Подбор замены ионообменных смол различных производителей. Классификация ионообменных смол

> 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).

Смола для фильтров может быть разной,
все зависит от ее показателей

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».

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:

• очистка;
• деминерализация;
• удаления кремния;
• выборочная фильтрация.

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:

• макропористые иониты прочнее гелиевых структур;
• гелиевые аниониты хуже работают гелиевых катионитов;
• полистирольные аониты слабее акриловых.

Принцип работы ионообменной смолы

Схема фильтра (классический вариант прямоточной технологии)

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?

Традиционные ионообменные смолы: карбоксильная смола, сульфокатионит

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.

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).

Canature Na FG

Purex C150 Lewatit C 249 NS

Смола для умягчения воды. Общие понятия

Одной из главных задач водоподготовки является умягчение воды в коттедже и в промышленности. Умягчать воду можно различными методами, но наиболее широко в промышленной водоподготовке и водоподготовке для коттеджей используется метод, основанный на применении синтетических ионообменных смол для умягчения воды на производстве и в коттеджах. Снижение жесткости методом ионного обмена может быть 3х видов:

• Na - катионирование,
• H-Na - катионирование,
• H - катионирование.

Методы H-Na - катионирования и H - катионирования применяются тогда, когда помимо жесткости требуется снизить или удалить щелочность воды и уменьшить общее солесодержание. Сложность процесса заключается в использовании кислот для регенерации и использовании установок для отдувки образующегося углекислого газа. Практическое применение в промышленности нашло сочетание H-Na - катионирования. В этом случае можно регулировать требуемую щелочность и кислотность воды, что требуется в ряде производственных циклов. В случае если требуется только снизить жесткость, применяется метод Na - катионирования на синтетических ионообменных смолах. Ионообменное свойство синтезированных ионитов объясняется наличием активных групп, прикрепленных к каркасу молекулярных соединений. В каркасе так же находятся подвижные противоположно заряженные ионы, которые и участвуют в обмене, в данном случае Na. По силе ионизации активные группы делятся на сильно кислотные, среднекислотные и слабокислотные. Синтетические ионообменные смолы для умягчения воды являются сильнокислотными катионитами. Резюмируя вышесказанное, катионообменную смолу для умягчения можно охарактеризовать следующим образом: это полимер, содержащий карбоксильные, фосфиновые и сульфоксильные ионные группы, постоянно закрепленные в каркас, и одинаковое количество противоположно заряженных ионов.

Существует 2 метода производства ионообменных смол для умягчения питьевой воды и для других задач водоочистки, например, очистка воды из скважины от железа. Первый метод заключается в том, что активные вводят в структуру каркаса в момент процесса его создания (процесс полимеризации или конденсации). Второй метод: сначала синтезируют полимер, после чего в него вводят активные группы. Первый метод имеет ряд преимуществ: ионообменные получаются высокопрочные и монодисперсные. Само создание высокомолекулярных полимеров происходит по известным химическим процессам полимеризации и конденсации. Реакция конденсации - это реакция, в которой при синтезе полимера образуется вода, например, взаимодействие формальдегида и фенола. При химических реакциях полимеризации побочные продукты не образуются, например, стирол полимеризуется в полистирол. Нерастворимый сополимер синтезируется при связывании молекул полистирола с помощью дивинилбензола.

Отправить заявку на поставку смолы для умягчения воды:

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".

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.

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).

Классификация

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:

• 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

АНИОНИТЫ подразделяются на:

• сильноосновные , способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях рН;
• слабоосновные , способные к обмену анионов из растворов кислот при рН 1-6;
• промежуточной и смешанной активности .

КАТИОНИТЫ подразделяются на:

• сильнокислотные , обменивающие катионы в растворах при любых значениях рН;
• слабокислотные , способные к обмену катионов в щелочных средах при рН > 7.

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

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.

Применение

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:

• 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.