Шарики ионообменной смолы в кране. Ионообменные смолы. Какая технология умягчения воды с помощью ионов

Свойства

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.

Ионообменные смолы получают путем полимеризации или поликонденсации.

Классификация

Ионообменные смолы относятся к следующим классам:

• Катионнообменные смолы (катиониты) - содержат кислотные группы
• Анионообменные смолы (аниониты) - содержат основные группы
• Амфотерные ионообменные смолы - содержат одновременно и кислотные, и основные группы
• Селективные ионообменные смолы - содержат комплексообразующие группы
• Окислительно-восстановительные смолы - содержат функциональные группы, способные к изменению зарядов ионов

Кроме того, ионообменные смолы могут содержать группы различных классов, относясь к полифункциональным смолам.

По структуре матрицы ионообменные смолы делятся на:

• гелевые - микропоры имеют молекулярные размеры. Они представляют собой гомогенные поперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены по всему объему полимера. Гелевые ионообменные смолы обладают высокой обменной емкостью, однако характеризуются невысокой скоростью обмена
• макропористые - размеры пор смолы имеют размеры в десятки нанометров. Имеют фиксированную систему пор и каналов, определяемую условиями синтеза. Обменная ёмкость таких смол меньше, чем гелевых при высокой скорости обмена

Методы получения ионообменных смол

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 .

Применение

Ионообменные смолы в основном применяются:

• для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;
• для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;
• при очистке возвратных и сточных вод;
• для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;
• для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;
• в качестве катализатора для органического синтеза.

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.

Литература

• Даффа реакция - Меди // Химическая энциклопедия в 5 томах. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 1990. - Т. 2. - 671 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ионообменные смолы" в других словарях:

Большой Энциклопедический словарь

- (сетчатые полиэлектролиты, ионообменные сорбенты, ионообменные полимеры), синтетич. орг. иониты. Твердые нерастворимые, ограниченно набухающие в р рах электролитов и орг. р рителях полимеры, способные к ионному обмену в водных и водно орг. р рах … Химическая энциклопедия

Синтетические органические иониты. Смолы, обменивающие с ионами внешней среды отрицательно заряженные ионы, называются анионообменными, положительно заряженные ионы катионообменными, а одновременно ионы того и другого знака полиамфолитами.… … Энциклопедический словарь

ионообменные смолы - Ion Exchange Resins Ионообменные смолы Синтетические иониты, полученные путем полимеризации или поликонденсации иономеров, содержащих активные группы, способные обмениваться ионами с раствором. Активные группы могут также вводится в готовый… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Ионообменные смолы представляют собой мелкие полупрозрачные гранулы сферической формы. Цвет гранул смолы как правило зависит от состава смолы: так, например, сильнокислотные катионообменные смолы обладают ярко-желтым или коричневым цветом, в то время как слабоосновные аниониты представляют собой белые непрозрачные гранулы.Основная сфера применения ионообменных смол - удаление жесткости в установках водоподготовки для энергетических предприятий. Ионный обмен основан на удалении из воды, пропускаемой через слой смолы, ионов, которые замещают находящиеся на активных группах смолы катиона натрия, протоны или гидроксильные группы.

Смолы различаются как по принципу действия (катионообменные, анионообменные), так и по своей структуре (гелевые, макропористые). Выбор для конкретного процесса той или иной смолы определяется характером удаляемой из воды примеси.

Классификация ионообменных смол

1. По составу. Различают аниониты и катиониты. Как и следует из названий, катиониты имеют в качестве функциональной группы катионную, аниониты - анионную. Соответственно, катиониты обменивают (и извлекают из воды) катионы, аниониты - анионы.

2. По типу и силе функциональных групп и степени смолы подразделяются на:

Сильнокислотные катионообменные смолы - используются для умягчения воды и ее обессоливания.

Слабокислотные катионообменные смолы - используются для устранения временной жесткости, а также повышенной щелочности воды.

Сильноосновные анионообменные смолы применяются в основном для обессоливания воды с очень высоким содержанием солей и кремния, что обуславливается высокой скоростью обмена сильноосновных анионитов. Этот способ по скорости и затрачиваемой энергии превосходит обратный осмос.

Слабоосновные анионообменные смолы используются чаще всего для обессоливания органических соединений, в числе которых сахароза, молочная сыворотка, глюкоза и другое.

