ионообменная смола что это такое

Ионообменные смолы

Ионообменные смолы для воды

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.

АНИОНИТЫ подразделяются на:

КАТИОНИТЫ подразделяются на:

Фильтр с ионообменной смолой

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.

Весовая и объемная емкости являются стандартными показателями, определяются в лабораторных условиях по стандартным методикам и указываются в паспортных данных на готовую продукцию.

Регенерация ионообменной смолы

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.

Таблица. Подбор аналогов различным ионообменным смолам.

Статьи по теме

Органические краски

Постоянное ужесточение законодательства по охране окружающей среды привело к значительному вытеснению в последние годы традиционных красок на органических растворителях более экологически чистыми — водорастворимыми красками.

Скипидар живичный

Скипидар — бесцветная или желтоватая жидкость с едким запахом, добываемая перегонкой смолы хвойных деревьев с водой и применяемая в медицине и в лакокрасочном производстве.

Нефтяные растворители

Источник

Ионообменная смола для умягчения воды

Существует множество способов сделать питьевую воду максимально безопасной. Когда-то наши бабушки и дедушки не слышали про системы фильтрации. Сегодняшняя экология усложнила ситуацию с питьевой вода. Постоянная очистка нагревательных приборов от налета накипи заставляет познать жесткость воды и задуматься о качестве питьевой воды.

Удаление солей жесткости, которые откладываются на бытовых приборах, возможно с помощью специальных умягчителей. Многие системы фильтрации используют ионообменную смолу для умягчения воды. Рассмотрим более подробно виды смол, их принцип работы и для чего они в системе очистки.

Классификация ионообменных смол

В борьбе с солями кальция и магния отличным вариантом будут безреагентные умягчители воды. Большая часть смягчающих фильтров работает с помощью реагентов. Вода получает нужный состав благодаря фильтрующей массе и реагентам. Последние могут так же восстанавливать фильтрующие среды. Основой фильтра-ионообменника является смола.

Ионообменная смола для смягчения воды используется во многих сферах:

Основой смолы являются иониты – нерастворимые полиэлектролиты. Различают искусственные, природные и синтетические смолы.

Ионит имеют форму заряженного каркаса с ионами противоположного знака. При контакте ионов каркаса с ионами другого знака происходит смена ионитов.

Направление заряда приводит к делению ионов на амфолиты. К ним прибавляются отрицательные катиониты с положительными аонитами. Катионы притягиваются к катионитам, а анионы – к аноитам.

Каркас может иметь различную основу: химическую, нехимическую, минерально-органическую. Она является сочетанием органики и синтетических ионитов. Если каркас гелиевый, то в него макропористые или гелиевые иониты. Они активны в набухшим состоянии при увеличении объема до 3 раз. Однако их ресурс иссякаем. При ликвидации всех мостиков-сшивок смола перестает смягчать воду.

Существуют смолы с равномерным распределением мостиков – изопористые иониты. При большем впитывании они увеличиваются сильно в объеме.

Набухание ионитов гелиевой основы вызвано раскрытием гранул подобно бутону цветка. Гелиевая структура не имеет сплошных стенок и не однородна. Минусом гелиевых смол является их неспособность поглощать большие органические вещества и ионы. При фильтрации может произойти «отравление смолы» — закупорка пор.

Сегодня наиболее применяемыми являются макропористые иониты. Их преимуществами являются малое изменение объема, хорошо адсорбируют, имеют продолжительные обменные реакции, большую скорость фильтрации, прочные и жесткие. Поры в микропористых смолах являются результатом искусственного процесса: добавление жирных кислот, спиртов и гептана.

Если сравнить существующие виды ионитов, то видно:

Принцип работы ионообменной смолы

ИВ — исходная вода; OS — обработанная вода; Р — реагент

Смолы для умягчения начали применять только во второй половине прошлого века и быстро себя изжили. В XX веке было сделано максимальное число открытий в области очистки воды. Пик популярности ионообменных смол был в 80-90-ые годы. Потом их стали вытеснять мембраны и обратный осмос. Сегодня смолы для смягчения воды популярны в системах очистки, но не занимают лидирующие позиции.

Для большего понимания принципа работы ионообменную смолу можно сравнить с икрой. Неопытный человек может с первого взгляда перепутать ее с белужьей.

Ранее уже говорилось, что смола для умягчения воды может состоять из трех видов ионитов: аниониты, катиониты и аониты. Наиболее распространенные аониты. Суть разделения в том, что каждый вид может замещать исключительно одноименные иониты.

