Лаба по псое

1. Что лежит в основе ионного обмена? Что такое иониты?

Способность ионитов к ионному обмену характеризуется обменной емкостью, т.е. количеством функциональных групп, принимающих участие в обмене, которое выражается в эквивалентных единицах и относится к единице количества ионитов. Обменная емкость может быть определена как в статических, так и в динамических условиях, поэтому существуют понятия статической обменной емкости и динамической обменной емкости.

Иониты – это нерастворимые в воде органические или неоргани­ческие вещества, содержащие активные группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на ионы растворов при контакте с ними.

2 Какие иониты называются макропористыми, гелевыми, изопористыми?

В настоящее время смолы, в которых есть поры, не являю­щиеся частью химической структуры самого геля, называют макропористыми; смолы, не имеющие таких пор, называют гелевыми. Среди гелевых смол выделяют иониты, отличаю­щиеся весьма регулярным строением матрицы; их называют изопористыми. Из-за регулярности строения возможность возникновения каких-либо дефектов в матрице в процессе использования смолы значительно меньше, чем при нерегу­лярной структуре. По этой причине изопористые иониты ока­зываются более долговечными и стойкими по сравнению с другими смолами гелевой структуры. У макропористых смол разных марок размеры истинных пор изменяются в ши­роких пределах (средний радиус от 80 до 2 · 10⁵ ).

3 Какие обменные группы содержат в своей структуре катиониты и аниониты?

Обменные группы катионитов: –SO₃H, –СООН, –РО(ОН)₂. При замещении ионов водорода катионами металлов получаются солевые формы катионитов. Обменные группы анионитов: аминогруппы и остатки аммониевых оснований. Существуют также амфотерные иони­ты, содержащие как катионо-, так и анионообменные группы.

4 Что такое ионообменные смолы ядерного класса?

По ко­личеству содержащихся примесей товарные смолы подразде­ляют на обычные и особо чистые. Последние часто называют смолами ядерного класса, подчеркивая их применение в атомной технике. В маркировке особо чистых смол помимо обычных вводятся поясняющие обозначения (у отечественных смол обычная маркировка дополняется бук­вой «ч»). Чем больше примесей в синтезированном ионите, тем дольше они вымываются.

5 Дайте характеристику показателям качества ионитов (гранулометрический состав, механическая прочность, химическая стойкость, осмотическая стабильность, термическая стойкость, набухаемость).

1. Гранулометрический состав. Выпускаемые промышленностью крупнозернистые иониты имеют размер частиц 0,3 – 2,0 мм, порошкообразные 0,04 – 0,07 мм. Крупнозернистые материалы предназначены для ра­боты в фильтрах насыпного типа, где фильтрующие слои до­стигают значительной высоты (1 – 3 м); порошкообразные – для работы в фильтрах намывного типа, где высота слоя со­ставляет всего 3 – 10 мм. Размер зерен и фракционный состав товарных ионитов определяют ситовым анализом. Так как при очистке воды иониты используются в набухшем состоя­нии, применяют метод «мокрого» рассева. Рекомендуется проводить рассев ионитов в дистиллированной воде. Доля рабочей фракции должна составлять ˃ 95%.

Размер частиц ионообменного материала влияет на пере­пад давления в фильтрах, а при использовании смешанных слоев ионитов – также и на полноту гидравлического разде­ления отдельных компонентов шихты. При прочих равных условиях с уменьшением размера частиц перепад давления в фильтрующем слое увеличивается.

2. Механическая прочность. Для нормальной эксплуатации ионитных фильтров желательно, чтобы зерна ионитов с течением времени не измельчались. Накопление в фильтру­ющем слое мелких фракций приводит не только к повышению перепада давления, но и к неравномерному распределению скоростей потока по сечению аппарата (явление «каналообразования»). Избежать соударения зерен между собой, пе­ремещения их относительно друг друга, а также ударов о стенки аппаратуры при эксплуатации ионитных фильтров невозможно. В указанных выше условиях наиболее важная характеристика механической прочности зерен ионитов – их истираемость. Принято считать механически прочными ионо­обменные материалы, процент истираемости которых не пре­вышает 0,5.

3. Набухаемость. Способность увеличивать свой объем при контакте с водой. Зависит от свойств смолы и раствора. Чем больше в смоле гидрофильных групп, те больше набухаемость. Набухание ионита часто сопровождается растрескиванием.

Набухание ионитов зависит от многих факторов (степени иони­зации, природы противоионов, концентрации растворов и т.п.) и ока­зывает очень большое влияние на ионный обмен, обеспечивая его бы­строе течение. Набухание ионитов характеризуется коэффициентом набухания, абсолютной или относительной набухаемостью или изме­нением объема ионита при переходе из Н- или ОН- формы в солевую.

