Иониты

Иониты находят широкое применение в водоподготовке. Они включают в себя целый класс фильтрующих материалов, обладающих ионообменными свойствами. Их используют для снижения жесткости воды, ее обессоливания, обескремнивания, а также для добычи из растворов необходимых компонентов.

Иониты представляют собой нерастворимые в водном растворе полиэлектролиты природного или искусственного происхождения. Их основу составляет каркас, который несет отрицательный или положительный заряд, а также противоионы, суммарный заряд которых компенсирует заряд каркаса (матрицы). Устройство ионитов делает возможным обмен противоинов на ионы других веществ при условии, что концентрация последних превышает 10%-й порог.

В зависимости от заряда противоионов бывают аниониты, катиониты и иониты с амфотерными свойствами. Матрица может быть выполнена из веществ неорганической, органической или смешанной природы. Наиболее известными ионитами на минеральной основе являются цеолиты. Среди материалов природного происхождения преимущественно встречаются катиониты. Аниониты — гораздо реже: апатит, меркарбид, гидроксид циркония. Амфолиты или амфотерные иониты меняют свои свойства в зависимости от pH среды, в которой они находятся.

Ионный обмен происходит по следующей схеме:

• приближение ионов раствора к гранулам ионита;
• диффузия ионов внутри гранулы к ее поверхности;
• замещение противоионов на ионы раствора;
• вытеснение противоионов в раствор.

Особый интерес представляют синтетические ионообменные материалы. Это легко объяснить возможностью получения ионитов высокого качества с нужными характеристиками.

Синтетические иониты

К ним преимущественно относят ионообменные смолы на органической матрице. Зерна такого материала можно условно представить следующим образом.

Макромолекула представлена полимерными углеводородными цепями, которые сшиты углеводородными мостиками. В результате получается 3-мерная сетка с размещенными в ее узлах заряженными функциональными группами и противоинами.

Выглядит это следующим образом.

Аналогично устроены синтетические катиониты. Различие только в типе функциональных групп. В катионитах это преимущественно -SO₃^2-, -COO^-, -PO₃^2-, в анионитах — -NH₃⁺, =NH₂⁺ и т.п.

Основой для синтетических смол являются мелкие гранулы, полученные при полимеризации или поликонденсации. В первом случае получаются смолы с зернами практически идеальной шарообразной формы размером от 10 мкм до 2 мм. При поликондексации получаются зерна неправильной формы, которые не отличаются такими же высокими эксплуатационными свойствами, характерными для материала с округлыми зернами: малое сопротивление потоку воды, пониженные потери материала при работе установки, повышенная эффективность регенерации и увеличение циклов восстановления материала. У поликонденсационных ионитов вследствие неоднородности матрицы наблюдаются проблемы с десорбцией крупных молекул, такие материалы в больше степени подвержены отравлению органическими загрязнениями.

Полимерная матрица может иметь непористую и макропористую форму. В первом случае материал проявляет свои свойства только при увеличении объема в 2-3 раза — в набухшем состоянии. Степень увеличения объема матрицы влияет на способность связывать ионы большого размера.

Поры гелевых ионитов имеют природное происхождение. Структура таких материалов без учета реального масштаба представлена на первых двух рисунках ниже.

Гораздо больший интерес представляют ионообменные материалы с макропористой структурой. Они не сильно увеличиваются в размере при контакте с водой, но и без этого имеют достаточно развитую поверхность пор. Если на 1 г гелевых материалов приходится примерно 5 м² поверхности пор, то у макропористых материалов речь идет о 100-130 м². Такие материалы прочнее и жестче, их поры образованы искусственным путем. Схема структуры представлена выше на третьем рисунке.

Обменные реакции в таких структурах протекают быстрее, что объясняется меньшим в 5 и более раз меньшим путем, который необходимо проделать иону до связи с функциональной группой.

Если сравнить наиболее распространенные типы синтетических ионитов, то можно сделать следующий вывод:

• непористые или гелевые иониты менее прочные и долговечные, чем макропористые;
• непористые катиониты прочнее анионитов;
• материалы из акрила сильнее полистирольных;
• слабокислые катиониты работают при pH больше 5;
• сильнокислые — во всем диапазоне pH;
• слабоосновные аниониты работают при pH ниже 8;
• сильноосновные — во всем диапазоне pH.

Характеристики ионитов

К параметрам, определяющим основные свойства ионитов, относят:

• гранулометрический состав;
• насыпные масса и объем;
• плотность;
• механическую и осмотическую прочность;
• химическую и термическую стойкость;
• ионообменные свойства;
• селективность.

