25 ml – eluaadi ühe portsjoni maht; lk- portsjonite arv.

Arvutage Cu (II) ioonide keemiline kogus (mmol ekv) kõigis eluaadi osades vastavalt valemile

kus C i(1/2 Cu 2+) - vase kontsentratsioon in i- eluaadi osa.

Erinevusega leidke ioonivaheti neeldunud Cu (II) mmol ekvivalentide arv:

Ioonivaheti (PDOE) dünaamilise vahetusvõime väärtus arvutatakse valemiga

Mõnel juhul arvutatakse õpetaja korraldusel lisaks DOE.

4.2. Väljundkõvera ehitamine. Saadud andmete põhjal koostatakse väljundkõver, mis kujutab abstsissteljele eluaadi mahtu (ml) katse algusest ja vase (II) kontsentratsiooni igas eluaadi osas (mmol ekv/l ) piki ordinaattelge.

1. lehekülg

Katioonivaheti töövõime sõltub katiooni tüübist, vee üldisest mineralisatsiooniastmest, karbonaadi ja mittekarbonaadi kõvaduse suhtest ja suurusest ning filtreerimiskiirusest.

Katioonivaheti töövõime sõltub veest püütud katioonide tüübist, töödeldud vee soola koostisest, vee pH väärtusest, katioonivaheti kihi kõrgusest, filtreerimiskiirusest, töörežiimist. katioonivaheti filtrite ja lauasoola regenereerimise erikulu.

Katioonivaheti töövõime sõltub veest püütud katioonide tüübist, soolakomponentide vahekorrast töödeldud vees, vee pH väärtusest, katioonivaheti kihi kõrgusest, filtreerimiskiirusest, töörežiimist. katioonvaheti filtrite režiim ja regenereeriva reaktiivi erikulu.

Katioonivaheti töövõime on muutuv väärtus, mis sõltub töötingimustest, lähtevee koostisest ja vahetuskatioonivaheti olemusest.

Katioonivaheti töövõimet mõjutavad ka vee anioonne koostis ja selle kogu soolasisalduse väärtus. Nende tegurite mõju avaldub erineval määral sama katioonivaheti puhul H- ja Na-katiooniseerumise ajal, aga ka erinevate katioonivahetite puhul. Kui Na-katiooniseerimisel ei avalda anioonne koostis oluliselt sulfoonitud kivisöe töövahetusvõimet, siis H-katiooniseerimisel muutub see määravaks.

Eristage katioonivaheti täis- ja töövõimet. Viimane oleneb katiooni tüübist, selle regenereerimise täielikkusest, soola kogusisaldusest lähtevees ja filtrikihi kõrgusest.

Pärast katioonivaheti töövõime ammendumist kaotab see võime vett pehmendada ja see tuleb regenereerida.

Katioonivaheti töövõime taastamiseks on vaja sellest eraldada peidetud katioonid, asendades need vahetuskatioonidega. Ammendatud katioonivaheti vahetusvõime taastamise protsessi nimetatakse selle regenereerimiseks. Naatriumkatioonide suhteliselt kõrge kontsentratsiooni tõttu regenereerimislahuses asendavad need varem imendunud kaltsiumi ja magneesiumi katioone.

Katioonivaheti töövõime väärtust mõjutab oluliselt filtrikihi kõrgus. Selle suurenemisega pikeneb pehmendatud vee kokkupuuteaeg katiooniga ja seetõttu suureneb selle kasutusaste.

Katioonivaheti normaalse töövõime säilitamiseks tuleb viimast regulaarselt peenfraktsioonidest vabastada.

Mõju katioonivaheti töövõimele avaldab filtreerimiskiirus, mõjutades samal määral erinevaid katioone, sõltumata nende olemusest. Suure filtreerimiskiiruse korral väheneb katioonivaheti töövõime vee ja katioonivaheti kokkupuute kestuse lühenemise tõttu. Esimese astme katioonfiltrites, kus filtreerimiskiirus tavaliselt ei ületa 15–20 m/h ja laadimiskõrgus 20–28 m, on kiiruse mõju töövahetuse võimsusele aga ebaoluline. Teise etapi H - katioonivahetusfiltrites ulatub filtreerimiskiirus 30-50 m / h katioonvaheti kihi kõrgusel 1 5 m; seetõttu on nende jaoks kiiruse mõjutegur käegakatsutav ja seda tuleks nende filtrite arvutamisel arvesse võtta.