Аниониты могут иметь сильную или слабую основу, а так же промежуточную и смешанную. Катиониты обладают слабой или сильной кислотностью. Сильная основа анионитов позволяет совершать обмен при любом кислотно-щелочном балансе, слабая – только до 6. Катиониты сильной кислотности могут обмениваться при любом рН, а слабокислотные – до 7.

Таким образом, ионообменная смола умягчает воду, но почти не очищает ее от других примесей. Она может полностью устранить жесткость. Возможно несколько раз прогонять воду через фильтр, что бы сделать ее более мягкой. При каждой очистки увеличивается концентрация натрия, большое значение которой является опасным для человеческого организма.

Иониты могут иметь солевую или смешанную форму. Основу солевой составляют натриевые и хлористые соединения, а смешанной – натрий-хлор или гидроксил-хлорид.

Ионообменные смолы используются в фармакологии, пищевой промышленности, на АЭС для очистки конденсата и т.д.

Иногда дополнительно используют таблетированную соль для умягчения воды. Но обычная столовая соль в таблетках вымывает ионообменные смолы из фильтра. Со временем смола потрескается и утратит свои фильтрующие способности.

Таблетированная солью может восстановить ионнообменную смолу. Продают ее в больших пакетах по 25 кг.

Как выбрать?

Сегодня во многих магазинах на прилавках легко найти смолу для ионообменного фильтра. Если уже известна марка и зарекомендованной производитель ионообменной смолы, то ее быстро можно найти в интернете.

Основным показателем эффективности работы является влажность, а не поглощение. В смоле присутствует химически связанная влага. Ее удаление ведет к разрушению ионообменной смолы для умягчения воды.

Далее следует обратить внимание на емкость ионов – рабочая, объемная, весовая. Объемная и весовая являются стандартными характеристиками, которые определяются в лабораторных условиях. Они всегда указаны в паспорте продукции.

Рабочую емкость измерить невозможно. Она зависит от формы и глубин фильтрующего слоя смолы. Так же важны и входные параметры очищаемой воды.

Следует обратить внимание на скорость фильтрации, уровень восстановления, размер задерживаемых частиц и т.д.

Источник

Ионообменная смола

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 работы вещества

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.

Основные свойства ионообменной смолы

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.

Производство ионообменных смол

Ионообменная смола для умягчения воды получается в результате двух химических реакций. Она поддается влиянию полимераналогичных превращений и процессу полимеризации.

Для производства картриджей с ионообменными смолами используют полимеризацию трех веществ:

Применение

Характеристики ионообменной смолы позволяют ее применять как в быту, так и в больших производственных компаниях. Их используют в:

Фильтры с таким очистительными материалами используют:

Особенности упаковки и хранения

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.

Источник

Умягчение воды. Ионообменные смолы: виды, принцип действия, эффективность

Умягчение воды осуществляют методами: термическим, основанным на нагревании воды, её дистилляции или вымораживании; реагентными, при которых находящиеся в воде ионы Са (II) и Mg (II) связывают различными реагентами в практически нерастворимые соединения; ионного обмена, основанного на фильтровании умягчаемой воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na (I) или Н (I) на ионы Са (II) и Mg (II), содержащиеся в воде; диализа; комбинированным, представляющим собой различные сочетания перечисленных методов.

Выбор метода умягчения определяется качеством воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями, представленными в таблице снизу.

Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии V_к = аh_к.

Формула для определения рабочей обменной емкости катионита, г÷экв/ м 3 : е_р = QЖ_и /аh_к; где Ж_и — жесткость исходной воды, г÷экв/ м 3 ; Q — количество умягченной воды, м 3 ; а — площадь катионитового фильтра, м 2 ; h_к — высота слоя катионита, м.

Обозначив скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре vк, количество умягченной воды можно найти по формуле: Q = v_к aT_k = е_раh_к /Ж_и; откуда длительность работы катионитового фильтра (межрегенерационный период) находим по формуле: T_k = е_рh_к /v_к Ж_и.

По исчерпании рабочей обменной способности катионита его подвергают регенерации, т.е. восстановлению обменной емкости истощенного ионообменника путем пропуска раствора поваренной соли.

В технологии умягчения воды широко применяют ионообменные смолы, которые представляют собой специально синтезированные полимерные нерастворимые в воде вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера –SO₃Na (сильнокислотные катиониты). Ионообменные смолы подразделяют на гетеропористые, макропористые и изопористые. Гетеропористые смолы на дивинилбензоловой основе характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор. Макропористые имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера. Изопористые имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей обменной емкостью и др. Физические свойства катионитов зависят от их фракционного состава, механической прочности и насыпной плотности (набухаемости). Фракционный (или зерновой) состав характеризует эксплуатационные свойства катионитов. Он определяется ситовым анализом. При этом учитываются средний размер зерен, степень однородности и количество пылевидных частиц, непригодных к использованию.

