Կատիոնափոխանակիչի փոխանակման հզորության կրճատման գործակիցը: Իոնափոխանակիչների փոխանակման հզորություն: Իոնների փոխանակման հավասարակշռություն

Որոշ զտիչ նյութեր ( իոնափոխանակիչներ) ընդունակ են ջրից կլանել դրական իոններ (կատիոններ)՝ համարժեք կատիոնափոխանակիչ իոնների դիմաց։

Կատիոնով ջրի փափկացումը հիմնված է իոնափոխանակման երևույթի վրա (իոնափոխանակման տեխնոլոգիաներ), որի էությունը իոնափոխանակման ֆիլտրի նյութերի (իոնափոխանակիչներ - կատիոնափոխանակիչներ) կարողությունն է ջրից դրական իոններ կլանելու համարժեք քանակի դիմաց։ կատիոնափոխանակիչ իոններ.

Կատիոնափոխանակիչի հիմնական գործառնական պարամետրը իոնափոխանակիչի փոխանակման հզորությունն է, որը որոշվում է կատիոնների քանակով, որոնք կատիոնափոխանակիչը կարող է փոխանակել ֆիլտրի ցիկլի ընթացքում։ Փոխանակման հզորությունը չափվում է պահված կատիոնների գրամի համարժեքներով կատիոնափոխանակիչի 1 մ 3-ի դիմաց, որը ջրի մեջ հայտնվելուց հետո գտնվում է այտուցված (աշխատանքային) վիճակում, այսինքն. մի վիճակում, որում կատիոնիտգտնվում է ֆիլտրատի մեջ:

Կա կատիոնափոխանակիչի լիարժեք և աշխատանքային (դինամիկ) փոխանակման հզորություն: Կատիոնափոխանակիչի ընդհանուր փոխանակման հզորությունը կալցիումի Ca +2 կատիոնների և Mg +2 մագնեզիումի կատիոնների քանակն է, որը կարող է պահպանել կատիոնափոխանակիչի 1 մ 3 աշխատանքային վիճակում մինչև ֆիլտրատի կարծրությունը համեմատվի աղբյուրի կարծրության հետ։ ջուր. Կատիոնափոխանակիչի աշխատանքային փոխանակման հզորությունը Ca +2 և Mg +2 կատիոնների քանակն է, որը պահպանում է 1 մ 3 կատիոնափոխանակիչը մինչև կարծրության աղի կատիոնները «թափանցեն» ֆիլտրատ:

Փոխանակման հզորությունը, որը կապված է ֆիլտրում բեռնված կատիոնափոխանակիչի ամբողջ ծավալի հետ, կոչվում է ջրի փափկեցնող ֆիլտրի կլանման հզորություն:

Փափկեցնողի մեջ մաքրված ջուրը վերևից ներքև անցնում է կատիոնափոխանակիչի շերտով: Միաժամանակ ֆիլտրի շերտի որոշակի խորության վրա տեղի է ունենում ջրի առավելագույն փափկացում (կարծրության աղերից)։ Կատիոնափոխանակիչ շերտը, որը մասնակցում է ջրի փափկեցում, կոչվում է փափկեցման գոտի (կատիոնափոխանակիչի աշխատանքային շերտ)։ Ջրի հետագա փափկացման դեպքում կատիոնափոխանակիչի վերին շերտերը սպառվում են և կորցնում իոնափոխանակման ունակությունը: Կատիոնափոխանակիչի ստորին շերտերը մտնում են իոնափոխանակության մեջ և փափկեցնող գոտին աստիճանաբար իջնում ​​է։ Որոշ ժամանակ անց նկատվում է երեք գոտի՝ աշխատող, սպառված և թարմ կատիոնափոխանակիչ։ Ֆիլտրատի կարծրությունը հաստատուն կլինի մինչև համակցությունը ստորին սահմանըփափկեցնող գոտիներ կատիոնափոխանակիչի ստորին շերտով: Համակցման պահին սկսվում է Ca +2 և Mg +2 կատիոնների «բեկումը», և մնացորդային կարծրությունը մեծանում է այնքան ժամանակ, մինչև այն հավասարվի աղբյուրի ջրի կարծրությանը, ինչը ցույց է տալիս կատիոնափոխանակիչի ամբողջական սպառումը:

Ջրի փափկեցման համակարգի () գործառնական պարամետրերը որոշվում են բանաձևերով.