Mõningatel juhtudel väheneb katioonivaheti töövõimekus vee ebaühtlase filtreerimise tõttu üle filtriala, mis on tingitud lokaalsete tihendite moodustumisest katioonivaheti kihis või saasteainete ebaühtlasest kogunemisest. Katioonivaheti tihendatud või saastunud piirkondades on vee filtreerimise kiirus madalam, mistõttu selle vahetusvõime on alakasutatud, mis viib selle üldise vähenemiseni filtri jaoks. Ebaühtlane filtreerimiskiirus põhjustab suure veekiirusega kohtades kareda vee enneaegse läbimurde; see tegur põhjustab ka katioonivaheti üksikute sektsioonide ebaühtlast regeneratsiooni. Kõik see viib filtri kogu töövahetuse võimsuse vähenemiseni. Töövahetusvõime langus võib toimuda kaltsiumkarbonaadi ladestumise tõttu katioonivaheti teradele eellubjatud taimedes. Filtri töövahetusvõime taastamiseks on vaja eemaldada katiooni teradele tekkinud ladestused, pestes seda vesinikkloriidhappe lahusega.

Filtreerimiskiiruse suurenemisega väheneb katiooni töövahetusvõime.

Tänan teid juba ette vastuse eest.

C100E on geeli tüüpi tugev happeline katioonivahetusvaik, millel on kõrge vahetusvõime, keemiline ja füüsikaline stabiilsus ning suurepärane jõudlus. C100E hoiab tõhusalt kinni suspendeeritud osakesed ning eemaldab ka happelisel (H+) kujul raua- ja mangaaniioone.

Suur vahetusvõime võimaldab saada vett summaarse karedusega suurusjärgus 0,05 meq/l ning suurepärane ioonivahetuse kineetika võimaldab saavutada suuri voolukiirusi. C100E kasutamisel ei ületa vee karedust põhjustavate ioonide libisemine tavalistes töötingimustes reeglina 1% lähtevee kogukaredusest. Sel juhul vaigu vahetusvõime praktiliselt ei muutu, eeldusel, et monovalentsete ioonide osakaal ei ületa 25%.

C100E ei lahustu happe- ja leelislahustes ning kõigis tavalistes orgaanilistes lahustites. Jääkoksüdeerivate ainete (nagu vabad kloori- või hüpokloritioonid) olemasolu vees võib vähendada katioonvahetusvaigu osakeste mehaanilist tugevust. C100E on termiliselt stabiilne kuni temperatuurini 150°C, kuid kõrgel temperatuuril langeb happelise (H+) kujul oleva katioonivahetusvaigu vahetusvõime.

Tehnilised andmed

LÜHIKIRJELDUS
allalaadimise kohal vaba ruum - 50%
tera suurus 0,6 mm kuni 90%
Puistemass 820gr/l
Veesisaldus (niiskus) 42-48%
Koguvõimsus kuni 2 g ekv/l
töötemperatuur 4-120 0 C
vee pH 0-14
Na ioonide üleminek H - 8%
kihi kõrgus 0,8 - 2m
teeninduskiirus 5-40m/h
konkreetne teeninduskiirus 20 oz/h
tagasipesu kiirus 20 C juures 10-12m/h
veekogus tagasipesuks uue pesukogusega 20 untsi
tagasipesuvee maht 4oz
veekogus soola aeglaseks pesemiseks 4 untsi
soola tarbimine regenereerimisel 1 liitri koormuse kohta - 150g
jääkõvadus - 0,5mg ekv/l
erirõhukadu kPa m 2 laadimiskõrgus - 1
rõhukadu 11 mbar temperatuuril 4 °C 1 m laadimiskõrguse kohta
regeneratsiooni kiirus - 5m/h
kiirus soola veega pesemisel - 5m/h

