Ионообменных процессов

Перспективный вид ионитов — ионообменные волокна. Они имеют высокоразвитую поверхность, характеризуются высокой скоростью обмена и более свободным доступом обмениваемых ионов к ионным группам. Кроме того, их большая обменная емкость не снижается при многократной регенерации. Из волокнистых ионообменных материалов можно изготовить изделия любой нужной формы: пластины, полотна, нити. Наибольший интерес с точки зрения применения в промышленности представляют синтетические ионообменные волокна, обладающие высокими обменной емкостью и термостойкостью.

6. Синтез ионообменных материалов и применение их в процессах водоподго-товки в энергетике: Тез. докл. Всес. совещ. Черкассы: Отделение НИИТЭХИМ, 1981. С. 117.

Недостатки органических ионообменных материалов, а именно радиационное и термическое разрушение и окисление, побуждают изыскивать материалы, лишенные этих недостатков. Исследовались неорганические ионообменные материалы гидроокиси и соли для возможных применений в системах ядерных реакторов. Амфлет [27] описал химию и основные применения неорганических ионообменных материалов. Михаэль и др. [28] исследовали приготовление и применение для очистки высокотемпературной воды гидроокиси циркония и фосфата циркония.

Изучение ионообменных материалов методом ИК-спектроско-пии позволяет получить интересную информацию о характере сорбированных РОВ и успешно использовать этот метод для целей идентификации. При этом необходимо учитывать специфику определения состава сорбированных ионитами РОВ.

Несмотря на тяжелые условия работа ХВО, обусловленные несоответствием схемы составу и уровню загрязнений речной воды, качество очищенной воды по жесткости, щелочности, содержанию взвешенных веществ выдерживалось на требуемом уровне. Это обеспечивалось за счет героических усилий персонала, частых регенераций, промывок оборудования, перегрузки фильтрующих и ионообменных материалов.

188. Полетаев Л. Н., Соболь А. С., Малахов И. А. Определение некоторых характеристик системы ионит-—раствор для расчета процесса деаммонизации на отечественных катионитах КУ-2 и сульфоугле// Синтез ионообменных материалов и применение их в процессах водоподготовки в энергетике. Черкассы:

лообменником, °С; W — количество исходной воды, нагреваемой в теплообменнике, кг/ч. По условиям химической прочности ионообменных материалов температура /2 воды, подаваемой на химводоочистку, не должна превышать 30 — 40 °С.

прорывы пара из сепаратора в дренаж или переполнение сепаратора котловой водой из-за неудовлетворительной работы поплавковых регуляторов уровня; необходимость постоянного 'Наблюдения за уровнем воды в сепараторе; необходимость строгого контроля за подогревом сырой воды с ограничением ее температуры 30—40°С по условиям химической прочности ионообменных материалов. При переменной нагрузке котельной и значительных размерах продувки это требование трудно выдержать, из-за чего часть продувочной воды пропускают мимо теплообменника в канализацию по байпасной линии.

СХемы является более полное использование тепла Непрерывной продувки в связи с возможностью подогрева умягченной воды, подаваемой в деаэратор, до 90—95°С. Кроме того, отпадает необходимость строгого контроля за температурой подогрева воды, устраняется опасность разрушения ионообменных материалов. При этом подогрев сырой воды перед водоочисткой до 15—20 °С целесообразно осуществить в отдельном пароводяном подогревателе с автоматическим поддержанием указанной температуры при помощи регулятора прямого действия на линии подвода пара. Для решения вопроса о применении указанной схемы использования тепла непрерывной продувки необходим расчет тепловой схемы котельной с увязкой теплового и материального балансов при разных режимах работы.

