Количественные характеристики ионитов

Полная обменная емкость (ПОЕ) ионита – количество молей эквивалентов ионогенных групп (активных центров) в 1 кг сухого ионита (или молей эквивалентов в ионите с насыпным объемом 1м³).

Статическая обменная емкость (СОЕ) ионита – количество молей эквивалентов ионогенных групп в расчете на 1 кг сухого ионита (или молей эквивалентов в ионите с насыпным объемом 1м³), обменявших свои ионы на ионы из раствора в условиях ионообменного равновесия между ионитом и раствором электролита с данной концентрацией С ионов и данной температурой Т. Понятно, что СОЕ < ПОЕ.

Схема эксперимента для определения СОЕ изображена на рис. 3.

Рис.3. Слева - схема опыта по определению статической емкости ионита. Справа – изображение результатов опытов в виде графика изотермы ионного обмена.

Время t_к контакта раствора с ионитом до установления ионообменного равновесия составляет до 60 часов! Расчет СОЕ проводят, используя уравнение баланса ионов в растворе и в твердой фазе ионита

,

где V_ионита – насыпной объем ионита, находящегося в контакте с раствором, м³ (тогда СОЕ должна иметь размерность моль эквивалентов/м³);

V – объем раствора, м³;

С_о – исходная концентрация обменивающихся с ионитом ионов, моль эквивалентов/м³;

С – концентрация ионов, оставшаяся в растворе к моменту достижения равновесия между раствором и ионитом.

Динамическая обменная емкость (ДОЕ) ионита. Ее определяют экспериментально путем пропускания раствора с постоянной скоростью через колонку (ионообменный аппарат) со слоем ионита.

Рис.4. Схема опыта (слева) для определения статической обменной емкости слоя зерен ионита. Справа на графике изотермы показано, как соотносятся величины СОЕ и ДОЕ.

После колонки фильтрат собирают по фракциям для их анализа с целью определения момента появления проскока. В этом случае время контакта недостаточно для установления ионообменного равновесия и, следовательно, ДОЕ < СОЕ. Время контакта t_к равно времени, за которое через колонку проходит объем раствора, равный насыпному объему V_и ионита, загруженного в аппарат (колонку)

t_к = V_и / L,

где L – объемный расход очищаемого раствора, м³/с.

Ясно, что при увеличении объемного расхода очищаемой воды через ионообменный аппарат (при увеличении производительности аппарата) время t_к контакта раствора с ионитом уменьшается, и, следовате6льно, уменьшается ДОЕ, т.е. уменьшается доля используемой статической обменной емкости ионита.

Ниже в табл. 1 и 2 приведены количественные характеристики некоторых используемых в промышленности ионитов.

Таблица 1. Характеристики основных марок отечественных катионитов, используемых при водоподготовке.

Марка катио-нита	Основа матрицы (химический состав матрицы)	Функциональные группы, привитые к матрице	Кислотность (способность к диссоциации функциональной группы)	ПОЭ (молей экв.)/м3	Насып-ная плотность, т/м3	Размер зерна, мм
КУ-2	Полистирол	-SO3H	Сильнокислотн.	1800	0.8	0.3-1.5
КУ-1	Фенолформальдегид	-SO3H	То же	1400	0.7	0.3-2.0
КФ-1	Полистирол	-PO(OH)2	Среднекислотн.	1900	0.7
КБ-1	Метакриловая к.	-COOH	Слабокислотный	4200	0.6	0.3-1.5

Таблица 2. Характеристики основных марок отечественных анионитов, используемых при водоподготовке.

Марка катионита	Основа матрицы	Функциональная группа	Кислотность	ПОЭ (молей экв)/м3	Насыпная плотность, т/м3	Размер зерна, мм
АВ-17×8	Полистирол	R3N+	Сильноосновный	4500	0.7	0.4-1.2
АВ-16	Эпокси- полиамин	RNH, R2N, R3N+	Промежуточный	10500	0.8	0.3-1.8
АН-22	Полистирол	NH2, RNH	Слабоосновный	7000	0.7	0.2-1.0

Рис. 5. Слева изображена повсеместно используемая схема последовательного включения в цепь колонок с катионитом в Н-форме и анионитом в ОН-форме в многоступенчатых установках для обессоливания воды. Справа с помощью графика показано, как изменяется эффективность задержки катионов слабых (слабых, не сильных!) оснований из раствора в зависимости от рН раствора.

Вопрос. Известно (рис.5), что эффективность Э задержки катионов слабых оснований при фильтрации раствора через катионит в Н-форме при увеличении рН сначала увеличивается, а затем уменьшается. Почему?

Ответ. При малых рН в растворе много ионов и они мешают обмену других катионов (см. пояснения к уравнениям реакций ионного обмена (7) и (8)). А при больших рН в растворе преобладают ионы и начинается связывание катионов слабых оснований с образованием взвеси слаборастворимых гидроксидов, которые тоже не вступают в ионный обмен (хотя могут частично задерживаться в слое зёрен, но теперь уже как взвесь).

Если вернуться к разобранному выше примеру (рис.2 на стр.5), то следует добавить, что в лучших условиях (с большей эффективностью) подвергаются ионному обмену катионы (они не конкурируют с ионами). В более худших условиях находятся ионы (концентрация ионов в воде в зоне осаждения увеличивается). В ещё более плохих условиях обмениваются ионы (концентрация ионов в воде в зоне осаждения становится ещё большей ). Отсюда следует, что лучше очищать воду ступенчато, используя многократное повторение рассмотренной на стр.5 схемы.

Рис. 6. Схема обессоливания воды в многоступенчатой установке переменного действия методом ионного обмена (на рисунке изображены две ступени).

При этом при постоянных суммарных объёмах катионита и анионита эффективность очистки будет увеличиваться с увеличением n количества ступеней. Наилучший результат получится при n , что конструктивно реализуется в ионообменном аппарате смешанного действия.