Афолиты имеют в одной смоле сразу несколько типов функциональных групп (анионных и катионных) в разных или одинаковых пропорциях - используются в основном для обессоливания воды в одну ступень. Соотношение тех или иных функциональных групп определяется соотношением в исходной воде удаляемых ионов.

3. По структуре гранул : полистирольные, гелевые и макропористые. Также возможны смешанные структуры такие как полистирольная-гелевая и полистирольная-макропористая. Возможно применение для очистки воды от извести.

Смолы гелевого типа при контакте с водой набухают сильнее, чем другие, в это время их объем увеличивается в полтора-два раза. Ионный обмен в смолах гелевого типа происходит довольно быстро, однако в скорости эти смолы однозначно уступают смолам с макропористой структурой, которые в отличии от гелевых смол не так сильно набухает.

4. По обмениваемому иону в исходной форме : натриевая, водородная и др. Чаще всего в исходной форме смолы обмениваемыми катионами являются для катионообменной смолы натрий или протон, а в анионообменниках - хлор или гидроксильная группа.

5. По степени однородности размеров гранул различают монодисперсные (бОльшая часть гранул имеет одинаковый размер) и полидисперсные (размер гранул распределен в широких пределах).

Для регенерации ионообменных смол используют: регенерационную соль (для смол в натриевой форме), кислоту (для смол в Н-форме), раствор гидроксида натрия (для смол в ОН-форме).

Ионообменные смолы - это нерастворимые на высокомолекулярном уровне соединения, которые могут показать реакцию при взаимодействии с ионами раствора. Они имеют трехмерную гелевую или макропористую структуры. Их еще называют ионитами.

Разновидности

Эти смолы бывают катионообменными (делятся на сильнокислотные и слабокислотные), анионообменными (сильноосновные, слабоосновные, с промежуточной и смешанной основою) и биполярными. Сильнокислотные соединения - это катиониты, которые могут обмениваться катионами вне зависимости от А вот слабокислотные могут функционировать при значении не ниже семи. Сильноосновные аниониты имеют свойство обмениваться анионами в растворах при любой при любых показателях рН. Этого, в свою очередь, лишены слабоосновные аниониты. В этой ситуации рН должен быть 1-6. Другими словами, смолы могут обменять ионы в воде, впитать одни, а взамен отдать те, которые ранее были запасены. А так как именно H 2 O - многокомпонентная структура, то нужно верно ее подготовить, выбрать химическую реакцию.

Свойства

Ионообменные смолы - полиэлектролиты. Они не растворяются. Многозарядный ион неподвижен, потому что имеет большую молекулярную массу. Он образует основу ионита, связан с небольшими подвижными элементами, которые имеют противоположный знак, и, в свою очередь, может обменивать их в растворе.

Производство

Если полимер, который не имеет свойства ионита, обработать химически, то произойдут изменения - регенерация ионообменной смолы. Это достаточно важный процесс. С помощью полимераналогичных превращений, а еще поликонденсации и полимеризации, получают иониты. Существует солевая и смешанно-солевая формы. Первая подразумевает натриевый и хлористый, а вторая - натрий-водородный, гидроксильно-хлоридный виды. В таких условиях выпускаются иониты. Мало того, в процессе они переводятся в рабочую форму, а именно водородную, гидроксильную и т. д. Такие материалы используют в разных сферах деятельности, например, в медицине и фармацевтике, в пищевой промышленности, на атомных электростанциях для очистки конденсата. Также может применяться ионообменная смола для фильтра смешанного действия.

Применение

Используется ионообменная смола для Кроме того, соединение может и обессолить жидкость. В связи с этим ионообменные смолы часто используют в теплоэнергетике. В гидрометаллургии ими пользуются для цветных и редких металлов, в химической промышленности ими очищают и разделяют разные элементы. Иониты также могут очистить сточные водоемы, а для органического синтеза они - целый катализатор. Таким образом, ионообменные смолы могут быть использованы в разных отраслях.

Промышленная очистка

На теплопередающих поверхностях может появляться накипь, а если она достигнет всего 1 мм, то расход топлива увеличится на 10%. Это все-таки большие потери. Мало того, оборудование быстрее изнашивается. Чтобы это предотвратить, нужно правильно организовывать водоподготовку. Для этого используется фильтр с ионообменной смолой. Именно очистив жидкость, можно избавиться от накипи. Способы бывают разные, но с повышением температуры их вариантов становится меньше.