TAOTLEMISE TINGIMUSED
oksüdeeritud raua (Fe 3+) puudumine vees
lahustunud hapniku puudumine vees
orgaanilise aine puudumine vees
oksüdeerivate ainete puudumine vees
pärast naatriumi pehmenemist suureneb üldine aluselisus ja kuivjääk.
tugevad oksüdeerivad ained nagu lämmastikhape võivad põhjustada ägedaid reaktsioone
heljuvaid aineid lähtevees kuni 8 mg/l
lähtevee värvus kuni 30 0 С
lähtevee hägusus kuni 6 mg/l
lähtevee kogukaredus kuni 15 mg ekv/l

Allpool on toodud meetodid katioonivaheti vahetusvõimsuse ja muude parameetrite arvutamiseks.

Katiooni töövahetusvõimet E f g÷eq / m3 saab väljendada järgmise valemiga:

E f \u003d Q x W; Ep = ep x Vk.

Paisunud olekus filtrisse laaditud katiooni kogust väljendatakse järgmise valemiga:

Katioonivaheti töövõime ep, g÷eq / m 3 määramise valem:

ep \u003d Q x W / S x h;

kus W on lähtevee karedus, g÷eq/m3; Q - pehmendatud vee kogus, m 2; S on katioonfiltri pindala, m 2 ; h on katioonikihi kõrgus, m.

Tähistades vee liikumiskiirust katioonvahetis kui v k , saab pehmenenud vee koguse Q leida järgmise valemi abil:

Q \u003d v k x S x Tk \u003d ep x S x h / W;

mille põhjal on võimalik arvutada katioonfiltri töö kestus Tk:

Tk = ep x h/v k x W.

Samuti on korrelatsioonigraafikute abil võimalik arvutada katioonivaheti vahetusvõimet.

Ligikaudsete praktiliste andmete põhjal suudab teie filter puhastada mitte rohkem kui 1500 liitrit. vesi. Täpsemate arvutuste tegemiseks peate teadma vaigu kogust (mahtu) oma filtris ja vaigu töövahetusvõimet (katioonivahetusvaikude puhul varieerub töövõime 600-1500 meq/l). Neid andmeid teades saate oma valemite järgi hõlpsasti välja arvutada pehmendatud vee täpse koguse.

Ioonivahetid on tahked, lahustumatud polüelektrolüüdid, looduslikud või kunstlikud (sünteetilised) materjalid, mida kasutatakse laialdaselt veepuhastusprotsessides: kaltsiumi- ja magneesiumikatioonidest (pehmendamine), orgaaniliste hapete anioonidest, demineraliseerimisel ja mõnel muul eriotstarbel.

Keemilise olemuse järgi on ioonivahetid anorgaanilised (mineraalsed) ja orgaanilised.

Kõige tüüpilisemad looduslikud anorgaanilised ioonivahetid on tseoliidid. Ioonivahetite hulka võib lugeda ka savid, vilgukivi, grafiitoksiidid, titaani polühapete soolad, vanaadium ja paljud teised ühendid.

Ioonivahetusvaigud

Sünteetilisi, kunstlikult saadud ioonivahetiid nimetatakse ioonvahetusvaigud.

Ioonivahetusvaigud on suure molekulmassiga ristseotud ühendid, mis moodustavad polümeermaatriksi, mis sisaldab funktsionaalsed rühmad happelist või aluselist tüüpi, mis dissotsieeruvad või on võimelised vees ioniseeruma.

• happe tüüpi funktsionaalrühmad on: -COOH; -S03H; -RO 4 H 2 jne.
• põhitüübi funktsionaalrühmad on: ≡N; =NH; -NH2; -NR3+ jne.

Välimuselt on ioonvahetusvaigud sfääriline materjal läbimõõduga 0,3–2,0 mm (põhisuurus 0,5–0,8 mm), peaaegu värvitust kuni kollakaspruunini, reeglina kergelt kokku kleepunud (sest märg).

Struktuuri järgi võivad ioonivahetusvaikudel olla geeljas, makropoorne ja vahepealne struktuur, mille määrab polümeeri molekulide ristsidumise määr. Geel ioonivahetusvaigul on ioonivahetuse võime ainult märjana (paisutatud), kuna sellel puudub tõeline poorsus. Makropoorne ioonivahetusvaiku iseloomustab arenenud pinnaga pooride olemasolu, seega on see võimeline ioonivahetuseks nii paisunud kui ka mitte paisunud olekus.

