2.3 Реакції і/о з врахуванням типу іоніту

Знаючи основні типи іонітів можна здійснити реакції і/о, що їм відповідають.

Катіонний обмін використовується для видалення небажаних іонів із розчину в усьому діапазоні рН за допомогою сильнокислотних та слабкокислотних катіонітів. Смола може бути використана в різноманітних формах, але краща Na - тому що смола за структурою ближче до Na, що полегшує адсорбцію інших металів:

Сильнокислотна смола в Н-формі: обмін катіонів з розчину на іон Н⁺ з іоніту з одержанням кислоти:

Ці реакції часто використовується на I етапі демінерализації.

Слабкокислотна смола в Н-формі: карбоксильні смоли іонізують тільки в лужному середовищі. Вони мають високу близькість до 2-х валентних катіонів і в їхній присутності активні навіть у слабкокислому середовищі аж до рН=4,5, легко їх видаляють.

Усуваються всі іони у воді, жорстко пов'язані з бікарбонатом:

2rcooh + NaHCo₃  rcooNa+ h₂o+C0₂↑

2rcooh + Ca(HCo₃)₂  (rcoo)₂Ca+ 2h₂o+2C0₂↑

Н⁺ із карбоксильних смол не може видалити значних кількостей металів із розчинів мінеральних солей, тому що в результаті утворюється кислота, що швидко зменшує рН і перешкоджає подальшому і/о:

2rcooh + NaCl  не йде

В цьому випадку і/о контролюється аніонним складом розчину. У такий спосіб карбоксильні (слабкокислі) смоли переважно видаляють 2-х і 3-х валентні катіони, тобто вони певною мірою селективні саме до цих іонів:

2rcooh + Me(HCo₃)₂  (rcoo)₂ Me + 2h₂o+2C0₂↑

Аніонний обмін - використовується для видалення натуральних органічних кислот (і нітратів) із води за допомогою високосновних (сильноосновних) та слабкоосновних(низькоосновних) аніонітів.

Високоосновна смола в ОН-формі - найбільше широко використовувана форма для аніонного обміну. Коли вона йде за водневим обміном у сильнокислій смолі, вона завершує процес демінералізації:

Низькоосновна смола в ОН-формі - активні групи - аміни, що не мають дійсної основної форми і іонізують тільки в кислому середовищі.

Низькоосновні аніоніти можуть адсорбувати тільки сильні кислоти, нейтральні солі не розщеплюють, немає реакції:

не йде

Обмін іонів у ФЗД

Електродеіонізація – альтернатива ФЗД.

У загальному випадку під іонітами в змішаному шарі розуміють механічну суміш іонообмінних смол, що містять протиіони різної хімічної природи. Якщо протиіони розрізняються по знаку заряду, змішаний шар буде сумішшю катіоніту і аніоніту. Такий змішаний шар є найхарактернішим і найчастіше вживається. Звичайно операції із змішаним шаром, що складається з катіоніту і аніоніту, здійснюють з іонними формами іонітів, які утворюють між собою малодисоційоване, легколетюче або важкорозчинне з'єднання.

Механізм взаємодії між іонітами в змішаному шарі і розчинами електролітів складається з реакцій обміну іонів на окремі складові суміші і подальшої взаємодії між собою протиіонів, що перейшли в розчин.

Змішаний шар іонітів іноді називають монобедом або монотанком.

Розрізняють ФЗД з внутрішньою та виносною регенерацію.

Суміші іонітів м.б. розділювані та не розділювані для проведення регенерації.

Нерозділювані суміші. Швидкість осідання зерен: .

Суміш катіоніту і аніоніту може бути одержана не тільки механічним перемішуванням окремих іонітів, але і хімічним синтезом. Подібна суміш на молекулярному рівні не розділяється звичними прийомами, які вживають для розділення механічної суміші. Вона зберігає здібність до одночасного поглинання, як катіонів, так і аніонів і знаходить застосування при очищенні неелектролітів від різних іонів за “способом відстаючого електроліту”.

Певний інтерес представляє змішаний шар, складений тільки з катіоніту або аніоніту, протиіони яких мають однаковий знак заряду, але різко розрізняються по хімічних властивостях. Іоніти в подібному змішаному шарі можуть бути як ідентичними по структурі, природі матриці і характеру фіксованих іонів, так і різними.

Для деяких робіт знаходить застосування змішаний шар, складений більш ніж з 2-х іонітів, наприклад з катіоніту і 2-х аніонітів або, навпаки, з 1-го аніоніту і 2-х катіонітів. У такій суміші 2 катіоніта (або 2 аніоніта) можуть розрізнятися як природою активних груп, тобто кислотністю або основністю, так і протиіонами. Отже, іоніти в змішаному шарі, як і в індивідуальному вигляді, використовуються як особливі хімічні реагенти, що володіють тією перевагою, що полімерна складова їх є нерозчинною. Тому застосування іонітів не ускладнює процес введенням в систему яких-небудь додаткових іонів, і кінцевий розчин можна легко відділити від іонітів шляхом фільтрування, центрифугування, декантацією і ін.