4. Осмотическая стабильность

Действие осмотических сил проявляется при изменении степени набухания ионообменных материалов. Как известно, степень набухания зависит от строения смолы, природы противоионов, а также от состава раствора, находящегося в кон­такте с ионитом. Два последних фактора изменяются в про­цессе использования смолы. При возрастании степени набуха­ния зерен их размер увеличивается, соответственно при по­нижении степени набухания – уменьшается. Попеременное растягивание и сжатие сетки полимера при наличии дефектов в его структуре сопровождается разрывами цепей в местах наибольших перенапряжений. Микроскопические разрывы со временем превращаются в трещины и, в конце концов, при­водят к самопроизвольному растрескиванию зерен. Испыта­ние ионитов на осмотическую стабильность проводят по спе­циальной методике (ГОСТ 17338 – 71). Эта методика преду­сматривает многократную (150 циклов) обработку порции смолы растворами кислоты и щелочи с промежуточными про­мывками дистиллированной водой и последующее определе­ние количества неразрушенных гранул в процентах общего количества зерен, взятых на исследование. Осмотическая стабильность должна составлять ˃ 95%.

Смолы гелевой структуры по осмотической стабильности, как правило, значительно уступают смолам макропористой и изопористой структуры. Для увеличения срока службы гелевых смол необходимо избегать ситуаций, при которых возмож­ны осмотические удары. Так, не следует допускать высыха­ния ионообменных материалов, которые отпускаются завода­ми-изготовителями в набухшем состоянии. Воздушно-сухие иониты во избежание быстрого набухания должны замачи­ваться первоначально не в воде, а в концентрированном раст­воре электролита (обычно применяют NaCl).

5. Химическая стойкость

Химическую стойкость промышленных ионообменных ма­териалов в водоподготовке оценивают, прежде всего, по их растворимости в воде и растворах реагентов, используемых для регенерации. Природные неорганические катиониты из числа минералов группы цеолитов и глауконитов легко разлагаются в кислотах и щелочах. В настоящее время их при­менение в водоподготовке представляет лишь исторический интерес. С созданием органических ионитов, обладающих удовлетворительной стойкостью в кислых и щелочных раство­рах, расширилась область ионирования воды; стало возмож­ным применять иониты не только для умягчения воды, но и для снижения ее щелочности и глубокого обессоливания.

Если бы органические ионообменные материалы не содер­жали никаких примесей и не разрушались с течением време­ни, их контакт с водой сопровождался бы лишь процессами адсорбции и ионного обмена. В действительности это не так. Из-за несовершенства технологии и синтеза в ионитах в боль­шем или меньшем количестве остаются исходные мономеры и появляются растворимые низкомолекулярные соединения; некоторые металлы (Fe, Pb, Сu, А1) попадают в смолы в про­цессе их получения вследствие коррозии аппаратуры.

6. Термическая стойкость - нерастворимость и способность ионита при заданных температурах сохранять обменную емкость.

Несмотря на то обстоятельство, что полистирольная матрица ионитов является стабильной при достаточно высокой температуре (приблизительно до 150 ⁰С), сами иониты подвержены воздействию уже гораздо меньших температур. Так, анионит начинает медленно разрушаться при температуре приблизительно 60 ⁰С и данный процесс быстро прогрессирует при температуре выше 80⁰С. Катионит же стабилен до температуры 120 ⁰С. В связи с тем, что эти температуры значительно ниже температуры теплоносителя первого контура, перед подачей данной воды на ионообменные фильтры ее необходимо охладить. Уменьшение обменной емкости ионитов под действием высокой температуры называется термолизом ионитов.

Анионит в гидроксильной форме разлагается согласно одного из двух механизмов с одинаковой вероятностью.

7. Радиационная стойкость - способность сохранять обменную емкость под воздействием радиации.

Ионизирующее излучение также вызывает разрушение ор­ганических ионитов. Этот фактор приходится учитывать при очистке контурных вод АЭС. Небольшие дозы облучения по­вреждают функционально-активные группы, вызывая их от­щепление и деградацию, которая сопровождается понижением основности анионитов. Образующиеся при этом низкомоле­кулярные соединения переходят в воду. По составу они близ­ки к продуктам термического разложения. С повышением до­зы облучения повреждается каркас полимера, при этом коли­чество органических соединений, поступающих в воду, заметно увеличивается.

Аниониты менее ради­ационно стойки, чем катиониты. Допустимая радиационная нагрузка ионитов: катионитов - 10⁸ рад, анионитов – 10⁷ рад.

8. Сорбционная способность

Характеризуется коэффициентом распределения К (отношение концентрации сорбируемого вещества в ионите к концентрации его в растворе при достижении равновесия):

К  1 – ионит обеднен по сравнению с раствором (сорбционная способность низкая), К  1 – ионит обогащен (сорбционная способность высокая).

К определяет избирательность ионитов к тому или иному иону.

9. Способность ионитов к ионному обмену

Характеризуется обменной емкостью, т.е. количеством функциональных групп, принимающих участие в обмене, которое выражается в эквивалентных единицах и относится к единице количества ионитов. Различают полную обменную емкость, обменную емкость до «проскока» и рабочую обменную емкость. Кроме того, обменная емкость может быть определена как в статических, так и в динамических условиях, поэтому существуют понятия статической обменной емкости и динамической обменной емкости.