Ioonivahetusvaigu, anioonivaheti ja katioonvaheti terade diagramm näeb üldiselt välja järgmine:

1. polümeermaatriks
2. polümeermaatriksi ioonsed funktsionaalrühmad
3. vastasioonid

Eespool nimetatud funktsionaalrühmad on võimelised astuma ioonivahetusreaktsioonidesse lahustunud ainete ioonidega (lisandid - vee suhtes). Kui ioonivahetusvaigu maatriks on tähistatud kui R, näeb sellise vahetuse reaktsioon välja järgmine:

a) R - - H + + Na + + Cl - → R - - Na + + H + + Cl -

b) R + - OH - + Na + + Cl - → R + - Cl - + Na + + OH -

Sellise reaktsiooni kohaselt vahetuvad kõvadussoolade, raua- ja mangaaniioonide katioonid kergesti.

Ülaltoodud reaktsioonidest on näha, et ioonivahetusvaigud suudavad vahetada katioone (a) – antud juhul nimetatakse neid katioonivahetiteks või vahetusanioonideks (b) – antud juhul nimetatakse neid anioonivahetiteks. Lisaks näidatud ioonivahetusreaktsioonidele ioonivahetusvaikudel on võimalikud komplekside moodustumine ja redoksreaktsioonid, samuti füüsikaline sorptsioon.

Ioonivahetusvaikude sorptsiooniomadused ei sõltu mitte ainult funktsionaalrühmade olemusest, vaid ka töödeldud vee happesusest (pH-väärtusest).

Ioonivahetusvaikude klassifikatsioon

Sõltuvalt ioonivahetusvaigu polümeeriahelasse sisestatud funktsionaalrühmadest on:

• -SO 3 H - tugevalt happeline katioonivaheti,
• -COOH - nõrgalt happeline katioonivaheti.

Tugevalt happeline katioonivaheti vahetab lahustes mis tahes dissotsiatsiooniastmega katioone kõigi võimalike pH väärtuste juures. Nõrgalt happeline katioonivaheti vahetab katioone happelahustest pH >5 juures.

• -NH 2, \u003d NH, ≡N - nõrgalt aluseline anioonivaheti,
• -NR3 + Hal - - tugevalt aluseline anioonivahetusvaik.

Tugev alusanioon vahetab lahustes mis tahes dissotsiatsiooniastmega anioone kõikide võimalike pH väärtuste juures. Nõrgalt aluseline anioonivaheti vahetab leeliselahustest anioone pH väärtuste juures<8..9.

Ioonivahetite ja ioonvahetusvaikude omadused

Ioonivahetite olulisemad omadused on:

• kogu (kogu) vahetusvõimsus- see on elektrolüüdilahusega tasakaalus oleva ioonivaheti massi- või ruumalaühikus neeldunud aine ioonide maksimaalne milligrammiekvivalentide arv (mg-ekv),
• dünaamiline (töö)vahetusvõime- see on ioonide maksimaalne arv mEq, mis neeldub massi- või ruumalaühikus lahuse filtreerimise tingimustes läbi ioonvaheti kihi, kuni ioonid "lekivad" filtraati.

Enamiku ioonivahetusvaikude koguvahetusvõime väärtused jäävad vahemikku 2...5 mekv/g (1...2,5 g-ekv/dm3). Vahetusvõimsuse määramise kord on standardiseeritud.

Dünaamiline (töötav) vahetusvõimsus on alati väiksem kui staatiline, kuna see sõltub järgmistest teguritest:

• ioonvahetusvaigu olemus,
• selle granulomeetriline koostis,
• lähtevee kvaliteeti ja sõltuvust ei määra mitte ainult kinni jäänud ioonide koguarv, vaid ka nende omavaheline suhe, raua, mangaani, orgaaniliste lisandite olemasolu lähtevees,
• lähtevee pH väärtus, selle temperatuur ja regenereerimislahuse temperatuur,
• puhastatud vee ühtlane läbiminek läbi ioonivaheti kihi,
• regenerandi olemus, selle puhtus, kontsentratsioon, eritarbimine,
• saadud vee kvaliteedi nõutavad näitajad pärast filtreerimist läbi ioonvahetusvaigu,
• ioonivaheti kihi kõrgus, töö-, regeneratsiooni- ja lahtifiltreerimise kiirus,
• pesuvee eritarbimine,
• filtreerimisala (filtri horisontaalse osa ala),
• kompleksi moodustavate ainete ja muude tegurite lisamine regenereerimislahusele.