Обработка H 2 O

Существует несколько способов для того, чтобы очистить воду. Можно воспользоваться магнитной и а можно отретушировать ее комплексонами, комплексонатами, ИОМС-1. Но более популярным вариантом считается фильтрация с помощью обмена ионов. Это заставит изменить состав элементов воды. Когда используют такой метод, H 2 O почти полностью обессоливается, загрязнения пропадают. Следует отметить, что такой очистки достаточно сложно добиться иными способами. Обработка воды с помощью ионообменных смол очень популярна не только в России, а и в других странах. Такая очистка имеет много достоинств и намного эффективнее прочих методов. Те элементы, которые удаляются, никогда не останутся осадком на дне, а дозировать реагенты не нужно постоянно. Сделать эту процедуру очень легко - конструкция фильтров однотипная. При желании можно воспользоваться автоматизацией. После очистки свойства будут сохраняться при любых колебаниях температуры.

Ионообменная смола Purolite A520E. Описание

Чтобы поглощать нитрат-ионы в воде, была создана макропористая смола. Она используется, чтобы очистить H 2 O в разных средах. Специально для этого появилась ионообменная смола Purolite A520E. Она способствует избавлению от нитратов даже при большом количестве сульфатов. Это значит, что, по сравнению с другими ионитами, эта смола наиболее эффективна и имеет лучшие характеристики.

Рабочая емкость

Purolite A520E имеет высокую селективность. Это помогает, вне зависимости от количества сульфатов, удалить нитраты качественно. Такими функциями не могут похвастаться остальные ионообменные смолы. Это обусловлено тем, что при содержании сульфатов в H 2 O снижается обмен элементами. Но благодаря селективности для Purolite A520E такое понижение не имеет особого значения. Хотя соединение имеет низкий, если сравнивать с другими, полный обмен, жидкость в больших количествах очищается достаточно качественно. При этом, если сульфатов будет мало, то справиться с обработкой воды и устранением нитратов смогут различные аниониты - как гелевые, так и макропористые.

Подготовительные операции

Чтобы смола Purolite A520E работала на 100%, она должна быть правильно подготовлена для выполнения функции очищения и подготовки H 2 O для пищевой индустрии. Следует отметить, что перед началом работы используемое соединение обрабатывают 6%-м раствором NaCl. При этом используют в два раза больший объем по сравнению с количеством самой смолы. После этого соединение обмывают пищевой водой (количество H 2 O должно быть в 4 раза больше). Только проведя такую обработку, можно приниматься за очистку.

Заключение

Благодаря свойствам, которыми обладают ионообменные смолы, ими можно пользоваться в пищевой индустрии не только для очистки воды, но и для обработки продуктов, различных напитков и прочего. На вид аниониты - это маленькие шарики. Именно к ним прилипают ионы кальция и магния, а они, в свою очередь, отдают ионы натрия в воду. В процессе промывки гранулы отпускают эти прилипшие элементы. Следует помнить о том, что в ионообменной смоле может упасть давление. Это скажется на ее полезных свойствах. На те или иные изменения влияют внешние факторы: температура, высота столбца и размер частиц, их скорость. Поэтому при обработке следует поддерживать оптимальное состояние среды. Часто пользуются анионитами в очистке воды для аквариума - они способствуют формированию хороших условий для жизни рыб и растений. Итак, ионообменные смолы нужны в разных индустриях, даже в домашних условиях, так как могут качественно очистить воду для дальнейшего ее использования.

Повальной проблемой, с которой сталкивается большая часть жителей больших городов, является качество питьевой воды.

Да, с кранов не так уж и часто течет грязная, ржавая вода, либо жидкость воняющая сероводородом, но – вопрос актуальный, и без должного уровня водоподготовки использовать такую воду в питьевых и бытовых целях проблематично по целому ряду причин.

Жесткая вода, не прошедшая стадию очистки и умягчения, приносит существенный вред вашим водонагревающим приборам – стиральной машине, посудомойке, электрическому чайнику. Эти устройства при работе с жесткой водой выйдут из строя гораздо раньше, чем предусмотрено производителем при нормальных условиях эксплуатации.

Это объясняется тем, что на нагревающих элементах образовывается слой накипи, который провоцирует ускоренную коррозию металла.

1 Какая технология умягчения воды с помощью ионов?

Наиболее эффективным способом на сегодняшний день является умягчение воды методом ионного обмена. При водоподготовке методом ионного обмена удается действовать максимально эффективно. Не зря же этот способ водоподготовки так популярен как в быту, так и в промышленности.