Мелкозернистый катионит, обладая более развитой поверхностью, имеет несколько большую обменную емкость, чем крупно-зернистый. Однако с уменьшением зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3. 1,5 мм. Рекомендуется применять катиониты с коэффициентом неоднородности К_н = 2.

Приведем характеристики некоторых катионоообменников. Среди сильнокислотных катионообменников отечественного производства, разрешенных к применению для хозяйственно-питьевого водоснабжения, можно выделить КУ-2–8чС. Получают его сульфированием гранульного сополимера стирола с 8% дивинилбензола. КУ–2–8чС по структуре и свойствам близок к следующим зарубежным сульфокатионитам особой степени чистоты: амберлайту IRN-77 (США), зеролиту 325 NG (Англия), дауэксу HCR-S-Н (США), дуолайту ARC-351 (Франция), вофатиту RH (Германия). По внешнему виду — сферические зерна от желтого до коричневого цвета, размером 0,4–1,25 мм, удельный объем не более 2,7 см 3 /г. Полная статическая обменная емкость не менее 1,8 г÷экв/л, мин, динамическая обменная емкость с полной регенерацией не менее 1,6 г÷экв/л.

В настоящее время нашли широкое применение сильнокислотные катиониты фирмы Пьюролайт: C100, С100Е, С120Е (аналоги отечественных смол КУ-2–8, КУ–2–8чС). Применяется ионообменная смола фирмы Пьюролайт С100Е Аg (обменная емкость 1,9 г÷экв/л, насыпная масса 800–840 г/л), представляющая собой серебросодержащий катионит для водоумягчения, обладающий бактерицидным действием. Существует отечественный аналог КУ-23С — макропористый катионит бактерицидного действия (статическая обменная емкость 1,25 г÷экв/л, насыпная масса 830–930 г/л).

Применяется для умягчения питьевой воды как в промышленности, так и в быту катионит Пьюрофайн С100ЕF — он имеет ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми смолами для водоумягчения. Обладает намного большей рабочей емкостью при обычных скоростях потока, повышенной рабочей емкостью при высоких скоростях потока, при меняющемся и прерывающемся потоке. Минимальная общая обменная емкость 2,0 г÷экв/л. Особенность катионита С100ЕF состоит в том, что он требует меньшего объема и количества регенеранта (NaCl).

Применяется сильнокислотный катионит IONAС/С 249 для умягчения воды бытового и муниципального применения. Обменная емкость 1,9 г÷экв/л.

Умягчение воды натрий-катионитовым методом на указанных смолах (жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05. 0,1, при двухступенчатом — до 0,01 мг÷экв/л) описывается следующими реакциями обмена:

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10. 25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3. 4 л/(см 2 ); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 8. 10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2ч, из них на взрыхление — 10. 15, на фильтрование регенерирующего раствора — 25. 40, на отмывку — 30. 60 мин.

Процесс регенерации описывается реакцией:

На практике ограничиваются однократным пропуском соли при жесткости умягченной воды до 0,20 мг÷экв/л или двукратным — при жесткости ниже 0,05 мг÷экв/л.

Источник

Технологии

Ионообменная смола

Начнем с того, что у вас возникла необходимость в умягчении воды. По косвенным признакам или путем проведения химического анализа, что является более правильным, вы определили, что у вас жёсткая вода, которая требует умягчения.

Изучая фильтры для жесткой воды, вы обнаружили, что в большинстве своем они умягчают воду за счет использования ионообменных смол.

Первый секрет, который мы откроем, это то, что собственно к смоле ионообменные смолы никакого отношения не имеют. Ионообменные смолы изготавливаются из твердых, нерастворимых в воде синтетических полимеров. Внешне ионообменная смола очень похожа на икру щуки, так как состоит из гранул-«шариков» диаметром от 0,2 до 1,2 мм.

Ионообменная смола может быть монодисперсной, то есть «шарики» в ней будут одного размера и полидисперсной с различным размером гранул. Этот фактор влияет на скорость и степень очистки воды, а так же спектр удаляемых загрязнений.

Виды ионообменных смол

Видов ионообменных смол огромное множество: для удаления железа, марганца, для удаления органики с помощью МИКСОВ (смесей), селективные смолы (которые удаляют в первую очередь конкретные элементы: нитраты, бор, кремний и т.д.).

