Так как качество питьевой воды с каждым десятилетием становится все хуже, ученые еще в 60-х годах прошлого века изобрели ионообменную смолу или аниониты. Это вещество представляет собой полимеры, имеющие очень маленький размер. Они производятся в виде шариков, с диаметром до 1 мм. На внешний вид этот материал напоминает белужью икру.
По своей природе это вещество является нерастворимым, оно способно легко вступать в обменные реакции с ионами других растворов. Также некоторые виды ионообменных смол могут провоцировать процесс окисления и сорбции.
Основным документом, который регламентирует качество этих веществ, является ГОСТ 20301-74 «Смолы ионообменные. Аниониты. Технические условия».
Принцип основного действия фильтров с ионообменной смолой направлен на очистку и смягчение жесткой воды, то есть, воды, где увеличено количество тяжелых металлов. Шарики специальных полимеров этой смолы изначально имеют в своем составе «свободные» ионы. Эти частицы имеют способность улавливать ионы других веществ.
Во время взаимодействия ионообменной смолы с другой жидкостью, ее частицы начинают набухать. Шарики могут увеличиваться в размере до 4 мм.
В производстве очистка воды играет одну из самых важных ролей. Поэтому раньше использовались большие фильтры с ионообменными смолами для воды. Вода должна проходить в несколько этапов, так как фильтр состоит из нескольких слоев: основного, истощающего и свежего. На каждом их слоев фильтра вода отдает ионы тяжелых металлов и вредных веществ. Для постоянной очистки и эффективности фильтров их рекомендуется менять не реже 1 раза за 4-6 месяцев.
Когда происходит очистка ионообменной смолой, то вода теряет:
Ионообменная смола умягчения воды способна значительно снизить ее жесткость. Поэтому применение такого фильтра в бытовых условиях поможет:
Применение ионообменных смол в быту вполне безопасное, так как эти вещества не имеют токсичности. Они не способны к самовозгоранию или взрыву. Картриджи с этими смолами устанавливают перед нагревательными приборами, например, перед водонагревательным котлом, бойлером или проточным водонагревателем.
Чтобы отфильтрованная вода поступала на весь дом, установку фильтра проводят вместе с угольными фильтрами. В этом случае используют трехступенчатую степень очистки.
Ионообменная смола для умягчения воды получается в результате двух химических реакций. Она поддается влиянию полимераналогичных превращений и процессу полимеризации.
Чтобы получить это вещество методом полимеризации используют специальные мономеры, которые имеют в своем составе ионогенные группы. А для полимераналогичных превращений эти частицы непосредственно вводят в инертные полимеры. Производители ионообменных смол также изготавливают этот материал с помощью процесса поликонденсации. Но такая ионообменная смола имеет более низкие качественные характеристики.
Для производства картриджей с ионообменными смолами используют полимеризацию трех веществ:
Как уже стало ясно, ионообменная смола - вещество, которое способно значительно повысить качественные характеристики воды. Очищенная вода стает полностью безопасной для здоровья человека, она не оставляет накипи на приборах, что позволяет экономить на электроэнергии и покупке новой бытовой техники.
Характеристики ионообменной смолы позволяют ее применять как в быту, так и в больших производственных компаниях. Их используют в:
Фильтры с таким очистительными материалами используют:
Согласно ГОСТу 20301-74 ионообменные смолы должны упаковываться в полиэтиленовые мешки, предварительно пройдя упаковку в пакеты из винилискожи. Допустимая масса одного запечатанного мешка может составлять 50 кг. Также эти вещества допустимо фасовать в пропиленовые бидоны или контейнеры.
Стоит отметить, что во время транспортировки или хранения, не допускается соседство катионитов ионообменной смолы с анионитами, а также любыми окислителями или растворителями. Хранить эту продукции можно только в сухих и хорошо проветриваемых помещениях, где температура воздуха не будет ниже +2°С. Складировать мешки с ионообменными смолами можно на расстоянии 1 метр от отопительных приборов. Срок хранения составляет 12 месяцев со дня производства.
