3.2. Ионно-обменные материалы.

3.2.1. Катиониты и их свойства

Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами: сульфогруппу SO₃H, одновалентную карбоксильную группу СООН и однова­лентную фенольную группу ОН. Из них группа SO₃H об­ладает сильнокислотными, а группы СООН и ОН — сла­бокислотными свойствами. В зависимости от химического состава катиониты делятся на сильнокислотные, содержащие активные сульфогруппы, и слабокислот­ные, содержащие в основном карбоксильные группы. Первые способны к обмену катионов в щелочной, ней­тральной и кислой средах, вторые—только в щелочной среде.

Свойства применяемых в технике катионитов таковы, что в их состав могут быть введены разные обменные катионы, однако для практики водоподготовки на ТЭС важными являются только два катиона: натрий (Na⁺) и водород (Н⁺). В зависимости от того, какой катион в данном катионите является обменным, различают на­трий-катионит (Na-катионит, Na⁺R^-) и водород-катионит (Н-катионит, H⁺R^-), где символом R^- обозначен нерастворимый в воде сложный радикал катионита, играющий условно роль одновалентного аниона. Процес­сы обработки воды перечисленными катионитами соот­ветственно называются Na-катионированием и Н-катионированием.

Показателями качества катионитов являются физиче­ские свойства, химическая и термическая стойкость, ра­бочая обменная емкость и др. Показателями физических свойств катионитов являются фракционный состав и ме­ханическая прочность катионита, а также рассмотренная выше насыпная плотность в воздушно-сухом и влажном состояниях, характеризующие набухаемость катио­нита.

Большое значение для эксплуатации имеют механиче­ская прочность катионита, а также его химическая и тер­мическая стойкость. Эти показатели необходимы для установления износа катионитов в процессе их эксплуа­тации и выбора марки катионита применительно к задан­ной температуре обрабатываемой воды и ее активной ре­акции.

Наиболее широко применяются на отечественных электростанциях сульфоуголь, получаемый путем обработки коксующегося каменного угля дымящейся серной кислотой, а также вы­пускаемый отечественной промышленностью катионит марки КУ-2, являющийся синтетической смолой и обла­дающий более высокой обменной емкостью, чем суль­фоуголь, а также более высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, органическим растворителям и не­которым окислителям даже при температуре до 120 °С.

3.2.2. Аниониты и их свойства

Апиониты содержат следующие химически активные функциональные группы:

первичные (—NH₂),

вторичные (=NH),

третичные ( N),

аминогруппы и

четвертичные аммониевые группы (—N⁺R₃).

Введение перечисленных активных групп в синтетические смолы сообщает послед­ним характер оснований. Первичные, вторичные и тре­тичные аминогруппы обладают слабоосновными, а чет­веричные аммониевые группы — сильноосновными свой­ствами. В зависимости от химического состава аниониты делятся на:

а) слабоосновные, содержащие вторич­ные и третичные аминогруппы;

б) сильноосновные, содержащие четверичные аммониевые группы.

Первые способны к обмену анионов только в кислой среде, вто­рые—в кислой, нейтральной и щелочной средах.

Качество анионитов определяется теми же показателями, что и катионитов. Из них основным показателем является рабочая обменная емкость. В противоположность катионитам, ра­бочая обменная емкость которых повышается с увеличе­нием рН фильтруемой воды, рабочая обменная емкость анионитов тем больше, чем ниже величина рН, т. е. чем выше кислотность фильтруемой воды.

Из слабоосновных анионитов, выпускаемых отечественной промышленностью, наиболее пригоден для обессоливания воды анионит марки AН-18. Из сильносновных анионитов наибольшее распространение получил анионит марки АВ-17. От слабоосновных анионитов он отличается тем, что содержит исключительно сильно диссоциированные активные аминогруппы четве­ртичного аммониевого основания. Анионит АВ-17 хорошо сорбирует слабые кислоты, в том числе кремниевую. Анионит АВ-17 механически прочен и химически стоек к кислотам и щелочам. Он применяется в основном для удаления из воды кремниевой кислоты в схемах полного химического обессоливания.

Селективность – способность ионита к преимущественной сорбции одних видов ионов перед другими.

При увеличении заряда иона (т.е. при повышении его валентности) увеличивается энергия притяжения его по закону Кулона противоположно заряженной твердой фазой. Поэтому с повышением валентности ионов селективность адсорбции их ионитами возраста­ет. Соответственно этому двухвалентные ионы адсорбируются преимущественно перед одновалентными, трехвалентные — преимущественно пред двухвалентными.

Ряд селективности (преимущественной адсорбции на катионитах) наиболее важных в практике водоподготовки катионов имеет сле­дующий вид:

Каждый предыду­щий катион извлекается из воды катионитом в резуль­тате обменной реакции с катионом катионита более интенсивно и в большем количестве, чем последующий.

Для сильно диссоциирующих катионитов ион Н помещается ме­жду Li и Na , смещаясь в глубину ряда для слабокислотных ка­тионитов.

Основные катионы природных вод могут быть выделены в следующий ряд селективности:

.

Анионы при обмене на сильно диссоциирующих анионитах обра­зуют ряд в виде

Основные анионы природных вод характеризуются следующим рядом селективности: , т.е. анионы сла­бых кислот сорбируются анионитами слабее, чем анионы сильных кислот.