Как известно, жесткость воде придают растворенные в ней соли кальция и магния. Суть метода ионного обмена заключается в том, что определенные химические реагенты, которые называются ионообменным материалом, либо просто ионитами, имеют свойство регулировать ионную структуру воды в нужном направлении.

Это позволяет заменить минеральные соли жесткости, на другие химические структуры, которые не придают воде нежелательных свойств.

Чтобы выполнить водоподготовку данным методом используются специальные установки-фильтры, что заполняются ионитами, через которые пропускается вода.

При просачивании сквозь ионообменный материал в жесткой воде происходит замена большей части растворенных в ней ионов электролитов на такое же количество ионов ионитов, вследствие чего происходит изменение химической структуры самой воды, так и химического реагента.

1.1 Плюсы и минусы

2 Необходимое для работы оборудование

Технические особенности оборудования, как и его цена, зависят в первую очередь от сферы его применения: фильтры для сточных вод могут иметь огромные размеры, в то время как устройства для бытового использования обладают достаточно компактными габаритами.

Что касается цен, то минимальная стоимость устройства для домашней водоподготовки составляет, по меньшей мере 300 долларов.

На сегодняшний день все фильтры для ионного умягчения выпускаются в двух основных форм-факторах:

• Небольшие стационарные фильтры со сменным картриджем;
• Ионообменные колонны – крупногабаритные подключающиеся к водопроводу устройства, которые, в основном, обладают автоматизированным процессом восстановления смолы.

Фильтры колонного типа имеют следующую комплектацию:

• Рабочая емкость – выполненная в форме герметичного бака, либо баллона, который заполнен ионообменной смолой;
• Клапан с электронным процессором, который управляет подачей воды;
• Емкость для восстановительного материала – в основном имеет форму бака, в который засыпается соль.

Работа таких устройств для умягчения полностью автоматизирована: процессор подает в колонну воду, которая, попадая в ионообменную среду, отдает смоле ионы солей жесткости, после чего вода, уже очищенная, сквозь выводящий шланг подается к водопотребляющим устройствам.

Когда ионообменная смола истощается и требуется её восстановление, устройство выполняет подачу небольшого количества жидкости в бак для реагентов, которая после насыщения соляным раствором возвращается обратно к смоле. Циркуляция происходит до тех пор, пока система не будет полностью восстановлена.

В целом, колонны для водоподготовки бытового применения и промышленные устройства для фильтрации сточных вод, отличаются друг от друга лишь размерами рабочей емкости и видом используемых реагентов.

2.1 Восстановление ионной смолы в картридже

В фильтрах с картриджами восстановление смолы выполняется собственноручно, делается это следующим образом:

1. Перекрывается подача воды в фильтр и сбрасывается внутреннее давление.
2. Извлекаем картридж со смолой.
3. Очищаем его от загрязнений, промывая под струей проточной воды.
4. Если картридж разбирается, то смола высыпается в отдельную посудину и покрывается соляным раствором, если нет – то опускаем в него картридж целиком. Соляной раствор изготавливаем из расчета 100 грамм соли на 1 литр воды. Нам понадобится примерно 2-4 литра жидкости.
5. Оставляем смолу в растворе на 6-8 часов, после чего сливаем его и промываем смолу чистой, предварительно отфильтрованной, водой 2-3 раза.
6. Выполняется установка картриджа в исходное положение.
7. В первых литрах пропущенной через фильтр воды, после восстановления смолы, вы можете почувствовать легкий привкус соли – это нормально, в течении получаса он исчезнет.

Эффективность работы ионообменных фильтров будет максимальной при соблюдении определенных правил по качеству подающейся воды:

1. Жидкость не должна быть зараженной микробами.
2. Запрещается с высоким содержанием активного хлора и сероводорода.
3. Оптимальная температура обрабатываемой воды: 5-40 градусов по Цельсию.
4. Давление потока: 2-7 кгс\см2.
5. Концентрация механических загрязнений не должна превышать 1 мг\л.

2.2 Принцип работы (видео)

Применение ионообменной смолы, на сегодняшний день, весьма разнообразно. Но самая важная задача, с которой ионообменная смола способна справиться на отлично, — это смягчение воды. Благодаря своей смягчающей способности, использование ее в бытовых приборах, имеющих контакт с водой, просто необходимость. Давайте разберемся, чем уникальна ионообменная смола, и возможно ли обойтись без нее.