Цена на ионообменную смолу в России достаточно отличается, но средняя стоимость такого очистителя составляет 120-150 рублей за литр.
Каждый производитель устанавливает свою цену. Например, одними из самых востребованных торговых марок считаются:
Цена 25 кг мешка ионообменной смолы Рurolite составляет 6500 рублей, 25 кг ионообменной смолы Lewatit будет стоить чуть дешевле - 4640 рублей.
Синтетические высокомолекулярные (полимерные) органические иониты - высокомолекулярные синтетические соединения с трехмерной гелевой и макропористой структурой, которые содержат функциональные группы кислотного характера, способные к реакциям ионного обмена. Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких шариков, именуемых для простоты "смолой". Внешне такая смола может напоминать рыбью икру. Однако, эта "икра" обладает уникальными свойствами. Шарики смолы способны улавливать из воды ионы различных веществ и "впитывать" их в себя, отдавая взамен "запасенные" ранее ионы. Таким образом осуществляется ионный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообменные" или более по научному "иониты".
Ионообменные смолы представляют собой твёрдые полимеры, нерастворимые, ограниченно набухающие в растворах электролитов и органических растворителях. Они способны к ионному обмену в водных и водноорганических растворах.
Макропористые смолы гетерогенны; их частицы имеют губчатую структуру, т. е. пронизаны системой сквозных пор, средний диаметр которых намного превышает размеры молекул растворителя и обменивающихся ионов. Раствор электролита свободно проникает по порам внутрь частиц таких ионообменных смол, что значительно облегчает ионный обмен, особенно в неводных средах.
Ионообменные смолы можно рассматривать как нерастворимые полиэлектролиты. Поливалентный (многозарядный) ион, образующий структурный каркас ионообменной смолы , практически неподвижен из-за огромной молекулярной массы. Этот ион-каркас, или ион-сетка, связывает малые подвижные ионы противоположного знака (противоионы), которые способны к эквивалентному обмену на ионы окружающего раствора. Средний размер частиц таких ионообменных смол составляет 0,2-2,0 мм , насыпная масса 0,5-0,9 т /м 3 .
Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.
Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является "химически связанной". Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. "Внешняя" же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрофугирования или фильтрования.
Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая .
Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.
В то же время, рабочая ионообменная емкость не может быть измерена в лабораторных условиях, так как зависит от геометрических размеров слоя смолы и от конкретных характеристик обрабатываемых растворов (уровня регенерации, скорости потоков, концентрации растворенных веществ, требуемых показателей качества обрабатываемого раствора, точного размера частиц).
В соответствии с общей классификацией ионитов ионообменные смолы делят на катионообменные (поликислоты), анионообменные (полиоснования) и амфотерные, или биполярные (полиамфолиты). Катионообменные смолы бывают сильно- и слабокислотные, анионообменные - сильно- и слабоосновные. Если носителями электрических зарядов молекулярного каркаса ионообменной смолы являются фиксированные ионы (функциональные, или ионогенные, группы) только одного типа, например сульфогруппы, то такие ионообменные смолы называются монофункциональными. Если же смолы содержат разнотипные ионогенные группы, они называются полифункциональными. По структурному признаку различают микропористые, или гелевидные, и макропористые ионообменные смолы . Частицы гелевидных смол гомогенны; ионный обмен в системе гелевидная смола - раствор электролита возможен лишь благодаря диффузии обменивающихся ионов сквозь молекулярную сетку набухшего ионита.
Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру.
Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.
Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии.
Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые , но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.
Иониты представлены анионитами - материалами, способными к обмену анионов, и катионитами - материалами, обменивающими катионы.
Ионообменные смолы относятся к следующим классам:
АНИОНИТЫ подразделяются на:
КАТИОНИТЫ подразделяются на:
Кроме того, ионообменные смолы могут содержать группы различных классов, относясь к полифункциональным смолам.
