12. Ионный обмен: сущность способа, природные и синтетические иониты.Технолог. Схемы ионообменной очистки природных и св и установки для их реализации.

Ионный обмен -это обратимая хим.реакция, при кот.происх.обмен ионами между тв.вещ-вом(ионитом)и раствором электролита. Ионный обмен явл.одним из основ.методов очистки воды от ионных загрязнений, глубокого обессоливания воды. Наличие разнообр. ионообм. материалов позволяет решать задачи очистки вод различ.хим.состава с высокой эффектив.Иониты- тв.нераствор.вещ-ва, имеющие в своем составе функциональные группы, способ.к ионизации в растворах и обмену ионами с электролитами.Иониты делятся по свойствам ионогенных групп на 4основ.вида:

катиониты;аниониты;амфолиты;селективные иониты.

По природе матрицы их подразделяют на:неорганич.иониты;органические иониты.

Органич.иониты- это в основ.синтетич. ионообменные смолы. Органич.матрица изготав.путем поликонденсации мономерных органич.молекул, т.к стирол, дивинилбензол и т. д. В эту матрицу хим.путем вводятся ионогенные группы кислотного или основного типа. Традиц-но вводимыми группами кислотного типа явл. -СООН; -SО3Н; и т. п., а основного типа: ≡N; =NH; -NH2;т. п. Иониты способ. к набуханию в воде, что обуслов. присутст.гидрофильных фиксированных групп, способ.к гидратации. Однако беспредельному набуханию, т.е раствор.,препятствуют поперечные связи. Степень поперечной связанности задается при синтезе ионитов через кол-во вводимого сшивающего агента-дивинилбензола (ДВБ). Стандартные смолы, испол.для умягчения, содержат 8 % ДВБ. Неорганич.иониты -это в основ. иониты природного происхож, к кот.относятся алюмосиликаты, гидроксиды и соли поливалентных металлов. Наиб. распростр. и прим. для очистки воды неорганич. природ.ионитами явл.цеолиты.

Цеолиты-это минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов. Ионообменные свойства цеолитов опр.особенностями хим. сродства ионов и кристаллич.структуры цеолита. Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы, извлеч.кот. др.методом часто представ. большую сложность. Установлена способность цеолитов адсорбировать радиоактив.ионы цезия из растворов, удалять NH4+, извлекать ионы Cu, Pb, Zn,и др. металлов, очищать природные газы.Цеолиты м.б испол.

для удаления раствор.железа, марганца и жесткости.Катиониты–иониты с закрепл.и на матрице анионами или анионообменными группами, обменивающиеся с внеш.средой катионами.Если катионит находился в водородной Н+-форме то извлекаются все катионы, находящиеся в воде. Очищенный раствор имеет кислую реакцию.При движении через катионит раствора, содер.смесь катионов,т.к Na, Ca, Mg, и т.д происх.формир. в его слое фронтов сорбции каждого катиона и неодновременное начало проскока их в фильтрат. Очистку заканчивают при появлении в фильтрате основ.извлек. или контролир.иона.

Аниониты–иониты с закрепл. на матрице катионами или катионообм. группами,обменив.с внеш.средой анионами.Если анионит наход.в гидроксильной ОH – - форме, то на очистку от анионов подается раствор после контактирования с катионитом в Н+ - форме, имеющий кислую реакцию.В этом случае извлек.все наход.в растворе анионы. Очищ. раствор имеет нейтральную реакцию. При пропуск. через анионит раствора, содерж.смесь анионов, таких как Cl, SO4 , PO4 , NO3 , происх.формир. в его слое фронтов сорбции каждого иона и неодновременное начало проскока их в фильтрат. Очистка воды заканчивается при появлении в фильтрате извлекаемого иона.Амфолиты содержат закрепл.катионообменные и анионообменные группы, и в опред. условиях выступ.либо как катионит, либо как анионит. Испол. для переработки технолог. растворов.

Селективные иониты содержат спец.подобранные ионогенные группы, имеющие высокое сродство к какому-то одному или к группе ионов. Могут использоваться для очистки воды от определенных ионов, например, бора, тяжелых металлов или от радионуклидов.