Ионообменная смола

Итак, мы определились, что ионообменная смола необходима для умягчения воды для бытовых нужд. То есть, увлажнитель воздуха, бытовой фильтр для очистки воды, стиральная машина, котлы для отопления. Список можно продолжить, но важно понять, что умягчение воды необходимо там, где она подвержена нагреву, вследствие чего может образовываться накипь, приводящая в негодность бытовые приборы, а также бытовые проточные фильтры.

Основные моменты, с которыми может столкнуться каждый:

Жесткость воды способна не только выводить из строя Ваши бытовые приборы, но и нанести вред Вашему здоровью.

Раздражение, сухость и зуд кожи, вследствие засорения кожных пор солями жирных кислот, которые, при реакции взаимодействии мыла с солями жесткости воды являются нерастворимыми.

Ломкость, сухость волос и повреждение их естественной правильной структуры.

Раздражение и пересушивание кожи головы, что приводит к появлению перхоти и неприятным ощущениям.

Большой расход моющих средств (в среднем, 3 раза выше).

Наличие налета на Вашей сантехнике в ванной комнате и на кухне

Большой расход электроэнергии, так как наличие накипи на нагревательных элементах увеличивает потребляющую мощность приборов.

Что же представляет собой ионообменная смола?

Ионообменная смола – полимерные смоляные шарики, диаметр которых менее

миллиметра. Шарики смолы имеют способность к улавливанию из воды ионов различных веществ, и адсорбировать их в себя, обменивая на свои, смоляные, ионы. Таким образом, происходит ионный обмен, соответственно и смола – ионообменной.

Есть иное название ионообменной смолы – ионит. А именно, — нерастворимое высокомолекулярное соединение, которое способно вступать в реакции обмена с ионами загрязненной или жесткой воды. Иониты имеют гелевую основу, в связи с этим, способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Существуют также и макропористые иониты. Существенное отличие их в том, что они имеют поры по всей своей поверхности что означает — ионный обмен возможен как в набухшем, так и в не набухшем. Гелевые иониты обладают большей обменной емкостью, а макропористые, — лидируют в осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Иониты находят применение в пищевой, фармацевтической, медицинской отросли. Выпускаются, как правило, уже готовые смеси ионитов для использования в фильтрах (для увлажнителей, фильтров для воды как питьевых, так и специального назначения для бытовых приборов).

Принцип действия ионообменных смол.

Рабочее состояние ионообменной смолы – это набухание. При производстве смоляным

шарикам придают воздушно-сухое состояние. Размеры смоляных шариков могут колебаться от 0,5 мм до 4мм. При взаимодействии с водой шарики набухают, напитываясь водой. Набухание шариков приводит, соответственно, к увеличению их в размере.

При прохождении воды сверху вниз через слой ионообменной смолы происходит её смягчение. Процесс прохождения воды через ионообменную смолу проходит в несколько этапов. Это обуславливается наличием нескольких слоев смолы: работающий, истощающий и свежий. Работающим слоем является, собственно зоной смягчения. Далее, вода

проходит сквозь следующий слой, который со временем истощается, теряя обменную способность. Попадая в последний слой, свежий слой. Во всех слоях ионообменной смолы, которые проходит вода, происходит ее смягчение. Но расписывая данные слои, мы хотели обратить Ваше внимание на то, что картриджи, наполненные ионообменной смолой необходимо периодически менять. Необходимо это того, чтобы Вы смогли получить максимальный эффект от использования фильтров на основе ионообменной смолы. Рекомендовано производить замену картриджа не реже одного раза в 3-6 месяцев.

Подводя итог, можно обобщить выше сказанное. Ионообменная смола способна задерживать любой химический элемент и его соединения. При очистке воды ионообменной смолой удаляются соли жесткости, а именно кальций и магний, которые имеют свойство образовывать накипь на водонагревательных элементах. А значит, удаление жесткости воды и называется ее умягчением.

Как правило, фильтры, содержащие ионообменную смолу, устанавливаются перед водонагревательными аппаратами (котел, газовая колонка, проточный водонагреватель, бойлерами, прочее). Также, применяется в бытовых системах очистки воды. Возможна установка фильтра со смолой и на весь дом в комплексе с фильтрами механической угольной очистки. Обычно применяется двухступенчатая или трехступенчатая система колбовых фильтров, установленных последовательно.

Ионообменные смолы не являются токсичными, взрывоопасными и пожароопасными веществами. Ионообменные смолы безопасны, поэтому не могут нанести вред здоровью человека.