Большинство применяемых в настоящее время ионообменных материалов относится к разряду синтетических смол. Молекулы их состоят из тысяч, а иногда и десятков тысяч связанных между собой атомов. Ионообменные материалы являются своеобразными твердыми электролитами. В зависимости от характера активных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы могут иметь положительный или отрицательный заряд. Когда положительным, подвижным катионом является ион водорода Н +, то такой катионит является по существу многовалентной кислотой,

Обрабатываемая вода может вызывать некоторое paci-ворение вещества ионита или переход его в коллоидное состояние (пептизация), что особенно заметно при нахождении ионитного фильтра в резерве. Как правило, иониты более устойчивы в кислотах, чем в щелочах, особенно повышенной концентрации. Необходимо учитывать особое значение химической прочности ионообменных материалов, поскольку это может привести к ухудшению качества обработанной воды. Особенно это опасно в «хвостовой» части водоподго-говительной установки, после которой вода направляется в котлы. Помимо того, при недостаточной химической прочности какого-либо ионита в процессе последовательного фильтрования обрабатываемой воды через фильтры с различными ионитами может происходить загрязнение других ионитов продуктами распада предыдущего по ходу воды материала.

при просачивании 'дождевой воды. Приобретенная во время вышеописанных обманных реакций кислотность, очевидно, может по крайней мере быть сравнимой с кислотностью дождевой воды. .Кроме того, кислотность, приобретенная в результате ионообменных процессов со слоем гумуса, зависит от концентрации растворенных катионов в дождевой воде; относительная активность указанных процессов зависит от рН дождевой воды.

7.5.1. Механизм ионного обмена. Некоторая информация о механизме ионообменных процессов может быть получена на основании представлений Доннана *, относящихся к распределению электролитов по обе стороны мембраны, непроницаемой для одного из ионов. В случае ионообменной смолы поверхность раздела смола — вода можно рассматривать как мембрану, а функциональные группы как неподвижные ионы. Для катионо-обменной смолы в натриевой форме, помещенной в раствор поваренной соли, имеем следующие соотношения:

Аналитическое решение системы уравнений (7.3) для многокомпонентной системы в общем виде невозможно, поэтому возникла необходимость в определенных упрощениях и приближенных методах решения. В результате совершенствования ЭВМ и численных методов решения наметился качественно новый подход к исследованию ионообменных процессов. Широкое применение ЭВМ на всех стадиях исследований характеризует современный этап развития теории динамики ионного обмена. Наиболее полно достижения этого периода отражены в работах сотрудников лаборатории сорбционных методов ГЕОХИ АН СССР [183—186]. Следует отметить, что имеющиеся математические методы и средства позволяют учесть все существенные особенности физической модели процесса динамики ионного обмена. В общем случае за-162

Экспериментальную часть исследования проводили на лабораторном фильтре сечением 0,459 см2 с высотой слоя катионита КУ-2 16,4 см. Масса загрузки составляла 4 г. Полная обменная емкость ионита составляла 3,82 мг-экв/г, эквивалентный диаметр зерна в набухшем состоянии 0,068 см. Принятые условия опыта характерны для исследования ионообменных процессов с применением математической модели [182, 185].

184. Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов. М. М. Сенявин, Р. Н. Рубинштейн, Е. В. Венецианов и др. М.: Наука, 1972.

60. Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов/ М. М. Сеня-вин, Р. Н. Рубинштейн, Е. В. Венецианов и др. М.: Наука, 1972.

Задачи создания высококачественных материалов и высокопроизводительных ионообменных процессов могут быть решены лишь при детальном учете как равновесных, так и кинетических свойств таких материалов.

Подробный анализ этих выражений и их применимости сделан Гельферихом. Особенно следует обратить внимание на неправомерность механического переноса «порядка» химических реакций на кинетику ионообменных процессов. Кинетике реакций обмена, обусловленной диффузионными явлениями, нельзя приписать никакой «порядок». В связи с этим необходимо подходить с осторожностью к определению формальных «констант» скорости прямой и обратных реакций: как правило, эти величины не равны друг другу и не постоянны.