Размер зерен

Гранулометрический состав влияет на скорость диффузии ионов внутри зерна и гидравлическое сопротивление, оказываемое материалом на поток воды. Уменьшение размера гранул может привести к критическому сопротивлению, поэтому при использовании порошкообразных ионитов толщину слоя ограничивают 10 мм и ниже. Обход ограничения по производительности путем увеличения фильтрующей площади приводит к неравномерному использованию ресурса ионообменного материала. Именно поэтому говорят об оптимальном гранулометрическом составе ионообменных материалов. Для полимеризационных ионитов он составляет 0,3-1,3 мм (средний — 0,6 мм), для поликонденсационных — 0,4-2 мм (средний — 0,8 мм).

Кроме размера, на эффективность ионного обмена и регенерации загрузки оказывает виляние однородность гранул. Именно поэтому размер сфер должен быть примерно одинаковым, отклонения допускаются только у 10% и составляют сотые доли миллиметра.

Насыпные масса и объем

Эти значения могут варьироваться в широком диапазоне. Масса катионитов составляет от 500 до 900 кг/м³, анионитов — от 300 до 800 кг/м³. Для определения насыпной массы невозможно использование сухого материала — оставляют до 10% по массе воды и измеряют массу в воздушно-сухом состоянии. Также возможно измерение во влажном состоянии. В первом случае величина насыпной массы имеет значение для определения размера требуемых складских помещений для размещения мешков с ионитом, во втором — для определения количества требуемых фильтрующих колонн.

Насыпной объем является обратной величиной к насыпной массе и измеряется в м³/кг.

Плотность

Этот показатель важен для определения поведения материала в двухслойных и противоточных фильтрах. Значение плотности зависит от структуры и характера ионита и составляет в среднем:

• для катионитов: сильнокислотных — 1,28 г/см³, слабокислотных — 1,18 г/см³;
• для анионитов: сильноосновных — 1,1 г/см³, слабоосновных — 1,05 г/см³.

Механическая прочность

В процессе использования ионообменных материалов нельзя исключить взаимное механическое воздействие гранул друг на друга и на стенки оборудования. Мерой их долговечности служит механическая прочность. Это свойство ионитов определяется их способностью противостоять истиранию и раздавливанию. Лучшие типы имеют истираемость на уровне 0,5%, достаточно хорошим значением является 2-3%. Прочность на раздавливание имеет второстепенное значение и не должна быть ниже 0,9 МПа.

Осмотическая прочность

Набухание и уменьшения объема ионитов вследствие изменения их влажности приводит к воздействию на них сил растягивания и сжатия. Как следствие — появление микроскопических разрывов и нарушение структуры матрицы. В конечном счете зерна трескаются и разрушаются. Осмотическую прочность оценивают в течение 150 циклов промывки растворами щелочи и кислоты.

Как показала практика, непористые виды имеют меньшую осмотическую прочность, чем макропористые. Это объясняется меньшей набухаемостью последних. Но даже они не защищены полностью от разрушения под действием осмотических сил. Наибольшее отрицательное влияние оказывается при высыхании гранул, которые должны всегда находится в набухшем состоянии. Условно сухие засыпки предварительно замачивают в 25% растворе поваренной соли, а не в воде — во избежание резкого изменения объема зерен, так называемого осмотического удара.

Химическая и термическая стойкость

По тому, как материал противостоит растворению в различных веществах, оценивают их химическую стойкость. Синтетические иониты показывают хорошую стойкость при обработке щелочными и кислыми растворами. Сильные окислители, такие как хлор, озон и др. разрушают структуру зерна, разрушают сетку полимера, приводит к появлению гелеобразных веществ, ионообменная способность которых значительно хуже.

Изменение температуры среды приводит к отщеплению функциональных групп и потере ионообменных свойств. Именно поэтому для каждого типа ионита производителем указывается максимально допустимая температура, при которой его можно применять. Катиониты обычно более стойкие к воздействию повышенных температур. То же касается солевых форм по отношению к кислотным или щелочным. В среднем наиболее популярные катиониты выдерживают 90 градусов, аниониты — 50.

Ионообменные свойства

Основными показателями, определяющими ионообменные свойства являются обменная емкость и селективность. Обменная емкость бывает полной и рабочей. Первая является теоретическим значением и показывает сколько ионообменных групп может быть задействовано. Рабочая обменная емкость носит практическое применение. Эта величина показывает, сколько работает ионит до проскока. Она зависит от множества факторов:

• типа ионообменного материала;
• размеров его зерен;
• состава раствора, из которого извлекаются ионы, его температуры, pH и т.д.;
• типа регенеранта и его характеристик;
• скорости фильтрования;
• других факторов.

В среднем рабочая обменная емкость составляет половину от полной. Подробнее о том, как на нее влияют те или иные условия, можно прочитать в этой статье.

Селективность или сродство иона к иониту — способность ионообменного материала к связыванию определенных ионов. Она возрастает с увеличением заряда и радиуса иона. Поэтому ионы трехвалентного железа сорбируются лучше ионов магния, а магний — лучше натрия.

В нашем каталоге представлен большой выбор ионообменных смол. Их можно приобрести по литрам (килограммам) или в мешках. Доставка по всей Беларуси.