Самостоятельное занятие по дисциплине «Химическая технология теплоносителя»

Тема: Ионообменные материалы и их свойства

Цель:Рассмотреть классификацию ионообменных материалов, дать характеристику применяемым ионитам, рассмотреть их свойства.

ПЛАН:

1. Классификация ионитов.

2. Промышленные катиониты и аниониты.

3. Технологические показатели ионитов

Литература:

1. М.И. Хоршева. Водоподготовка, спецхимочистка и химический контроль на АЭС. Севастополь, СИЯЭиП, 2000 г.

2. А.А. Громогласов и др. Водоподготовка: процессы и аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

3. Водоподготовка: процессы и аппараты. Под ред. О.И. Мартыновой. М.: Атомиздат, 1977 г.

4. В.Н. Гончарук и др. Водно-химическая технология ЯЭУ и экология. Киев. Наукова думка, 1993 г.

5. В.А. Кишневский. Технологии подготовки воды в энергетике. Одесса: Феникс, 2008 г.

Явление обмена ионов при контакте некоторых твердых веществ с растворами было открыто еще в 1850г. при изучении почв, а затем природных алюмосиликатов (цеолитов), гидроксидов тяжелых металлов и др. Позже были синтезированы искусственные алюмосиликаты (пермутиты), и сульфоугли на основе природных углей. В 1936году были разработаны способы синтеза первых искусственных ионообменных высокомолекулярных (полимер­ных) материалов.

Итак, для осуществления ионного обмена могут быть использованы:

• неорганические иониты – гидроксиды алюминия, железа, бария, цеолиты, пермутиты;

• органические иониты (крахмал, целлюлоза, торф, древесина);

• наиболее широко – синтетические ионообменные смо­лы и сульфированные угли.

1. Классификация ионитов

Иониты – это нерастворимые в воде органические или неоргани­ческие вещества, содержащие активные группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на ионы растворов при контакте с ними.

Активные группы в ионитах – это функциональные группы кис­лотного или основного характера, которые присоединены к высокомо­лекулярному каркасу или матрице, причем иониты с однотипными фун­кциональными группами называютмонофункциональными, а с обменны­ми группами различной природы –полифункциональными.

В зависимости от способа получениясинтетические ионообменные смолы подразделяют на:

• полимеризационные(получают методом полиме­ризации);

• поликонденсационные(получают методом поликонденсации).

При существенных различиях в химическом составе и структуре для всех ионитов характерен один и тот же принцип построения: они имеют каркас, несущий избыточный заряд, и подвижные противоионы. У ионообменных смол каркас, называемый такжематрицей, состоит из высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей, в отдельных местах которой закреплены функционально-активные гидрофильные группы (углеводородная сетка гидрофобна). Между углеводородными цепями есть поперечные связи («мостики», «сшивка»), препятствующие разъединению цепей, но допускающие их деформацию. От числа поперечных связей зависят размеры ячеек между углеводородными цепями. Чем больше поперечных связей, тем меньше размер ячеек, и наоборот. Именно благодаря эластичности сетки зерна ионообменных смол могут набухать.

Относительной характеристикой сетчатости смол служит процентное содержание агента, выполняющего в процессе синтеза роль мостикообразователя. Для этой цели широко используется дивинилбензол (ДВБ).

Т.о., каждое зерно смолы представляет собой одну гигантскую молекулу, обладающую множеством ионогенных групп. При известном разнообразии химического состава все синтетиче­ские ионообменные смолы – это гели полиэлектролитов, набухаемость которых ограничена наличием в их макромоле­кулах поперечных связей.

В настоящее время смолы, в которых есть поры, не являю­щиеся частью химической структуры самого геля, называют макропористыми; смолы, не имеющие таких пор, называют гелевыми. Среди гелевых смол выделяют иониты, отличаю­щиеся весьма регулярным строением матрицы; их называют изопористыми. Из-за регулярности строения возможность возникновения каких-либо дефектов в матрице в процессе использования смолы значительно меньше, чем при нерегу­лярной структуре. По этой причине изопористые иониты ока­зываются более долговечными и стойкими по сравнению с другими смолами гелевой структуры. У макропористых смол разных марок размеры истинных пор изменяются в ши­роких пределах (средний радиус от 80 до 2 · 10⁵ ).

По заряду ионообменных групп: катиониты и аниониты.

Обменные группы катионитов: –SO₃H, –СООН, –РО(ОН)₂. При замещении ионов водорода катионами металлов получаются солевые формы катионитов.Обменные группы анионитов: аминогруппы и остатки аммониевых оснований. Существуют также амфотерные иони­ты, содержащие как катионо-, так и анионообменные группы.

В зависимости от значения константы ионизации К_Икатиониты делят насильнокислотные (К_И > 10^-2), слабокислотные(К_И < 10^-2) и катиониты со смешанными функциями. Аниониты делят насильноос­новные(К_И >10^-2),слабоосновные(К_И < 10^-2) и аниониты со смешан­ными функциями.

К сильнокислотным катионитам относятся полистиролы с сульфогруппой (-SO₃H). Такие катиониты наиболее стойки к химическим и механическим воздействиям. К слабокислотным катионитам относятся структурированные по­ликристаллы с карбоксильной группой.

Сильноосновными анионитами являются полистиролы с актив­ными триалкиламмонийными группами, а слабоосновными -полистиролы с активной аминогруппой.

По ко­личеству содержащихся примесей товарные смолы подразде­ляют на обычные и особо чистые. Последние часто называют смолами ядерного класса, подчеркивая их применение в атомной технике. В маркировке особо чистых смол помимо обычных вводятся поясняющие обозначения (у отечественных смол обычная маркировка дополняется бук­вой «ч»). Чем больше примесей в синтезированном ионите, тем дольше они вымываются.