Ioonivahetus on tahke maatriksi ioonide vahetusprotsess ( ioniit ) veeioonidega.

Ioonivahetus on üks peamisi meetodeid vee puhastamiseks ioonreostusest, süvavee magestamine. Erinevate ioonivahetusmaterjalide olemasolu võimaldab lahendada erinevate keemiliste koostiste vee puhastamise probleeme kõrge efektiivsusega. See on ainus meetod, mis võimaldab lahusest valikuliselt ekstraheerida mõningaid komponente, näiteks kõvadussooli, raskmetalle.

Ioniidid - tahked lahustumatud ained, mis sisaldavad funktsionaalseid (ionogeenseid) rühmi, mis on võimelised lahustes ioniseeruma ja vahetama ioone elektrolüütidega. Funktsionaalrühmade ioniseerimisel tekib kahte tüüpi ioone: ühed on jäigalt fikseeritud ioonivaheti raamile (maatriksile) R, teised on vastupidise märgiga (vastasoonid), mis on võimelised minema lahusesse samaväärse koguse eest. teistest sama märgiga ioonidest lahusest.

Ioniidid jagunevad ionogeensete rühmade omaduste järgi nelja põhitüüpi:

• amfolüüdid;
• selektiivsed ioonivahetid.

Maatriksi olemuse järgi jagunevad need järgmisteks osadeks:

• anorgaanilised ioonivahetid;
• orgaanilised ioniidid.

Katioonivahetid- maatriksile fikseeritud anioonide või anioonivahetusrühmadega ioonivahetid, mis vahetavad katioone väliskeskkonnaga.

Kui katioonivaheti oli vesiniku H + - vormis, siis ekstraheeritakse kõik vees olevad katioonid. Puhastatud lahus on happeline.

Kui katioonide, nagu Na, Ca, Mg, Fe (looduslik vesi) segu sisaldab lahus, liigub läbi katioonivaheti, moodustuvad selle kihis iga katiooni sorptsioonifrondid ja nende mitte-samaaegne läbimurre filtraati. Puhastamine on lõppenud, kui filtraati ilmub peamine ekstraheeritav või kontrollitav ioon.

anioonivahetid- maatriksile fikseeritud katioonide või katioonivahetusrühmadega ioonivahetid, mis vahetavad anioone väliskeskkonnaga.

Kui anioonivaheti on hüdroksüül-OH-vormis, tarnitakse anioonidest puhastamiseks reeglina pärast kokkupuudet H + -vormis katioonivahetiga lahus, millel on happeline reaktsioon.

Sel juhul ekstraheeritakse kõik lahuses olevad anioonid. Puhastatud lahus on neutraalne.

Kui anioonide segu, nagu Cl, SO 4, PO 4, NO 3, lastakse läbi anioonivaheti lahuse, moodustuvad selle kihis iga iooni sorptsioonifrondid ja nende läbimurdmine filtraati ei alga anioonivahetist. sama aeg. Vee puhastamine lõpeb, kui filtraati ilmub ekstraheeritav ioon.

Amfolüüdid sisaldavad fikseeritud katioon- ja anioonivahetusrühmi ning toimivad teatud tingimustel kas katioonivaheti või anioonivahetina. Kasutatakse tehnoloogiliste lahenduste töötlemiseks.

Selektiivsed ioonivahetid sisaldavad spetsiaalselt valitud ionogeenseid rühmi, millel on kõrge afiinsus ühe või ioonirühma suhtes. Neid saab kasutada vee puhastamiseks teatud ioonidest, nagu boor, raskmetallid või radionukliidid.

