Ионообменные смолы

Ионообменные смолы (иониты) – это твердые зернистые материалы, практически нерастворимые в воде и обычных растворителях, содержащие активные (ионогенные) группы кислотного или основного характера с подвижными ионами.

Ионообменные смолы в основном применяют:

• 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;

• в качестве катализатора для органического синтеза.

Ионообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности (при производстве сахара, алкогольных, слабоалкогольных и других напитков, пива, бутилированной воды), фармацевтической промышленности и других отраслях, а также для хозяйственно-питьевого водоснабжения (в системах водоочистки загородных домов, коттеджей, дач для удаления солей жесткости, или умягчения воды).

Смола для фильтра может задерживать ионы различных примесей (начиная от металлов и заканчивая солями жесткости), меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ.

Обмен ионами позволяет изменять ионный состав обрабатываемой жидкости, не изменяя суммарного числа зарядов, находившихся в этой жидкости до процесса обмена.

Существует ряд параметров, по которым различают ионообменные смолы (ИОС), а именно:

III. Промежуточная структура

Среднее по свойствам между гелевой и пористой структурами.

Отличительной особенностью ионообменных смол с различной структурой является то, что иониты с гелевой структурой обладают большей обменной емкостью, чем смолы с макропористой структурой. В свою очередь ионообменные смолы с пористой структурой превосходят гелевые по осмотической стабильности, химической и термической стойкости, т.е. они могут задерживать большее количество примесей практически при любой температуре воды.

3. По типу матрицы

Промышленные ионообменные материалы (ионообменные смолы), которые применяют для очистки воды, относятся к типу полимерных синтетических смол, отличающихся размерами и структурой их молекул.

Приблизительно 90% товарных синтетических ионообменных смол получено на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола.

Таким образом, различают ионообменные смолы с полистирольной  или с полиакриловой матрицей.

Получение полистирольной матрицы ионитов. Мономер стирол при нагреве полимеризуется в твердый полистирол. Этот продукт растворим в органических растворителях, а после введения в него гидрофильной функциональной группы, растворим в воде. Чтобы предотвратить такого рода растворимость и для усиления межмолекулярных связей в стирол вводят второй мономер для поперечной сшивки (структурирования). Наиболее часто используется мономер дивинилбензол (ДВБ). При увеличении доли дивинилбензола в смеси мономеров пропорционально нарастает количество сшивок, что приводит к меньшей подвижности полимерных цепочек за счет усиления межмолекулярных связей. В результате полимер приобретает большую устойчивость к воздействию окислителей, т.е. к деструктуризации, и вместе с тем снижается его способность к активизации, т.е. к процессу прививки функциональных групп, а в процессе работы уменьшается способность к сорбции-десорбции ионов. Поэтому при производстве ионообменных смол используется оптимальное количество дивинилбензола - 7-12% по весу. Сферическая форма частиц, характерная для большинства ионообменных смол - результат проведения процесса в условиях суспензионной полимеризации. Этот метод основан на том, что стирол практически нерастворим в воде, а смесь мономеров (стирол, дивинилбензол и инициатор) при перемешивании распадаются на мелкие мономерные капельки и образуют взвесь в воде – так называемую суспензию. В воду добавляют суспендирующие агенты, которые способствуют образованию капелек мономерной фазы и одновременно стабилизируют эти капельки в процессе полимеризации. В результате, после окончания реакции полимеризации весь полимер представляет собой твердые сферические частицы. Размер этих частиц зависит от геометрии реактора, природы стабилизатора и скорости перемешивания. После проведения реакции твердые полимерные шарики отмывают от суспендирующих агентов и сушат. Необработанный продукт из полимеризатора содержит некоторое количество нежелательных крупных и очень мелких частиц. Поэтому после сушки необработанные полимерные частицы проходят стадию разделения на необходимые фракции по размерам и после активации получаются зерна ионообменных смол необходимых размеров.

Получение акриловой матрицы ионитов. Несмотря на различие в химизме процессов, основные принципы производства смол с акриловой матрицей идентичны производству полистирольных смол. Полиакриловая матрица ионообменных смол может быть по-лучена полимеризацией акрилата, метакрилата или акрилнитрила. Образование межмолекулярных связей (структурирование) производится также с помощью дивинилбензола.

4. По размеру частиц

Форма и размер частиц ионита должны обеспечить эффективный контакт с обрабатываемой водой при отсутствии избыточного перепада давления.

Различают полидисперсные (рис.1) гранулы (размер частиц колеблется в диапазоне 0,3-1,2 мм) и монодисперсные (рис.2) гранулы (размер частиц, как правило, составляет 0,5-0,6 мм ± 0,05 мм).

Кроме параметров, показывающих многообразие форм ИОС, существуют числовые показатели, которые играют не менее важную роль в характеристике ионообменных смол, такие как:

Массовая доля влаги. Подвижный и фиксированный ионы в твердой фазе смолы всегда окружены молекулами воды. Вода обеспечивает движение ионов внутри смолы: чем больше воды находится между полимерными цепочками, тем больше подвижность ионов и, следовательно, выше скорость реакции ионного обмена. С другой стороны, объем, занятый водой, уменьшает объем, занятый активными центрами и ионообменными группами в полимерной матрице. Таким образом, оптимальное содержание влаги является компромиссом между этими взаимоисключающими факторами, что учитывается и варьируется в определенных пределах при производстве смол. Значение массовой доли влаги для большинства смол, используемых в процессах водоподготовки, составляет 40-60%.