Переваги та недоліки ФЗД

Переваги	Недоліки
Близьке розташування зерен катіоніту і аніоніту дозволяє усунути погану відмивку від лугу, що залишився після регенерації аніоніту, в результаті потрібна менша витрата знесоленої води на відмивання	Необхідність розділення іонітів перед регенерацію у ФЗД з виносною регенерацією (потрібна додаткова ємність для вивантаження та проведення регенерації, насос для перекачування іонітів – збільшуються капітальні та експлуатаційні витрати)
Практично виключається протиіонний ефект і пов'язане з цим зниження технологічних показників: якості фільтрату і ємкості	Збільшення витрати води на окремі відмивки катіоніту та аніоніту

При виборі конкретних іонних форм іонітів для здійснення окремого хімічного процесу із змішаним шаром звичайно враховують наступне.

Для розчинів:

1. необхідність повного або виборчого видалення іонів;

2. яка чутливість розчину до змін pH середовища і можливість протікання при цьому побічних процесів;

3. чи впливає підвищення температури на стабільність окремих компонентів розчину;

4. наскільки швидко необхідно провести процес очищення;

5. які катіони і аніони знаходяться у вихідному розчині;

Для іонітів:

1. чи забезпечують дані форми суміші іонітів необхідний ступінь очищення;

2. чи можлива зміна pH середовища при обміні іонів, і в якому напрямі;

3. чи можливе протікання побічних реакцій при безпосередньому зіткненні із зернами іонітів, що знаходяться в даних іонних формах;

4. чи стійкі ці форми іонітів в умовах проведення процесу (при підвищенні температури і ін.) і в даному розчині (окисляємость і т.д.);

5. чи забезпечують дані іонні форми іонітів необхідну швидкість процесу (враховуючи вплив на кінетику процесу зміни величини набухання іонітів при обміні іонів);

6. економічні чинники (вартість реагентів, що витрачаються на регенерацію, повнота використовування місткості і т.д.).

Представляє інтерес застосування таких форм суміші іонітів, які можуть утворювати в розчині з'єднання, аналогічне тому, що піддається очищенню – наприклад при очищенні води кращі Н- та ОН-форми.

Присутність в початковому розчині домішок аніонів або катіонів, відповідні кислоти і основи яких важкорозчинні або нестійкі, обмежує можливості використовування для очищення цього розчину Н-катіоніту і ОН-аніоніту, оскільки випадання осаду створює деякі ускладнення при фільтруванні розчину через колонку.

Суміш іонітів може використовуватися для одночасного поглинання кислих, основних і нейтральних газів і пари, наприклад, аміаку і вуглекислого газу можна скористатися сумішшю катіоніту як в Н-формі, так і у формі важкого металу і аніоніту в ОН-ФОРМЕ: RH + NH3 = RNH4; R2Zn + 4NH3-=R2Zn (NH3)₄ ; 2R/OH + СО2 = R2CO3 + Н2О; RH - R'OH + NH4C1 == RNH4 + R'Cl + Н2О

Для проведення хімічного процесу з сумішшю двох іонітів принципово можливе використовування наступних їх поєднань в різних іонних формах:

сильнокислотний катіоніт + сильноосновний аніоніт;

сильнокислотний катіоніт + слабоосновний аніоніт;

слабокислотний катіоніт + сильноосновний аніоніт;

слабокислотний катіоніт + слабоосновний аніоніт;

сильнокислотний катіоніт + сильнокислотний катіоніт;

слабокислотний катіоніт + сильнокислотний катіоніт;

слабокислотний катіоніт + слабокислотний катіоніт;

сильноосновной аніоніт + сильноосновний аніоніт;

слабоосновной аніоніт + сильноосновний аніоніт;

слабоосновной аніоніт + слабоосновний аніоніт.

Залежно від природи іоногенних груп катіоніти в Н-формі, а аніоніти в ОН-формі можуть проявляти властивості сильних або слабких кислот і основ. Відповідно в солевих формах слабокислотні катіоніти по властивостях подібні солям слабких кислот, а слабоосновні аніоніти — солям слабких основ. Так, Хейман і О'Доннел відзначають, що солеві форми слабокислотних або слабоосновних іонітів повільніше гідролізуються у воді, тоді як для іонітів з сильнокислотними або сильноосновними групами подібного явища практично не спостерігається.

Іоніти з сульфогрупами (сильнокислотні) або з групами чверткових амонієвих основ (сильноосновні) є добре дисоційованими кислотами і основами, здібними до реакцій обміну іонів в широкій області рН. Для слабокислих катіонітів і слабоосновних аніонітів здібність до обміну іонів великою мірою визначається значенням рН розчину. Приклад: місткість поліфункціонального катіоніту IR-1 в 5 н. розчині NaCl збільшується від 1,8 мг-экв/г при рН 1 до 5,42 мг-экв/г при рН 8,8. Таку зміну величини місткості пов'язують з наявністю в іоніті трьох типів активних груп (— SO3H, — СООН і —<=>—ОН), які послідовно придбавають здібність до обміну іонів залежно від кислотності середовища: при рН<7 обмінюють іони —SO3H- і частково — СООН-групи, при рН> 7 —SO3H-, — СООН- і часткове —<=> N— ОН-групи, а при рН>7 в реакції обміну іонів беруть участь всі три типи груп.

Подібно поводяться і аніоніти.