Самообучение по дисциплината "Химична технология на охлаждащата течност"
Тема: Йонообменни материали и техните свойства
Цел:Да се разгледа класификацията на йонообменните материали, да се характеризират използваните йонообменници, да се разгледат техните свойства.
1. Класификация на йонообменниците.
2. Промишлени катионни и анионни обменници.
3. Технологични показатели на йонообменници
Литература:
M.I. Хоршев. Пречистване на водата, специално химическо почистване и химичен контрол в атомни електроцентрали. Севастопол, SIYaEiP, 2000
А.А. Громогласов и др. Пречистване на водата: процеси и апарати. Москва: Енергоатомиздат, 1990 г
Пречистване на вода: процеси и устройства. Изд. О.И. Мартинова. Москва: Атомиздат, 1977 г
В.Н. Гончарук и др.. Водно-химична технология на атомни електроцентрали и екология. Киев. Научна мисъл, 1993г
В.А. Кишневски. Технологии за пречистване на вода в енергетиката. Одеса: Феникс, 2008
Феноменът на йонообмен при контакт на някои твърди вещества с разтвори е открит още през 1850 г. при изследване на почви, а след това и естествени алумосиликати (зеолити), хидроксиди на тежки метали и др. По-късно са синтезирани изкуствени алумосиликати (пермутити) и сулфовъглища на базата на естествени въглища. През 1936 г. са разработени методи за синтез на първите изкуствени йонообменни високомолекулни (полимерни) материали.
И така, за осъществяването на йонообмен може да се използва:
неорганични йонообменници - хидроксиди на алуминий, желязо, барий, зеолити, пермутити;
органични йонообменници (нишесте, целулоза, торф, дърво);
най-широко използвани са синтетичните йонообменни смоли и сулфонираните въглероди.
1. Класификация на йонообменниците
Йонообменнициса неразтворими във вода органични или неорганични вещества, съдържащи активни групи с подвижни йони и способни да обменят тези йони за разтворени йони, когатоконтакт с тях.
Активните групи в йонообменницитеса функционални групи с киселинен или основен характер, които са прикрепени към високомолекулна рамка или матрица, като йонообменниците със същия тип функционални групи се наричатмонофункционални, а с обменни групи от различно естество -полифункционални.
В зависимост от метода на производствосинтетичните йонообменни смоли се разделят на:
полимеризация(получен чрез полимеризация);
поликондензация(получена чрез поликондензация).
Със значителни разлики в химичния състав и структурата, всички йонообменници се характеризират с един и същконструктивен принцип: те имат рамка, която носи излишен заряд и подвижни противойони. В йонообменните смоли рамката, наричана ощематрица, се състои от високополимерна пространствена мрежа от въглеводородни вериги, на някои места от които са фиксирани функционално активни хидрофилни групи (хидрофобната мрежа е хидрофобна). Между въглеводородните вериги има напречни връзки ("мостове", "омрежване"), които предотвратяват разделянето на веригите, но позволяват тяхното деформиране. Размерът на клетките между въглеводородните вериги зависи от броя на напречните връзки. Колкото повече напречни връзки, толкова по-малък е размерът на клетката и обратно. Благодарение на еластичността на мрежата зърната на йонообменните смоли могат да набъбнат.
Така всяко зърно смола е една гигантска молекула с много йоногенни групи. С известно разнообразие от химически състав, всички синтетични йонообменни смоли са полиелектролитни гелове, чиято способност за набъбване е ограничена от наличието на напречни връзки в техните макромолекули.
Понастоящем смоли, които имат пори, не са част от химикаластруктурите на самия гел се наричат макропорести; смоли, които нямат такива пори, се наричат гел. Сред гелните смоли се отличават йонообменници, които се отличават с много правилна матрична структура; те се наричат изопорести. Поради редовността на структурата, възможността за дефекти в матрицата по време на употребата на смолата е много по-малка, отколкото при неправилна структура. Поради тази причина изопорестите йонообменници са по-издръжливи и устойчиви в сравнение с други смоли с гелообразна структура. В макропорести смоли от различни степени, размерите на истинските пори варират в широк диапазон (среден радиус от 80 до 2·10 5
Според заряда на йонообменните групи: катионобменници и анионобменници.
Обменни групи на катионобменници: -SO3H, -COOH, -PO(OH)2. При заместване на водородни йони с метални катиони се получават солеви форми на катионобменници.Обменни групи на анионобменници: аминогрупи и остатъци от амониеви основи. Съществуват и амфотерни йонообменници, съдържащи както катионни, така и анионобменни групи.
В зависимост от стойността на йонизационната константа KIкатионните обменници се разделят насилно киселинни(KI>10 -2 ),слабо киселинни(KI -2 ) и катионни обменници със смесени функции. Анионообменниците се разделят насилно основни(KI>10 -2),слабо основни(KI -2) и анионобменници със смесени функции.
Силно киселинните катионобменници включват полистирени със сулфо група (-SO3H). Такива катионообменници са най-устойчиви на химични и механични влияния. Слабо киселинните катионобменници включват структурирани поликристали с карбоксилна група.
Силно базични анионобменници са полистирени с активни триалкиламониеви групи, а слабо базични полистирени с активна аминогрупа.
По номерпримеситърговските смоли се разделят наобикновенииизключително чисти. Последните често се наричат смоли от ядрен клас, като се набляга на употребата им в ядрената технология. При маркировката на изключително чисти смоли, в допълнение към обичайните, се въвеждат обяснителни обозначения (за битови смоли обичайната маркировка се допълва с буквата „h“). Колкото повече примеси има в синтезирания йонообменник, толкова по-дълго се измиват.