Основ.харак-ми ионитов явл.:обменная емкость;селективность;мех.прочность;

осмотич.стабильность;хим.стабильность;t-я устойчивость;гранулометрический (фракционный) состав.

Важнейшее свойство ионитов- поглотительная способность, так назыв. обменная ёмкость. Её выражают максим.числом мг-экв ионов, поглощаемых ед.массы или объёма ионита в условиях равновесия с раствором электролита (статическая обменная ёмкость) или в условиях фильтрации раствора через слой ионита до «проскока» ионов в фильтрат (динамическая обменная ёмкость). Значения обменной ёмкости большинства ионитов лежат в пределах 2—10 мг-экв/г. Динамическая (рабочая) обменная ёмкость всегда меньше статической.

13. Характеристики и области применения процессов баромембранного разделения загрязненных жидкостей. Механизмы гипер- и ультрафильтрационного разделения. Принципиальная технологическая схема очистки вод мембранным способом.

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация) обуслов. градиентом давления по толщине мембран, в осн. полимерных, и испол.для разделения р-ров и коллоидных систем при 5-30 °С. Первые 2 процесса принцип.отл.от обычного фильтрования. Если при нем продукт откладыв.в виде кристаллич. или аморфного осадка на пов-сти фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образ. 2 р-ра, один из к-рых обогащен раствор. в-вом. В этих процессах накопл. данного в-ва у пов-сти мембраны недопустимо, т.к. приводит к сниж. селектив.и прониц.мембраны. Обратный осмос (гиперфильтрация)-разделение р-ров низкомол. соед.

благодаря различ.подвижности компонентов в порах мембран.

В случае самопроиз. перехода р-рителя через мембрану в р-р (рис. 1,a) давление, при к-ром наступает равновесие (рис. 1, б), наз. осмотическим.Если со стороны р-ра приложить давление, превышающее осмотическое (рис. 1,в), р-ритель будет переноситься в обратном направ.Поскольку мембраны обычно не обладают идеальной прониц., наблюд. нек-рое проникание через них раствор. в-ва. Поэтому движущая сила обратного осмоса (а также ультра- и микрофильтрации) Dр = р — (p1 — p2) = р — Dp, где р-давление над исходным р-ром, p1 и p2-осмотич. давления р-ра и пермеата. Рабочее давление процесса 1-10 МПа. Размеры молекул или ионов раствор.в-ва, а также р-рителя и размеры мембранных пор имеют одинаковый порядок [(1 — 5).10-3 мкм]. Ультрафильтрация- процесс разделения жидких сред, путём продавливания их через полупроницаемую перегородку-мембрану, явл.третьей средой. Механизм разделения при ультрафильтрации в основном ситовый. Влияние взаимод. между материалом мембраны и компонентами разделяемой смеси незначительно. Обычно, в установках ультрафильтр. испол.мембраны с размером пор около 0.02 микрон. Установки ультрафильтрации очищают воду от частиц, бактерий и вирусов, размеры кот.превышают размеры пор мембраны. Системы микрофильтрации удаляют из воды лишь небольшое коли-во вирусов, не обеспечивая, т.о, эфф.вирусный барьер. Механизм разделения методом ультрафильтрации и/или микрофильтрации отл. от принципов работы обычных устройств, для очистки воды, таких, например, как засыпные фильтры. Засыпные фильтры имеют существенно больший номинальный размер пор и их работа основана на механизме гравитационного фильтрования.Ультрафильтрац.мембраны изготав. в виде плоских листов, или полых волокон. Иногда в процессах ультра/микрофильтрации испол.режим тангенциального фильтрования для предотвращения чрезмерного роста отложений на поверхности мембраны. Высокие скорости тангенциального потока создают турбулентности в канале подачи воды, обеспеч.высокую эфф. очистки поверх-ти от накопл.загряз., что особенно эфф. для воды с высоким содерж.нерастворимых взвесей. обвязки, что приводит к увеличению капитальных и энергозатрат.