Класс VI. Ранг 16. Размеры колонн или соотношение h: а. Размеры ионообменных колонн, применяемых при использовании ионообменных процессов в различных отраслях народного хозяйства, очень разнообразны. На практике встречаются соотношения h:d (h — высота колонны, а — диаметр) от 1: 1 в технологических процессах до 20: 1 в хроматографическом анализе. При увеличении соотношения h : d, с одной стороны, должно увеличиться время контакта ионита с раствором, а значит, возрасти степень использования ионита. С' другой стороны, в производственных условиях применение колонн с большим соотношением h : d зачастую невозможно из-за отсутствия соответствующих габаритов помещений, а также сложностей в аппаратурном оформлении или неудобств при эксплуатации (слеживание ионита, трудность взрыхления и т. д.). При постоянной удельной нагрузке раствора (УН) или, что то же, при постоянной производительности установки [Q=f(yH)j увеличение соотношения h : d приводит к увеличению линейной скорости протекающего

Так, сначала для разделения РЗЭ на катионитах использовали 5%-ный раствор лимонной кислоты, нейтрализованной аммиаком до рН = 3. Позднее было установлено, что разделение этих ионов также успешно может быть осуществлено 0,1%- и 0,5%-ными растворами лимонной кислоты, нейтрализованными аммиаком до pH = 5-f-8. Использование растворов с рН~8 по-.зволило получить высокие концентрации РЗЭ в элюате и увеличить производительность ионообменных процессов [70, 71]. Как указывалось выше, наибольшее применение для разделения РЗЭ нашли растворы ЭДТА или трилона Б. Преимуществом растворов трилона Б по сравнению с растворами-оксикислот (лимонной и т. д.) является небольшая зависимость десорбирующего действия от значения рН и возможность практически полной регенерации ЭДТА и ее многократного использования [70, с. 458]. Являясь многоосновной карбоновой кислотой, ЭДТА образует устойчивые отрицательно заряженные комплексные соединения с РЗЭ даже в относительно кислых средах. Константы устойчивости РЗЭ с ЭДТА изменяются от La к Yb в пределах рК = = 15,304-18,70. При взаимодействии РЗЭ с трилоном Б происходит подкисление растворов. Оно приводит к разрушению менее прочных комплексонатов — La, Nd и др., в то время как более прочные комплексы Sm, Gd и т. д. продолжают существовать. Освободившиеся ионы (La, Nd и т. д.) сорбируются катионитом, вытесняя ионы водорода (аммония), которые в свою очередь снова разрушают наименее устойчивые комплексы. Эти процессы многократно повторяются и приводят к отделению одних ионов РЗЭ от других. Однако таким путем редко удается получить индивидуальные РЗЭ высокой чистоты. Дело в том, что при понижении величины рН ниже критической комплексонаты РЗЭ разрушаются и выпадает малорастворимый осадок ЭДТА. Осадок забивает колонки и разделение РЗЭ прекращается. Низкая растворимость ЭДТА диктует необходимость использования ее разбавленных растворов (0,1 — 1%) с высоким значением рН (8,0— 8,5) и использования катионитов в Н—Na- или Н—ЫШ-формах. Применение катионитов в Н—Na- или Н—ЫШ-формах и разбавленных растворов трилона Б приводит к большим затратам времени на разделение и к низкой степени разделения РЗЭ. Последнее происходит потому, что РЗЭ, освободившиеся из комплексо-ната, не успевают сорбироваться катионитом в узкой зоне и «размываются» по всей длине колонки. Для устранения этих нежелательных явлений можно использовать дополнительную колонку с катионитом в Fe-форме, расположенную следом за первой колонкой.

Б. Н. Ласкорин с сотр. [53, с. 118; 178, с. 48] предложили для очистки гафниевой фракции после разделения примесей использовать фосфорнокислый катионит РФ. На первой стадии сорбировался гафний и примеси. Затем смола регенерировалась раствором оксалата аммония и из регенерата осаждением аммиаком получалась гидроокись гафния чистотой 99%. Для окончательной очистки циркониевой и гафниевой фракции солянокислые растворы пропускали через слой катиоиита КУ-2. Примеси вымывали 2-н. НС1, расход которой составлял 2,5—3 объема на объем смолы. Этим методом достигается высокая степень очистки циркония и гафния от примесей. Это дает возможность широкого применения ионообменных процессов в технологии. Задача состоит в том, чтобы синтезировать такие ионообменные материалы, которые избирательно сорбировали бы примеси при полном отсутствии поглощения циркония. Использование таких ионитов обеспечит высокую производительность ионообменной очистки растворов циркония и гафния.