Ионообменная емкость. В общих словах, под емкостью ионообменной смолы понимается количество ионов, которое может быть поглощено определенным объемом смолы.Различают полную и рабочую обменные емкости. Полная ионообменная емкость – это то количество ионов (катионы, анионы), которое может задержать ионит (смола), находящийся в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата (в случае умягчения) сравнивается с жесткостью исходной воды. Полная статическая обменная емкость может быть определена как массовая в г-экв/кг сухого ионита или объемная в г-экв/м3 влажного уплотненного ионита. Данная величина является стандартной, ее определяют в лабораториях и указывают в характеристике готового продукта.

Рабочая ионообменная емкость – это то количество ионов, которое задерживает ионит до момента «проскока» в фильтрат ионов солей жесткости. Данная величина не является стандартной, и ее невозможно определить в лабораторных условиях, т.к. рабочая ионообменная емкость зависит от многих «рабочих» факторов: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока, температуры фильтрования и т.д. Значения этих факторов приводятся в технических бюллетенях производителей ионообменных смол и в проектной документации. По исчерпании рабочей обменной способности ионита ее подвергают регенерации (восстановлению) путем пропуска поваренной соли NaCl для катионитов, либо каустической содой NaOH для анионитов.

Оптимальные условия, обеспечивающие максимальную величину рабочей обменной емкости ионообменной смолы, в каждом конкретном случае определяют при проведении наладочных работ.

Механическая прочность (истираемость) и осмотическая стабильность.

В процессе ионного обмена зерна ионита подвергаются разнообразным физико-механическим воздействиям: физического давления и трения при фильтровании, взрыхляющей промывке, гидро- и пневмовыгрузке, а также осмотического давления при ионном обмене, регенерации и отмывке. Механическая прочность показывает способность ионита противостоять данным механическим воздействиям.

Осмотическая стабильность. Наибольшее разрушение частиц ионитов происходит при изменении характеристик среды, в которой они находятся. Поскольку все иониты представляют собой структурированные гели, их объем зависит от солесодержания, рН среды и ионной формы ионита. При изменении этих характеристик объем зерна изменяется. Вследствие осмотического эффекта объем зерна в концентрированных растворах меньше, чем в разбавленных. Однако это изменение происходит не одновременно, а по мере выравнивания концентраций «нового» раствора по объему зерна. Поэтому внешний слой сжимается или расширяется быстрее, чем ядро частицы; возникают большие внутренние напряжения, и происходит откалывание верхнего слоя или раскалывание всего зерна. Это явление называется «осмотический шок». Каждый ионит способен выдерживать определенное число циклов таких изменений характеристик среды. Это называется его осмотической прочностью или стабильностью. Наибольшее изменение объема происходит у слабокислотных катионитов. Наличие в структуре зерен ионита макропор увеличивает его рабочую поверхность, ускоряет перенабухание и дает возможность «дышать» отдельным слоям.

Поэтому наиболее осмотически стабильны сильнокислотные катиониты макропористой структуры, а наименее – слабокислотные катиониты.

Химическая стойкость. Химическая устойчивость ионообменных смол определяется степенью межмолекулярных связей матрицы, достаточной для обеспечения их нерастворимости. Присутствие в обрабатываемой воде окислителей (хлора, азотной кислоты и др.) и ионов металлов железа и алюминия, а также рН воды могут спровоцировать разрушение межмолекулярных связей ионита, а, следовательно, и возникновение растворимой фазы, что приводит к загрязнению фильтрата (воды) продуктами разложения ионита и уменьшению способности ионита обмениваться ионами. Постоянное наличие в воде вышеперечисленных факторов ограничивает срок службы ионообменной смолы, который при нормальных условиях может достигать 10 и более лет без ухудшения их химических свойств.

Термическая устойчивость ионитов обуславливает их противодействие процессам деструкции (разрушение матрицы ионита) и деградации (отщепление функциональных групп от каркаса ионита).

Для каждого типа ионообменной смолы установлен температурный предел их длительного использования. Катиониты наиболее термически устойчивы, чем аниониты. Так рабочая температура для катионитов достигает 150 0С, для анионитов - не выше 60 0С, максимум 80 0С, особенно низкая термическая стойкость у акриловых анионообменных смол – не более 35 0С.

Первым признаком температурной деградации смолы служит увеличение длительности отмывки, а затем и уменьшение рабочей обменной емкости, связанной с потерей функциональных групп.

Таким образом, можно выделить основные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе той или иной ионообменной смолы:

• Ионная форма поставки

• Функциональная группа

• Тип матрицы

• Тип структуры

• Содержание воды

• Ионообменная емкость

• Размер частиц

Теоретические знания характеристик используемых ионообменных смол очень важны при их эксплуатации.

В настоящее время на рынке ИОС представлено большое число производителей ионитов. Основными марками являются такие смолы, как Lewatit (Германия), Purolite (Англия), Dowex (США), Tulsion (Индия), Granion (Китай), а также некоторые смолы российского и украинского производства.

Специалисты ООО «ГК Химические Системы» окажут Вам профессиональную консультацию и помогут сделать правильный выбор!