Определение емкости ионообменной смолы

В общих словах, под емкостью ионообменной смолы понимается количество ионов, которое может быть поглощено определенным объемом смолы. Причем единицы измерения емкости смолы могут быть разными. Например, мг-экв/мл (meq/ml), г-экв/л (eq/l) или килогран на кубический фут (Kgr/ft3).

Зная эквивалентную массу вещества, можно рассчитать емкость смолы. Эквивалентная масса вещества определяется как отношение молярной массы вещества к его валентности (строго говоря, к числу эквивалентности вещества).

Например, молярный вес кальция равен 40 г/моль, а валентность 2, тогда эквивалентная масса равна 20 г/моль (40/2 = 20). Ионообменная смола с обменной емкостью 1,95 г-экв/л способна извлечь из раствора 1,95 × 20 = 39 грамм на 1 литр смолы.

На практике процесс происходит в лабораториях титрованием. Через колонку, в которую помещена навеска катионита в водородной форме (H-форма), пропускают раствор гидроксида натрия (NaOH). Часть ионов Na+ обменивается на ионы водорода. Гидроксид натрия, не вступивший в реакцию с ионогенной группой смолы, оттитровывают кислотой. Вычитая из начальной концентрации гидроксида натрия концентрацию остаточную, можно определить емкость катионита. Другой способ определения обменной емкости ионита состоит в пропускании через слой смолы раствора хлористого кальция. Аналогичным образом определяется емкость анионообменной смолы (в OH-форме), через которую пропускают раствор кислоты.

Емкость смолы может быть измерена в мг-экв/мл (объемная) или мг-экв/г (весовая). Если определена емкость, выраженная в мг-экв/г (причем имеется в виду масса сухого ионита), то, зная влажность смолы, легко перейти к мг-экв/мл.

На рисунке обменная емкость смолы графически изображена областью желтого цвета, расположенную между вертикальными прямыми АN и СL. Область серого цвета, расположенная ниже кривой, - это концентрация ионов в очищенной воде. В начале цикла концентрация ионов в фильтрате очень мала, и остается постоянной на протяжении всего фильтроцикла, в момент, когда фронт фильтрования достигнет конца слоя ионита, наступает проскок ионов в фильтрат (на рисунке – точка Р). Это является сигналом к регенерации смолы. Обычно, регенерацию фильтра проводят до проскока. Например, в промышленности концентрация ионов жесткости, при которой фильтр выводят в регенерацию, может достигать величины менее 0,05 0Ж, а в бытовых системах умягчения – менее 0,5 0Ж. Длина отрезка x – y соответствует объему очищенной воды в литрах или галлонах. Площадь фигуры ANLB – полное поглощение ионов смолой, а площадь фигуры ANMB – количество поглощенных ионов до момента наступления проскока.

Говоря о емкости, мы чаще подразумеваем именно рабочую, а не полную обменную емкость. Рабочая емкость не является величиной постоянной, она зависит от множества факторов: марки ионита, концентрации и типа поглощаемых ионов, pH раствора, от требований, предъявляемых к очищенной воде, скорости потока, высоты слоя ионита и других требований.

Достижение высокой степени извлечения ионов из водного раствора требует увеличения дозы регенерирующего раствора (красная линия). Однако, увеличивать концентрацию регенерирующего раствора бесконечно невозможно (зеленая линия – теоретическая зависимость между степенью восстановления емкости смолы и расходом регенерирующего раствора). На практике, чтобы достигнуть высокую емкость, необходимо увеличивать количество смолы. При первом фильтроцикле степень восстановления ионообменных свойств может достигать 100 %, но с течением времени эта величина будет уменьшаться. Например, большинство производителей систем умягчения воды рекомендуют использовать раствор NaCl концентрацией 100 – 125 г/л для восстановления емкости катионита до 50 – 55 % от полной обменной емкости.

При определении емкости необходимо знать ионную форму смолы (солевая, кислотная, основная). При регенерации или в процессе работы объем засыпанной смолы меняется, происходит процесс, называемый «дыханием» смолы. В таблице показано, как ведут себя смолы в различных процессах.

Различают катиониты и аниониты. Реакции, в которых участвуют иониты приведены в таблице.

Причем, в англоязычной литературе символ SAC обозначает сильнокислотный катионит, SBA – сильноосновный анионит, WAC – слабокислотный катионит, а WBA – слабоосновный анионит. С

пособность к ионному обмену определяется наличием функциональной группы, сильнокислотные катиониты содержат сульфогруппу –SO3H, а слабокислотные катиониты карбоксильную группу –COOH.

Сильнокислотные катиониты обмениваются катионами при любых значениях pH раствора, то есть ведут себя, как сильные кислоты в растворе. А слабокислотные катиониты подобны слабым кислотам и вступают в реакцию ионного обмена только при значениях pH выше 7.

Аниониты содержат функциональные группы пяти типов: (-NH2, NH=, N≡, –N(CH3)3OH, –N(CH3)2С2H4OH). Первые три группы придает аниониту слабоосновные свойства, а группы –N(CH3)3OH, –N(CH3)2С2H4OH – сильноосновные. Слабоосновные аниониты вступают в реакции с анионами сильных кислот (SO , Cl-, NO ), а сильноосновные с анионами сильных и слабых (HCO ,HSiO ) в диапазоне pH от 1 до 14.

Говоря о емкости сильноосновного анионита, следует обратить внимание на то, что в смоле присутствуют функциональные группы, присущие и слабоосновным анионитам. При старении сильноосновного анионита или под действием высоких температур происходит снижение основности и частичное разрушение функциональных групп.

Реакции, протекающие с участием ионообменных смол

Реакция 1 –умягчение воды на сильнокислотном катионите в солевой (Na) форме.2 – удаление нитрат-ионов на сильноосновном анионите в Cl-форме. Применение в качестве регенерирующего раствора хлорида натрия и хлорида калия способствует широкому применению этого типа смол в быту, промышленности и очистке сточных вод. Катиониты также могут восстанавливаться растворами кислот (например, соляная кислота), а аниониты – раствором едкого натра (NaOH). Иониты в H и OH-форме используют в схемах подготовки обессоленной воды (реакции 3 и 4). Слабокислотный катионит проявляет ионообменные свойства при высоких значениях pH (реакция 5), а слабоосновный анионит – при низких значениях pH (реакция 6). Реакция 5 – одновременное умягчение и снижение щелочности воды. Следует заметить, что WBA смола в результате регенерации щелочным раствором переходит не в OH-форму, а так называемую FB-форму (свободное основание). Слабокислотные катиониты по сравнению с сильнокислотными обладают более высокой обменной емкостью, для них свойственно большое сродство к ионам водорода, поэтому регенерация протекает легче и быстрее. Важно, что для регенерации WAC, так же как и WBA, не используют растворы хлористого натрия или калия. Выбор той или иной марки ионообменной смолы зависит от многих условий. Например, различают два типа сильноосновных анионитов: тип I (функциональная группа –N(CH3)3OH) и тип II (–N(CH3)2С2H4OH). Аниониты типа I лучше поглощают ионы HSiO в отличие от анионитов типа II, но при этом последние характеризуются более высокой обменной емкостью и лучше регенерируются.

В заключении заметим, что в литературе, а также в паспорте на продукцию указывается полная весовая и обменная емкость смолы, которые определяются в лаборатории. Рабочая емкость смолы ниже заявленной производителем и зависит от многих факторов, которые не могут быть учтены в лабораторных условиях (геометрические характеристики слоя смолы, конкретные условия процесса: скорости потоков, концентрации растворенных веществ, степень регенерации и т.д.).