По структуре матрицы ионообменные смолы делятся на:
Получают ионообменные смолы полимеризацией, поликонденсацией или путём полимераналогичных превращений, так называемой химической обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами ионита. Среди промышленных ионообменных смол широкое распространение получили смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные катиониты, сильно- и слабоосновные аниониты. Основным сырьём для промышленного синтеза слабокислотных катионообменных смол служат акриловая и метакриловая кислоты и их эфиры. В больших количествах производят также ионообменные смолы на основе феноло-альдегидных полимеров, полиаминов и др. Направленный синтез ионообменных смол позволяет создавать материалы с заданными технологическими характеристиками.
Как правило, ионообменные смолы получают методами полимеризации или полимераналогичных превращений.
Для получения ионообменных смол методом полимеризации используют мономеры, содержащие ионогенные группы. В случае полимераналогичных превращений ионогенные группы вводятся в инертный полимер.
Возможен синтез ионообменных смол способом поликонденсации, однако эти ионообменные смолы имеют менее однородную структуру, меньшую осмотическую стабильность и химическую стойкость.
Чаще всего используются сетчатые полимеры. Их получают суспензионной полимеризацией стирола, производных акриловой кислоты, винилпиридинов с диенами.
Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно-хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия.
Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х - в 90-х годах.
Ионообменные смолы используют для обессоливания воды, извлечения и разделения редких элементов, очистки продуктов органического и неорганического синтеза и др.
Ионообменные смолы в основном применяются:
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.
Рис.Сравнение полной динамической ПДОЕ и динамической обменной емкости ДОЕ. Заштрихованная площадь А соответствует ДОЕ, а вся площадь над кривой с учетом проскока солей - ПДОЕ
Селективность
Под селективностью понимают способность избирательно сорбировать ионы из растворов сложного состава. Селективность определяется типом ионогенных групп, числом поперечных связей матрицы ионита, размером пор и составом раствора. Для большинства ионитов селективность невелика, однако разработаны специальные образцы, имеющие высокую способность к извлечению определенных ионов.
Механическая прочность
Показывает способность ионита противостоять механическим воздействиям. Иониты проверяются на истираемость в специальных мельницах или по весу груза, разрушающего определенное число частиц. Все полимеризационные иониты имеют высокую прочность. У поликонденсационных она существенно ниже. Увеличение степени сшивки полимера повышает его прочность, но ухудшает скорость ионного обмена.
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.
Осмотическая стабильность определяется как количество целых зерен, отнесенное к общему первоначальному их числу, после многократной (150 раз) обработки навески ионита попеременно в растворе кислоты и щелочи с промежуточной отмывкой обессоленной водой.
Химическая стабильность
Все иониты обладают определенной стойкостью к растворам кислот, щелочей и окислителей. Все полимеризационные иониты имеют большую химическую стойкость, чем поликонденсационные. Катиониты более стойки, чем аниониты. Среди анионитов слабоосновные устойчивее к действию кислот, щелочей и окислителей, чем сильноосновные.
Температурная устойчивость
Температурная устойчивость катионитов выше, чем анионитов. Слабокислотные катиониты работоспособны при температуре до 130 ° С, сильнокислотные типа КУ-2-8 - до 100-120 ° С, а большинство анионитов - не выше 60, максимум 80 ° С. При этом, как правило, Н- или ОН-формы ионитов менее стойки, чем солевые.
Ионообменные смолы применяются в водоочистке с 60-х годов XX века, но особенное распространение получили в конце 80-х - в 90-х годах. Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленные из специальных полимерных материалов, именуемых для простоты "смолой". Для неискушенного человека внешне такая смола может напомнить щучью или минтаевую икру. Однако, эта "икра" обладает уникальными свойствами. "Икринки", т.е. шарики смолы, способны улавливать из воды ионы различных веществ и "впитывать" их в себя, отдавая в замен "запасенные" ранее ионы. Таким образом осуществляется ион-ный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообманные" или более по научному "иониты".
Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с ионами раствора. Некоторые типы ионитов обладают способностью вступать в реакции комплексообразования, окисления-восстановления, а также способностью к физической сорбции ряда соединений.
Иониты имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуру.
Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии.
Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии.
Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.
Иониты представлены анионитами - материалами, способными к обмену анионов, и катионитами - материалами, обменивающими катионы.
АНИОНИТЫ подразделяются на:
КАТИОНИТЫ подразделяются на:
Как правило, иониты выпускаются в солевых (натриевая, хлористая) или смешанно-солевых формах (натрий-водородная, гидроксильно-хлоридная). Кроме того, выпускаются иониты, практически полностью переведенные в рабочую форму (водородную, гидроксильную и др.). Эти материалы используются в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности и для глубокой очистки конденсата на атомных электростанциях. Выпускаются также готовые смеси ионитов для использования в фильтрах смешанного действия.
Важнейшим показателем ионообменных смол является влажность, так как в силу гидрофильности функциональных групп ионообменных смол влага, содержащаяся в смоле, является "химически связанной". Причем специальное удаление этой влаги приведет при последующем использовании смолы только к физическому разрушению гранул. "Внешняя" же влага, не связанная химически с функциональной группой смолы, как правило, удаляется перед упаковкой или с помощью центрофугирования или фильтрования.
Для удобства транспортировки, ионообменные смолы упаковывают по стандартному весу, и продают их определенными объемами - уже для удобства потребителя. Для каждого продукта определяется и постоянно корректируется насыпной вес влажного продукта, основанный на отношении веса к объему (кг/м3).
Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая.
Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.
В то же время, рабочая ионообменная емкость не может быть измерена в лабораторных условиях, так как зависит от геометрических размеров слоя смолы и от конкретных характеристик обрабатываемых растворов (уровня регенерации, скорости потоков, концентрации растворенных веществ, требуемых показателей качества обрабатываемого раствора, точного размера частиц).
Изготовители ионообменных смол с помощью дополнительных исследований определяют данные, на основании которых можно рекомендовать оптимальные технологии сорбции-десорбции.
| Отечественные | Purolite | Lewatit | Amberlite | Dowex |
|---|---|---|---|---|
| КУ 2-8 | C-100 | S-100 | IR-120 | HCR-C / Maraton C |
| КУ 2-8 ЧС | C-100 E | S-1467 | SR 1L | HCR-S S |
| АН 18-10П | A-100 | MP-68 (MP-64) | IRA-96 | MWA-1 |
| АВ 17-8 | A-400 | M-500 | IRA 402 / 420 | SBR-P / Maraton A |
| AB 17-8 ЧС | A-400 (OH) | М-500 KR/OH | IRA-400 /OH | - |
| КУ 2-8 ФСД | C 100*10 | S-200 | AmberJet 1500 | HGR |
| АВ 17-10П/0,8 | A-500 | MP-500 | IRA-900 | WSA-1 |
| АВ 17-10П/0,8 | A-510 | MP-510 | IRA-910 | WSA-1 |
| КБ-4 | C-104 | CNP-80 | IRC-86 | MWC-1 / CCR |
| КУ-23 10/60 | С-145 | SP-112 | IRC 252 | MSC-1 |
| C-105 E | CNP-LF | HP 333 | CCR 2F | |
| A-200 | M-600 | IRA-410 | SAR | |
| A-845 | VPOC 1072 / AP 49 | IRA-67 | - | |
| A 520 E | SR-7 | HP 555 / IRA-996 | - | |
| S-108 | MK-51 | IRA-743 | - | |
| IP 4 | IN-42 | RF-14 | IF 56 |
> Ионообменная смола
Ионообменные смолы широко применяются в фильтрах систем очистки воды загородных домов, коттеджей, дачных участков. Наибольшее распространение эта фильтрующая среда получила в конце прошлого века.