Ioonivahetite peamised omadused on järgmised:

• vahetusvõime;
• selektiivsus;
• mehaaniline tugevus;
• osmootne stabiilsus;
• keemiline stabiilsus;
• temperatuuri stabiilsus;
• granulomeetriline (fraktsionaalne) koostis.

vahetusvõime

Ioonivahetite ioonivahetus- ja sorptsiooniomaduste kvantitatiivseks iseloomustamiseks kasutatakse järgmisi väärtusi: summaarne, dünaamiline ja töövõime.

Täielik vahetusvõimsus(POE) määratakse ioonivahetusvõimeliste funktsionaalrühmade arvuga õhukuiva või paisunud ioonvaheti massiühiku kohta ja seda väljendatakse mg-ekv/g või mg-ekv/l. See on konstantne väärtus, mis on märgitud ioonivaheti passis ja ei sõltu vahetatava iooni kontsentratsioonist ega olemusest. POE võib muutuda (väheneda) termilise, keemilise või kiirgusega kokkupuute tõttu. Reaalsetes töötingimustes väheneb POE aja jooksul ioonivaheti maatriksi vananemise, funktsionaalrühmi blokeerivate mürgiioonide (orgaanilised, raud jne) pöördumatu neeldumise tõttu.

Tasakaaluline (staatiline) vahetusvõime sõltub ioonide kontsentratsioonist vees, pH-st ning ioonvaheti ja lahuse mahtude suhtest mõõtmisel. See on vajalik tehnoloogiliste protsesside arvutuste tegemiseks.

Dünaamiline vahetusvõimsus (DOE) kõige olulisem näitaja veepuhastusprotsessides. Ioonivaheti korduva kasutamise tegelikes tingimustes sorptsiooni-regeneratsiooni tsüklis ei kasutata vahetusvõimsust täielikult, vaid ainult osaliselt. Kasutusaste määratakse regenereerimisvahendi regenereerimismeetodi ja tarbimise, ioonivaheti kokkupuuteaja vee ja regenereeriva ainega, soola kontsentratsiooni, pH, konstruktsiooni ja kasutatava aparaadi hüdrodünaamika järgi. Joonis näitab seda peatada veepuhastusprotsessut teatud piirava iooni kontsentratsioonil reeglina ammu enne ioonivaheti täielikku küllastumist. Sel juhul neeldunud ioonide arv, mis vastab ristküliku A pindalale, mis on seotud ioonivaheti ruumalaga, on DOE. Neeldunud ioonide arvu, mis vastab täielikule küllastumisele, kui läbimurre on 1, mis vastab DOE ja S-kujulise kõvera kohal oleva varjutatud joonise pindala summale, nimetatakse kogu dünaamilise vahetusvõimsuseks (PDEC). Tüüpilistes veetöötlusprotsessides ei ületa DOE tavaliselt 0,4–0,7 PFU.

Selektiivsus. Selektiivsuse all mõistetakse võimet selektiivselt sorbeerida ioone keerulise koostisega lahustest. Selektiivsuse määravad ionogeensete rühmade tüüp, ioonvaheti maatriksi ristsidemete arv, pooride suurus ja lahuse koostis. Enamiku ioonivahetite puhul on selektiivsus madal, kuid on välja töötatud spetsiaalsed proovid, millel on kõrge võime teatud ioone ekstraheerida.

Mehaaniline tugevus näitab ioonivaheti võimet taluda mehaanilist pinget. Ioniite testitakse hõõrdumise suhtes spetsiaalsetes veskites või teatud arvu osakesi hävitava koormuse kaalu järgi. Kõik polümerisatsiooni ioonivahetid on suure tugevusega. Polükondensatsioonis on see oluliselt madalam. Polümeeri ristsidumise astme suurendamine suurendab selle tugevust, kuid halvendab ioonivahetuskurssi.

