Иониты (катиониты и аниониты), их природа, строение, свойства.

По характеру своего действия ионообменные вещества подраз­деляются на катиониты и аниониты. В-ва, обменивающие ка­тионы, наз катионитами, а обменивающие анионы — анионитами.

Катиониты диссоциируют на неб, подвижные и способные к ионному обмену катионы (например, Н⁺) и высокомолекулярный анион (R^m-1), а аниониты дают мелкие, легко перемещающиеся анионы (например, ОН^-) и высокомолекулярный катион (Rⁿ⁺).Катиониты со смешанными функциональными группами встречаются в следующем сочетании: 1) сульфокислые и оксифенольные; 2) сульфокислые и карбоксильные; 3) остатки фосфорной кислоты и оксифенольные; 4) мышьяковокислые и оксифенольные; 5) карбоксильные и оксифенольные.Сильнокислотные катиониты вступают в реакцию ионного обме­на с растворенными в воде солями в нейтральной и кислой средах (сульфо- и фосфорнокислые катиониты). Слабокислотные катиони­ты, содержащие карбоксильные или оксифенольные группы, обме­нивают свой протон в нейтральных р-рах лишь на катиониты солей слабых кислот, причем полнота обмена возрастает с повыше­нием рН среды.

След-но, большинство катионитов представляют собой полимерные полифункциональные кислоты, в состав которых вхо­дят группы -СООН, - S0₃H, -ОН, -SH, SiOOH и др.В практике очистки воды часто используют Н- и Na-катиониты. В зависимости от катиона и наз этот процесс Н-катионирование и Na -катионирование. При Н-катионировании повыш кислотность воды, а при Na-катионировании происходит увеличщелочности фильтрата, если в исходной воде содержится карбонат­ная жесткость.Аниониты явл высокомолекулярными соединениями, содержащими огромное количество основных групп, таких, как —NH₂, —NH₃OH, —NHR, —NR₂ и т. д. В состав одного и того же ионита могут входить ионогенные группы с различной степенью кислотности и щелочности. Смоляные аниониты с одинаковыми ионогенными группами сле­дующие: 1) четвертичные аммониевые основания; 2) третичные амины; 3) вторичные амины; 4) первичные амины; 5) четвертичные сульфониевые основания.

Смоляные аниониты с разнотипными ионогенными группами со­держат аминогруппы с различной степенью замещения.Сильные аниониты вступают в реакцию с р-рами солей в нейтральной и даже слабощелочной среде. Слабоосновные аниониты вступают в реакцию обмена лишь в кислых средах, причем пол­нота обмена гидроксильной группы анионита на анион растворенно­го электролита возрастает с повышением кислотности среды.При катионировании происходят следующие процессы:

Термический метод умягчения воды.

 При нагревании воды до кипения происходит превращение гидрокарбонатов кальция и маг­ния в карбонаты по следующим схемам:

Са (НСО₃)₂↔СаСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

Мg (НСО₃)₂↔МgСО₃ + СО₂ + Н₂О

Эти обратимые процессы можно почти целиком сместить вправо за счет кипячения воды, так как при высоких температурах раство­римость двуокиси углерода понижается. Однако полностью устра­нить карбонатную жесткость нельзя, так как углекислый кальций хотя и незначительно (около 9,95 мг/л при 15°С), но растворим в во­де. Растворимость МgС0₃ достаточно высока (110 мг/л), поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образовмало­растворимой (8 мг/л) гидроокиси магния:

МgСО₃ + Н₂O ↔Mg(OH)₂↓+ СО₂

Кипячением частично устраняется сульфатная жесткость, так как растворимость сульфата кальция падает с увеличением темп. Этот метод может применяться для умягчения воды, содер­жащей преимущественно карбонатную жесткость и идущей для пи­тания котлов низкого и среднего давления.

ИМПФИРОВАНИЕ (ПОДКИСЛЕНИЕ)Процесс перевода карбонатной жесткости в некарбонатную пу­тем добавления к воде минеральной кислоты называется импфированием Многие производства требуют отсутствия в воде карбонатной жесткости и допускают при этом наличие некарбонатной. Напри­мер, из жесткой воды, идущей для охлаждения, при большом темпе­ратурном перепаде на стенках аппаратуры может отлагаться карбо­нат кальция. Импфирование осуществляется добавкой к воде соляной или серной кислоты в количествах, эквивалентных карбонатной жест­кости. При этом протекают реакции

Са(НСО₃)₂ + 2НСl↔СаСl₂ + 2Н₂О + 2СО₂

Mg(НСО₃)₂ + Н2SО₄↔МgSО₄ + 2Н₂0 + 2СО₂

Метод подкисления удобен тем, что он не требует громоздкого реагентного хозяйства, химическая реакция протекает быстро и от­сутствуют осадки. К недостаткам этого процесса относятся высокая стоимость и необходимость тщательного контроля за добавкой кис­лоты. Контроль удобно осуществлять автоматически измерением электропроводности воды, увеличение которой говорит о наличии свободной кислоты.

ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ

Процесс удал из воды солей называется обессоливанием, или опреснением. При обессоливании удалсоли почти полностью, а при опреснении до остаточной концентрации их 1000 мг/л.

Для удалсолей из воды существует несколько методов: 1) дистилляция и вымораживание воды; 2) электрохимич ме­тод; 3) метод ионного обмена.

 Дистилляция и вымораживание. При дистилляции воду на­гревают до кипения, пары проходят через холодильник, конденси­руются и дистиллят собирается в приемник. Этим способом можно освободиться от растворенных нелетучих веществ.

При вымораживании растворенных солей пользуются тем, что при замерзании концентрированных растворов первые порции льда состоят из чистого растворителя с малыми включениями раст­воримых солей, которые при повышении темп плавятся пер­выми.

Электрохимический метод.

 Этот метод обессоливания воды ос­нован на использовании электродиализа и электроосмоса.Принцип опреснения воды электрохимическим способом основан на электролизе находящихся в ней солей при пропускании электри­ческого тока. При этом на аноде протекает процесс окисления анио­нов, а на катоде — восстановления катионов. Катодное и анодное пространства изолируются от основного потока диафрагмами.Анодной диафрагмой служит керами­ка или микропористая резина, катодной — асбестовая ткань. В анодную камеру по­гружают электрод из магнетита Fe₃O₄, в ка­тодную — из железа, цинка или стали.В централ камеру подается вода, подлежащая очистке. При вкл тока ионы прониксквозь диафрагмы в катод­ное и анодное пространства. Обратная диф­фузия их затруднена диафрагмами. Аппа­рат для опреснения воды состоит из десяти последовательно соединенных ячеек. Вода последов проходит через них, под­вергаясь все большему и большему опрес­нению. Напряжение между электродами первой ячейки поддерживается низкое. В последующих ячейках оно постепенно увеличивается, достигая напряжения постоянного тока в сети (110—120 В). В зависимости от загрязнения воды затрата электро­энергии составляет от 1,5 до 4,5 кВт-ч на 100 л очищенной воды.

Трехкамерная ячейка не пригодна для очистки жестких вод, так как диафрагмы забиваются карбонатом кальция, что приводит к закупорке пор, которые приходится часто очищать кислотой. Наи­более сильное загрязнение диафрагм наблюдается в первой ячейке. Для устранения этого затруднения предложено раздельное выделе­ние двухвалентных и одновалентных ионов. В первых ячейках уда­ляются из воды лишь анионы, а двухвалентные катионы выпадают в виде труднорастворимых солей в связи с происходящим уменьше­нием концентрации водородных ионов. В этом случае ячейки состо­ят из двух камер, разделенных лишь одной диафрагмой. Подача во­ды производится в катодное пространство, где выпадают в осадок многовалентные катионы. Затем освобождаются от щелочных ме­таллов в трехкамерных ячейках. Установленные в них диафрагмы загрязняются значительно меньше.При погружении диафрагм в воду происходит диссоциация ионитов с переходом обменных ионов в раствор:RNa↔Nа⁺ + R^–; RОН↔ОН^– + R⁺

Анионитовая диафрагма заряжается положительно, а катионитовая отрицательно.Внедрение ионитовых диафрагм позволило устранить дуффузионные процессы и увеличить выход обессоленной воды при работе электрохимических установок. Этим методом можно обессоливать высокоминерализованные воды (даже морскую, содержащую до 30 г/л солей).

Ионообменный метод. Этот метод обессоливания сводится к фильтрованию воды через Н^– и ОН^– ионитовые фильтры. При этом протекают следующие процессы:

НR + NaCl ↔NaR + НС1; RОН + НС1↔Н20 + RС1или

2НR + Са(НСО₃)₂ ↔ СаR₂+ 2Н₂С0₃

      Н₂СО₃↔Н₂О + СО₂

Углекислоту удал дегазацией, продувая через воду воздух, или разбрызгиванием в градирнях.Регенерация Н-катионитовой загрузки производится 1—1,5%-ным раствором Н₂S0₄ или 3—7%-ным раствором НСl; регенерация анионитовых фильтров ROH осуществляется 4-5 %-ным раствором NaOH или NaHCO₃. Этим методом можно довести обессоливание до 10-15 мг\л остаточных солей.