Внешне ионообменная смола похожа на скопление маленьких шариков, диаметр которых не превышает миллиметра. Материал для изготовления этих шариков – специальные полимеры. Если незнакомый с таким видом сред человек посмотрит на смолу, то он сможет легко спутать ее с рыбьей икрой. Но на самом деле перед ним предстанет материал, который имеет уникальное и полезное свойство. Смола для фильтра может задерживать ионы различных примесей (начиная от металлов и заканчивая солями жесткости), меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. То есть, происходит обмен ионами. Этот процесс и дал название фильтрующей среде – ионообменная смола.
А теперь давайте более подробно рассмотрим данный материал. С точки зрения химии, иониты (а это научное название ионообменной смолы), это высокомолекулярные соединения с функциональными группами, которые могут вступать в реакции обмена с ионами жидкости. Некоторые иониты могут также участвовать в реакциях окисления, восстановления, физической сорбции (поглощения некоторых соединений).
Смола для фильтра может иметь разную структуру: гелевую, пористую и промежуточную.
У ионитов гелевой структуры нет пор, и процесс ионного обмена происходит лишь тогда, когда смола находится в набухшем состоянии, похожем на гель (отсюда и название структуры).
Пористая, или макропористая, структура называется так, потому что на поверхности смолы находится большое количество пор, которые способствуют ионному обмену.
Промежуточная структура – среднее по свойствам между гелевой и пористой структурами.
В чем их существенное различие? Смола для фильтрагелевой структуры имеют большую обменную емкость, чем со смолой пористой структуры. Но зато ионообменная смола с порами имеет большую химическую и термическую стойкость, то есть она может задерживать большее количество примесей практически при любой температуре воды.
Еще одно разделение ионообменных смол по заряду ионов. Если в смоле происходит обмен положительно заряженных ионов (катионов), она называется катионитом; если же отрицательно заряженных (анионов), то ее название будет анионит. Практическое их отличие в способности обмена в воде с различным уровнем кислотности (уровня pH). Некоторые аниониты, например, могут «работать» при pH равным 1 – 6, а катиониты – при pH более 7. Правда, все эти тонкости больше нужно знать специалистам, подбирающим вам или другого источника.
Выпускаемая ионообменная смола, как правило, содержит ионы солей (хлористая или натриевая) или смесь солей с другими соединениями (натрий-водород, гидроксил-хлорид).
Самым важным из них является влажность смолы. Чем ее меньше, тем лучше. Как правило, удаляется влага из смолы еще перед упаковкой в специальных центрифугах.
Еще один важный показатель характеристики ионообменный смолы – это ее емкость. Она показывает, какое количество исходных ионов приходится на единицу массы или объема смолы. Отсюда выделают весовую и объемную емкости и, отдельно, – рабочую. Первые две емкости являются стандартными величинами, определяются они в лабораториях и указываются в характеристиках готовой продукции.
Рабочая ионообменная емкость – величина, не измеряемая в лабораториях, так как зависит она от очень многих «рабочих» параметров: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока и многих других. Когда рабочая ионообменная емкость смолы исчерпает себя, это будет значить, что ионы в ней полностью обменялись с ионами примесей, и необходимо восстановить ее фильтрующую способность (рабочую емкость).
Для каких же целей используется ионообменная смола? Фильтры с ионообменной смолой применяются в системах водоочистки загородных домов, коттеджей, дач для удаления солей жесткости или умягчения воды. В таких фильтрах ионы магния и кальция заменяются безвредными ионами натрия, а в качестве регенерационной жидкости, восстанавливающей рабочую ионообменную емкость смолы используется концентрированный раствор поваренной соли.
Также фильтры с ионообменной смолой могут применяться для удаления железа, марганца и прочих элементов, но применяемая в них смола будет стоить дороже из-за своей «универсальности».