Osmootne stabiilsus. Ioonivaheti osakeste suurim hävimine toimub siis, kui muutuvad keskkonna omadused, milles need asuvad. Kuna kõik ioniidid on struktureeritud geelid, sõltub nende maht soolasisaldusest, keskkonna pH-st ja ioniidi ioonsest vormist. Kui need omadused muutuvad, muutub tera maht. Osmootse toime tõttu on teravilja maht kontsentreeritud lahustes väiksem kui lahjendatud lahustes. See muutus ei toimu aga üheaegselt, vaid "uue" lahuse kontsentratsioonide ühtlustumisel tera mahuga. Seetõttu tõmbub või paisub välimine kiht kiiremini kui osakese tuum; tekivad suured sisepinged ja ülemine kiht lõheneb või kogu tera lõheneb. Seda nähtust nimetatakse "osmootseks šokiks". Iga ioonivaheti on võimeline vastu pidama teatud arvu tsükleid sellistele keskkonna omaduste muutustele. Seda nimetatakse selle osmootseks tugevuseks või stabiilsuseks. Suurim mahumuutus toimub nõrgalt happelistes katioonivahetites. Makropooride olemasolu ioniiditerade struktuuris suurendab selle tööpinda, kiirendab ülepaisumist ja võimaldab üksikuid kihte "hingata". Seetõttu on makropoorse struktuuriga tugevalt happelised katioonivahetid osmootselt kõige stabiilsemad, nõrgalt happelised katioonivahetid aga kõige vähem osmootselt. Osmootne stabiilsus on defineeritud kui täisterade arv, mis on seotud nende esialgse koguarvuga pärast ioonivaheti proovi korduvat (150 korda) töötlemist vaheldumisi happe ja leelise lahuses ning vahepealset pesemist demineraliseeritud veega.

Keemiline stabiilsus. Kõikidel ioonvahetitel on teatav vastupidavus hapete, leeliste ja oksüdeerijate lahustele. Kõigil polümerisatsiooni ioonivahetitel on suurem keemiline vastupidavus kui polükondensatsioonivahetitel. Katioonvaigud on stabiilsemad kui anioonvaigud. Anioonivahetitest on nõrgalt aluselised hapete, leeliste ja oksüdeerivate ainete suhtes vastupidavamad kui tugevalt aluselised.

Temperatuuri stabiilsus katioonivahetid on kõrgemad kui anioonivahetid. Nõrgalt happelised katioonivahetid on efektiivsed temperatuuril kuni 130 °C, tugevalt happelised KU-2-8 tüüpi katioonivahetid - kuni 100–120 °C ja enamik anioonivahetid - mitte kõrgemal kui 60, maksimaalselt 80 °C. Sel juhul reeglina H- või
Ioonivahetite OH-vormid on vähem stabiilsed kui soolavormid.

Fraktsiooniline koostis. Polümerisatsiooni tüüpi sünteetilisi ioonivahetiid toodetakse sfääriliste osakeste kujul, mille suurus on vahemikus 0,3 kuni 2,0 mm. Polükondensatsiooni ioonivahetid toodetakse ebakorrapärase kujuga purustatud osakeste kujul, mille suurus on 0,4–2,0 mm. Standardse polümerisatsiooni tüüpi ioonivahetite suurus on 0,3–1,2 mm. Polümerisatsiooni ioonivahetite keskmine suurus on 0,5–0,7 mm (joonis). Heterogeensuse koefitsient ei ole suurem kui 1,9. See tagab kihi vastuvõetava hüdraulilise takistuse. Protsesside jaoks, kus ioonivahetiid kasutati keevkihis, toodeti NSV Liidus neid suuruse järgi 2 klassi kujul: klass A suurusega 0,6–2,0 mm ja klass B suurusega 0,3–1,2 mm.

Välismaal toodetakse spetsiaalsete tehnoloogiate abil monosfäärilist tüüpi Purofine, Amberjet, Marat h on ioonivahetiid, mille osakeste levik on väga väike: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (joonis). Sellistel ioonivahetitel on suurem vahetusvõime, osmootne ja mehaaniline stabiilsus. Monosfääriliste ioonvahetite kihid on madalama hüdraulilise takistusega, sellise katioonvahetusvaigu ja anioonvahetusvaigu segakihid on palju paremini eraldatavad.

Riis. Osakeste suuruse jaotuskõverad standard ( 1 ) ja monosfääriline ( 2 ) ioonivahetid ( a) ja selliste ioonivahetite fotod ( b)