В бытовых условиях ионообменные смолы в основном применяются для удаления солей жесткости (соли кальция, магния) путем натрий-катионирования. Этот процесс называется умягчением воды или ионным обменом, катионированием.

Именно на этих смолах мы остановимся подробнее, так как они работают за счет регенерации солью NaCl, что возможно сделать в бытовых условиях. Другие смолы нужно регенерировать агрессивными веществами, поэтому их применяют в основном на производствах. Есть смолы для глубокой очистки воды. Они работают на истощение. Их не регенерируют, а просто меняют смолу на новую.

Суть процесса умягчения

В первую очередь нужно понять, что умягчение принципиально отличается от обезжелезивания. При обезжелезивании происходит окисление и перевод растворенных веществ в твердую форму для последующего фильтрования. При умягчении ионообменная смола (Na-катионит) забирает из раствора положительно заряженные ионы (диссоциированные соли) кальция, натрия, железа, марганца и т.д. и замещает их на катионы натрия.

Таким образом мы избавляемся от проблем, которые возникают при использовании жёсткой воды:

Хотя правильнее будет говорить не жёсткость, а концентрация жёсткости. Потому что в природной воде и в воде из-под крана (в любой воде, не прошедшей через специальные фильтры или специальную обработку) всегда есть какой-либо уровень жёсткости. Концентрацию жёсткости дают растворенные в ней соли. Накипь на чайнике — это отложения именно тех самых растворенных солей.

Как работает ионообменная смола?

Емкость ионообменной смолы

По своей сути, емкость ионообменной смолы сродни емкости аккумуляторной батарейки.

Ионообменная смола имеет некий запас натрия, который в процессе ионообменного обмена замещается ионами растворенных солей, тем самым снижая способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий в смоле — прекращается и очистка, вода проходит через толщу смолы, не изменяя своих свойств.

Собственно этот запас натрия и определяет емкость смолы. Кроме того, емкость ионообменной смолы может постепенно снижаться из-за засорения смолы окисленным железом и взвешенными веществами.

Скорость фильтрации и производительность

На то, чтобы произошел ионообменный процесс необходимо время. Чем грязнее вода, чем больше в ней растворенных веществ, тем медленнее она должна проходить через смолу для хорошей очистки.

Фильтроцикл

Выбирая фильтр для очистки жесткой воды, нужно обязательно обратить внимание на ресурс умягчающего фильтроэлемента. Производители фильтров рассчитывают работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенерацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения качества очистки.

Последовательность стадий насыщения и регенерации ионообменной смолы называется фильтроциклом. Проще говоря — фильтоцикл — это количество полученной чистой воды между регенерациями.
Например, фильтроэлементы Барьер Эксперт Смягчение и Барьер Профи Смягчение имеют ресурс 500 литров и производительность 2л/мин.

Производитель предупреждает о необходимости полной замены фильтроэлемента не реже, чем 1 раз в год и обязательном учёте жёсткость исходной воды.

Так, например при исходной жёсткости воды 5 мк-экв/л и среднесуточном потреблении питьевой воды 5 литров, вам нужно будет регенерировать фильтроэлемент 1 раз в два месяца. Если же исходная жесткость воды 10 мк-экв/л, то 1 раз в месяц.

Вот почему так важно перед покупкой фильтра сделать анализ воды, которую необходимо очищать. Информация о составе воды позволит вам подобрать оптимальный вариант очистки и избавит от ненужных трат.

Регенерация ионообменной смолы

В процессе эксплуатации фильтров для жёсткой воды, ионообменная смола начинает терять свои свойства, и чтобы вернуть её в первоначальное состояние, необходимо периодически её восстанавливать – запускать процесс регенерации.

При данной процедуре, взвешенные соли удаляются из фильтра промывкой водой. Ионы, связанные с ионообменной смолой, удаляются раствором регенерации (NaCl). Фильтр промывается водой, чтобы удалить раствор регенерации. Одно из достоинств фильтров на основе ионообменных смол состоит в том, что регенерация катионитов производится раствором обычной поваренной соли (хлористый натрий, NaCl). То есть на здоровье человека и состоянии экологии не оказывается никакого отрицательного воздействия.

Восстановление свойств фильтрующего реагента позволяет многократно использовать один фильтроэлемент. Однако, способность ионообменной смолы умягчать воду постепенно снижается, так как регенерация не возвращает ионообменной смоле все ее свойства на 100%.

Средний срок службы фильтроэлементов, содержащих ионообменную смолу, определяется производителем. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.

Готовы ответить на все вопросы, касающиеся фильтров для очистки воды, по тел. +7 (499) 398-02-35, через форму обратной связи или в комментариях к статье.

Источник