E p = QL u (g-eq/m 3)
E p = e p V k,
V k = ah k
e p = QJ և / ah k
Q = v to aT to = e p ah to / F և
T k = e p h k /v k Zh i.

Որտեղ:
e p – կատիոնափոխանակիչի աշխատանքային հզորությունը, m-eq/m 3
V գ – կատիոնափոխանակիչի ծավալը, որը ներբեռնված է փափկեցնողի մեջ ուռած վիճակում, մ 3
h k – կատիոնափոխանակիչ շերտի բարձրությունը, մ
F և – աղբյուրի ջրի կարծրություն, g-eq/m3
Q – փափկած ջրի քանակը, մ 3
ա – ջրի փափկեցնող ֆիլտրի խաչմերուկի մակերեսը, մ 2
v к – ջրի զտման արագությունը կատիոնափոխանակման ֆիլտրում
Tk – ջրի փափկեցման կայանքի շահագործման տևողությունը (միջսերնդային ժամանակաշրջան)

Ընդհանուր հասկացություններ

IN ընդհանուր առումով, իոնափոխանակման խեժի հզորությունը վերաբերում է իոնների քանակին, որոնք կարող են կլանվել խեժի որոշակի ծավալով։ Ավելին, խեժի հզորության չափման միավորները կարող են տարբեր լինել: Օրինակ՝ մգ-էկ/մլ (meq/ml), g-eq/l (eq/l) կամ կիլոգրամ մեկ խորանարդ ոտնաչափ (Kgr/ft3): Իմանալով նյութի համարժեք զանգվածը՝ կարելի է հաշվել խեժի հզորությունը։ Նյութի համարժեք զանգվածը սահմանվում է որպես հարաբերակցություն մոլային զանգվածնյութը իր վալենտականության նկատմամբ (խիստ ասած՝ նյութի համարժեք թվին): Օրինակ՝ կալցիումի մոլային զանգվածը 40 գ/մոլ է, իսկ վալենտությունը՝ 2, ապա համարժեք զանգվածը՝ 20 գ/մոլ (40/2 = 20)։ 1,95 գ-էկ/լ հզորությամբ իոնափոխանակման խեժը ունակ է լուծույթից 1լ խեժից հանել 1,95 H 20 = 39 գրամ:

Գործնականում խեժի փոխանակման հզորությունը որոշվում է լաբորատորիաներում տիտրման միջոցով: Նատրիումի հիդրօքսիդի (NaOH) լուծույթն անցնում է սյունակի միջով, որի մեջ տեղադրվում է կատիոնափոխանակիչի նմուշը ջրածնի տեսքով (H-ձև): Որոշ Na+ իոններ փոխանակվում են ջրածնի իոններով։ Նատրիումի հիդրօքսիդը, որը չի արձագանքել խեժի իոնային խմբի հետ, տիտրվում է թթվով։ Նատրիումի հիդրօքսիդի սկզբնական կոնցենտրացիայից հանելով մնացորդային կոնցենտրացիան՝ կարող եք որոշել կատիոնափոխանակիչի հզորությունը։ Իոնափոխանակիչի փոխանակման հզորությունը որոշելու մեկ այլ միջոց է կալցիումի քլորիդի լուծույթը խեժի շերտով անցնելը: Նմանատիպ ձևով որոշվում է անիոնափոխանակման խեժի հզորությունը (OH ձևով), որի միջով անցնում է թթվային լուծույթը։

Խեժի հզորությունը կարող է չափվել mEq/mL (ծավալ) կամ mEq/g (քաշ): Եթե ​​հզորությունը որոշված ​​է՝ արտահայտված mEq/g-ով (նկատի ունի չոր իոնափոխանակիչի զանգվածը), ապա, իմանալով խեժի խոնավության պարունակությունը, հեշտ է անցնել mEq/ml:

Նկարում խեժի փոխանակման հզորությունը գրաֆիկորեն ներկայացված է տարածքով դեղին գույն, որը գտնվում է AN և CL ուղղահայաց գծերի միջև։ Տարածաշրջան մոխրագույն, որը գտնվում է կորի տակ, մաքրված ջրի մեջ իոնների կոնցենտրացիան է։ Ցիկլի սկզբում իոնների կոնցենտրացիան ֆիլտրատում շատ փոքր է և մնում է անփոփոխ ամբողջ ֆիլտրի ցիկլի ընթացքում։ Այն պահին, երբ ֆիլտրման ճակատը հասնում է իոնափոխանակիչի շերտի ավարտին, իոնները արտահոսում են ֆիլտրատ (կետ. P նկարում): Սա ազդանշան է խեժի վերականգնման համար: Որպես կանոն, ֆիլտրի վերածնումն իրականացվում է մինչև բեկում: Օրինակ, արդյունաբերության մեջ կարծրության իոնների կոնցենտրացիան, որի դեպքում ֆիլտրը հանվում է վերականգնման համար, կարող է հասնել 0,05 0Ջ-ից պակաս արժեքի, իսկ կենցաղային փափկեցման համակարգերում՝ 0,5 0Ջ-ից պակաս: x - y հատվածի երկարությունը համապատասխանում է մաքրված ջրի ծավալին լիտրերով կամ գալոններով: ANLB գործչի տարածքը խեժի կողմից իոնների ընդհանուր կլանումն է, իսկ ANMB գործչի մակերեսը ներծծված իոնների քանակն է մինչև բեկում տեղի ունենալը:

Երբ մենք խոսում ենք հզորության մասին, մենք հաճախ նկատի ունենք աշխատունակությունը, այլ ոչ թե ամբողջական փոխանակման հզորությունը: Աշխատանքային հզորությունը հաստատուն արժեք չէ, այն կախված է բազմաթիվ գործոններից՝ իոնափոխանակիչի ապրանքանիշից, ներծծվող իոնների կոնցենտրացիայից և տեսակից, լուծույթի pH-ից, մաքրված ջրի պահանջներից, հոսքի արագությունից, բարձրությունից: իոնափոխանակիչի շերտ և այլ պահանջներ:

Ձեռքբերում բարձր աստիճանիոնների արդյունահանում ջրային լուծույթպահանջում է վերականգնող լուծույթի (կարմիր գիծ) չափաբաժնի ավելացում։ Այնուամենայնիվ, անհնար է անորոշ ժամանակով ավելացնել վերականգնող լուծույթի կոնցենտրացիան (կանաչ գիծը տեսական հարաբերությունն է խեժի հզորության վերականգնման աստիճանի և վերականգնող լուծույթի սպառման միջև): Գործնականում բարձր հզորության հասնելու համար անհրաժեշտ է ավելացնել խեժի քանակը։ Առաջին ֆիլտրի ցիկլի ընթացքում իոնափոխանակման հատկությունների վերականգնման աստիճանը կարող է հասնել 100%-ի, սակայն ժամանակի ընթացքում այդ արժեքը կնվազի։ Օրինակ. Ջրի փափկեցման համակարգերի արտադրողներից շատերը խորհուրդ են տալիս օգտագործել NaCl 100 - 125 գ/լ կոնցենտրացիայով լուծույթ՝ կատիոնափոխանակիչի հզորությունը վերականգնելու համար ընդհանուր փոխանակման հզորության 50-55%-ին:

Տարողությունը որոշելիս անհրաժեշտ է իմանալ խեժի իոնային ձևը (աղ, թթու, հիմնային)։ Վերականգնման կամ շահագործման ընթացքում լցված խեժի ծավալը փոխվում է, տեղի է ունենում մի գործընթաց, որը կոչվում է խեժի «շնչառություն»: Աղյուսակը ցույց է տալիս, թե ինչպես են խեժերը վարվում տարբեր գործընթացներում:

Կան կատիոնափոխանակիչներ և անիոնափոխանակիչներ։ Այն ռեակցիաները, որոնց մասնակցում են իոնափոխանակիչները, տրված են աղյուսակում:

իոնափոխանակման խեժի ռեակցիայի տիտրում

Ավելին, անգլալեզու գրականության մեջ SAC նշանը նշանակում է ուժեղ թթվային կատիոն խեժ, SBA՝ ուժեղ բազային անիոնային խեժ, WAC՝ թույլ թթվային կատիոն խեժ, իսկ WBA՝ թույլ բազային անիոնային խեժ։ Իոնափոխանակման ունակությունը որոշվում է ֆունկցիոնալ խմբի առկայությամբ, խիստ թթվային կատիոնափոխանակիչները պարունակում են սուլֆո խումբ՝ SO3H, իսկ թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները պարունակում են կարբոքսիլ խումբ՝ COOH։ Ուժեղ թթվային կատիոնափոխանակման խեժերը փոխանակում են կատիոնները լուծույթի ցանկացած pH արժեքով, այսինքն՝ լուծույթում իրենց պահում են ինչպես ուժեղ թթուներ։ Իսկ թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները նման են թույլ թթուներև իոնափոխանակման ռեակցիայի մեջ մտնել միայն 7-ից բարձր pH արժեքներով: Անիոնափոխանակիչները պարունակում են հինգ տեսակի ֆունկցիոնալ խմբեր՝ (-NH2, NH=, N?, - N(CH3) 3OH, - N(CH3) 2C2H4OH): Առաջին երեք խմբերը տալիս են անիոնափոխանակիչին թույլ հիմնական հատկություններ, իսկ խմբերը՝ N(CH3) 3OH, - N(CH3) 2C2H4OH՝ խիստ հիմնային։ Թույլ հիմնական անիոնափոխանակիչները արձագանքում են անիոնների հետ ուժեղ թթուներ(SO, Cl-, NO), իսկ ուժեղ հիմնայինները՝ ուժեղ և թույլ անիոններով (HCO, HSiO) pH-ի սահմաններում 1-ից 14: Խոսելով ուժեղ հիմնական անիոնափոխանակիչի հզորության մասին՝ պետք է ուշադրություն դարձնել այն փաստին. որ խեժը պարունակում է թույլ հիմնական անիոնափոխանակիչներին բնորոշ ֆունկցիոնալ խմբեր: Երբ ուժեղ բազայի անիոնային խեժը ծերանում է կամ ենթարկվում է դրան բարձր ջերմաստիճաններնկատվում է հիմնականության նվազում և ֆունկցիոնալ խմբերի մասնակի ոչնչացում։

Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք իոնափոխանակման խեժերի մասնակցությամբ տեղի ունեցող ռեակցիաները։ Արձագանք 1 - ջրի փափկեցում, օգտագործելով ուժեղ թթվային կատիոնափոխանակիչ աղի (Na) ձևով, 2 - նիտրատ իոնների հեռացում, օգտագործելով ամուր հիմքային անիոնափոխանակիչ Cl ձևով: Նատրիումի քլորիդի և կալիումի քլորիդի օգտագործումը որպես վերականգնող լուծույթ նպաստում է այս տեսակի խեժի լայն կիրառմանը առօրյա կյանքում, արդյունաբերության և մաքրման մեջ։ Կեղտաջրեր. Կատիոնափոխանակիչները կարող են նաև կրճատվել թթվային լուծույթներով (օրինակ. աղաթթու), իսկ անիոնափոխանակիչներ՝ նատրիումի հիդրօքսիդի լուծույթով (NaOH)։ Իոնափոխանակիչները H և OH ձևերով օգտագործվում են աղազրկված ջրի պատրաստման սխեմաներում (ռեակցիաներ 3 և 4): Թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչը ցուցադրում է իոնափոխանակման հատկություններ բարձր pH արժեքներում (արձագանք 5), իսկ թույլ հիմնային անիոնափոխանակիչը՝ ցածր արժեքներ pH (արձագանք 6): Արձագանք 5 - ջրի ալկալայնության միաժամանակյա փափկացում և նվազեցում: Հարկ է նշել, որ WBA խեժը, ալկալային լուծույթով վերածնվելու արդյունքում, վերածվում է ոչ թե OH ձևի, այլ այսպես կոչված FB ձևի (ազատ հիմք):

Թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները, համեմատած խիստ թթվայինների հետ, ունեն փոխանակման ավելի բարձր հզորություն, դրանք բնութագրվում են ջրածնի իոնների նկատմամբ բարձր կապակցությամբ, ուստի վերականգնումն ընթանում է ավելի հեշտ և արագ: Կարևոր է, որ WAC-ի, ինչպես նաև WBA-ի վերականգնման համար չօգտագործվեն նատրիումի կամ կալիումի քլորիդի լուծույթներ։ Իոնափոխանակման խեժի այս կամ այն ​​ապրանքանիշի ընտրությունը կախված է բազմաթիվ պայմաններից: Օրինակ, կան երկու տեսակի խիստ հիմնական անիոնափոխանակիչներ՝ տիպ I (ֆունկցիոնալ խումբ՝ N(CH3) 3OH) և տիպ II (-N(CH3) 2C2H4OH): I տիպի անիոնափոխանակիչներն ավելի լավ են կլանում HSiO իոնները, քան II տիպի անիոնափոխանակիչները, սակայն վերջիններս բնութագրվում են փոխանակման ավելի մեծ հզորությամբ և ավելի լավ են վերականգնվում։

Եզրափակելով՝ նշում ենք, որ գրականության մեջ, ինչպես նաև ապրանքի անձնագրում նշված է խեժի ընդհանուր քաշը և փոխանակման հզորությունը, որոնք որոշվում են լաբորատորիայում։ Խեժի աշխատանքային հզորությունը ցածր է արտադրողի կողմից հայտարարվածից և կախված է բազմաթիվ գործոններից, որոնք հնարավոր չէ հաշվի առնել լաբորատոր պայմաններում (խեժի շերտի երկրաչափական բնութագրերը, կոնկրետ պայմաններգործընթաց՝ հոսքի արագություն, լուծված նյութերի կոնցենտրացիաներ, վերածնման աստիճան և այլն):

Իոնափոխանակությունը տեղի է ունենում այն ​​կլանիչների վրա, որոնք պոլիէլեկտրոլիտներ են (իոնափոխանակիչներ, իոնափոխանակիչներ, իոնափոխանակիչներ):

Ion փոխանակումիոնափոխանակիչում հայտնաբերված իոնների համարժեք փոխանակման գործընթացն է լուծույթում հայտնաբերված նույն նշանի այլ իոնների հետ: Իոնների փոխանակման գործընթացը շրջելի է:

Իոնափոխանակիչները բաժանվում են կատիոնափոխանակիչների, անիոնափոխանակիչների և ամֆոտերային իոնափոխանակիչների։

Կատիոնափոխանակիչներ– նյութեր, որոնք պարունակում են իրենց կառուցվածքում ֆիքսված բացասաբար լիցքավորված խմբեր (ֆիքսված իոններ), որոնց մոտ կան շարժական կատիոններ (կոնտրիոններ), որոնք լուծույթում կարող են փոխանակվել կատիոնների հետ (նկ. 81):

Բրինձ. 81. Հաստատուն անիոններով և շարժական հակաիոններով պոլիէլեկտրոլիտային մատրիցայի (կատիոնիտի) մոդել, որտեղ – ֆիքսված իոններ են.

– կոիոններ, – հակաիոններ

Կան բնական կատիոնափոխանակիչներ՝ ցեոլիտներ, պերմուտիտներ, սիլիցիումել, ցելյուլոզա, ինչպես նաև արհեստական՝ բարձր մոլեկուլային պինդ չլուծվող իոնային պոլիմերներ, որոնք առավել հաճախ պարունակում են սուլֆոնաթթու խմբեր, կարբոքսիլ, ֆոսֆինաթթու, մկնդեղի կամ սելենաթթու խմբեր։ Ավելի քիչ տարածված են սինթետիկ անօրգանական կատիոնափոխանակիչները, որոնք առավել հաճախ ալյումինոսիլիկատներ են։

Ելնելով իոնոգեն խմբերի իոնացման աստիճանից՝ կատիոնափոխանակիչները բաժանվում են ուժեղ թթվի և թույլ թթվի։ Ուժեղ թթվային կատիոնափոխանակիչները կարող են իրենց շարժական կատիոնները փոխանակել արտաքին կատիոնների հետ ալկալային, չեզոք և թթվային միջավայրեր. Թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները հակաիոնները փոխանակում են այլ կատիոնների հետ միայն ալկալային միջավայրում: Ուժեղ թթվայինները ներառում են խիստ տարանջատված թթվային խմբերով կատիոնափոխանակիչներ՝ սուլֆոնաթթուներ: Թույլ թթվային ներառում են թույլ տարանջատված պարունակող կատիոնափոխանակիչներ թթվային խմբեր- ֆոսֆորական թթու, կարբոքսիլ, օքսիֆենիլ:

Անիոնափոխանակիչներ– իոնափոխանակիչներ, որոնք իրենց կառուցվածքում պարունակում են դրական լիցքավորված իոնոգեն խմբեր (ֆիքսված իոններ), որոնց մոտ կան շարժական անիոններ (կոնտրիոններ), որոնք կարող են լուծույթում փոխանակվել անիոնների հետ (նկ. 82): Կան բնական և սինթետիկ անիոնափոխանակիչներ։

Բրինձ. 82. Պոլիէլեկտրոլիտային մատրիցայի մոդելը (անիոնափոխանակիչ) ֆիքսված կատիոններով և շարժական հակաիոններով, որտեղ + ֆիքսված իոններ են.

– կոիոններ, – հակաիոններ

Սինթետիկ անիոնափոխանակիչներն իրենց մակրոմոլեկուլներում պարունակում են դրական լիցքավորված իոնոգեն խմբեր։ Թույլ հիմնական անիոնափոխանակիչները պարունակում են առաջնային, երկրորդային և երրորդային ամինո խմբեր, խիստ հիմնական անիոնափոխանակիչները պարունակում են չորրորդական օնիումային աղերի և հիմքերի խմբեր (ամոնիում, պիրիդինիում, սուլֆոնիում, ֆոսֆոնիում): Ուժեղ հիմնային անիոնափոխանակիչները շարժական անիոնները փոխանակում են թթվային, չեզոք և ալկալային միջավայրերում, մինչդեռ թույլ հիմնային անիոնափոխանակիչները շարժական անիոնները փոխանակում են միայն թթվային միջավայրերում:

Ամֆոտերային իոնափոխանակիչներպարունակում են ինչպես կատիոնային, այնպես էլ անիոնային իոնոգեն խմբեր: Այս իոնափոխանակիչները կարող են միաժամանակ կլանել ինչպես կատիոնները, այնպես էլ անիոնները:

Իոնափոխանակիչի քանակական բնութագիրն է ընդհանուր փոխանակման հզորությունը(POE): POE-ի որոշումը կարող է կատարվել ստատիկ կամ դինամիկ մեթոդ«Իոնափոխանակիչ-լուծույթ» համակարգում տեղի ունեցող ռեակցիաների հիման վրա.

RSO 3 – H + + NaOH → RSO 3 – Na + + H 2 O

RNH 3 + OH – + HCl → RNH 3 + Cl – + H 2 O

Հզորությունը որոշվում է իոնափոխանակիչում իոնոգեն խմբերի քանակով և, հետևաբար, տեսականորեն պետք է լինի հաստատուն արժեք: Այնուամենայնիվ, գործնականում դա կախված է մի շարք պայմաններից. Կան ստատիկ փոխանակման հզորություն (SEC) և դինամիկ փոխանակման հզորություն (DEC): Ստատիկ փոխանակման հզորությունը այն ընդհանուր հզորությունն է, որը բնութագրում է իոնոգեն խմբերի ընդհանուր թիվը (միլիէկվիվալենտներով) օդում չոր իոնափոխանակիչի միավորի զանգվածի կամ ուռած իոնափոխանակիչի մեկ միավորի ծավալի վրա: Բնական իոնափոխանակիչներն ունեն փոքր ստատիկ փոխանակման հզորություն, որը չի գերազանցում 0,2-0,3 մկ/գ-ը: Սինթետիկ իոնափոխանակման խեժերի համար այն գտնվում է 3-5 մկ/գ-ի սահմաններում, իսկ երբեմն հասնում է 10,0 մկ/գ-ի։

Դինամիկ կամ աշխատանքային փոխանակման հզորությունը վերաբերում է միայն իոնային խմբերի այն հատվածին, որոնք մասնակցում են տեխնոլոգիական պայմաններում տեղի ունեցող իոնների փոխանակմանը, օրինակ՝ իոնափոխանակման սյունակում՝ իոնափոխանակիչի և լուծույթի շարժման որոշակի հարաբերական արագությամբ: Դինամիկ հզորությունը կախված է շարժման արագությունից, սյունակի չափից և այլ գործոններից և միշտ պակաս է ստատիկ փոխանակման հզորությունից:

Իոնափոխանակիչների ստատիկ փոխանակման հզորությունը որոշելու համար. տարբեր մեթոդներ. Այս բոլոր մեթոդները հանգում են նրան, որ իոնափոխանակիչը ինչ-որ իոնով հագեցնելը, այնուհետև այն մեկ այլ իոնով տեղահանելը և առաջինը լուծույթով վերլուծելը: Օրինակ՝ հարմար է կատիոնափոխանակիչն ամբողջությամբ վերածել H+ ձևի (հակիոնները ջրածնի իոններ են), այնուհետև լվանալ նատրիումի քլորիդի լուծույթով և ստացված թթվային լուծույթը տիտրել ալկալային լուծույթով։ Տարողությունը հավասար է լուծույթ անցած թթվի քանակի և իոնափոխանակիչի կշռված մասի հարաբերությանը:

Ստատիկ մեթոդով տիտրացվում է իոնափոխանակման կլանման արդյունքում լուծույթում հայտնված թթուն կամ ալկալին։

Դինամիկ մեթոդով POE-ն որոշվում է քրոմատոգրաֆիկ սյունակների միջոցով: Էլեկտրոլիտային լուծույթն անցնում է իոնափոխանակիչ խեժով լցված սյունակի միջով և գրանցվում է ելքային լուծույթում (էլյուտ) ներծծված իոնի կոնցենտրացիայի կախվածությունը անցած լուծույթի ծավալից (ելքային կորը): POE-ն հաշվարկվում է բանաձևով

,

(337)

Որտեղ Վընդհանուր - խեժից հեռացված թթու պարունակող լուծույթի ընդհանուր ծավալը. Հետ- թթվի կոնցենտրացիան այս լուծույթում; մ– իոնափոխանակման խեժի զանգվածը սյունակում:

Իոնների փոխանակման հավասարակշռության հաստատունը կարող է որոշվել ստատիկ պայմաններում իոնների հավասարակշռության բաշխման տվյալներից (իոնների փոխանակման ժամանակ հավասարակշռության վիճակը նկարագրվում է զանգվածի գործողության օրենքով), ինչպես նաև շարժման արագության վրա հիմնված դինամիկ մեթոդով։ խեժի շերտի երկայնքով նյութի գոտի (էլյուենտային քրոմատագրություն):

Իոնափոխանակման ռեակցիայի համար

հավասարակշռության հաստատունն է

,

(338)

որտեղ իոնների կոնցենտրացիան իոնափոխանակիչում. , – իոնների կոնցենտրացիան լուծույթում.

Օգտագործելով իոնափոխանակիչներ՝ հնարավոր է փափկացնել ջուրը կամ աղազրկել աղաջուրը և ստանալ այն դեղագործական նպատակների համար հարմար: Դեղագործության մեջ իոնափոխանակման ադսորբցիայի մեկ այլ կիրառություն է դրա օգտագործումը վերլուծական նպատակներով՝ որպես խառնուրդներից այս կամ այն ​​անալիտի արդյունահանման մեթոդ:

Խնդիրների լուծման օրինակներ

1. Տեղադրված է 60 մլ որոշակի նյութի 0,440 մոլ/լ խտությամբ լուծույթի մեջ Ակտիվացված ածխածին 3 գ քաշով լուծույթը ադսորբենտով թափահարել են մինչև կլանման հավասարակշռություն հաստատվել, ինչի արդյունքում նյութի կոնցենտրացիան նվազել է մինչև 0,350 մոլ/լ։ Հաշվեք կլանման քանակությունը և կլանման աստիճանը:

Լուծում:

Adsorption-ը հաշվարկվում է բանաձևով (325).

Օգտագործելով բանաձևը (326), մենք որոշում ենք կլանման աստիճանը

2. Օգտագործելով տրված տվյալները ածխի մակերևույթի վրա դիֆենհիդրամինի կլանման համար, գրաֆիկորեն հաշվարկեք Լանգմյուիրի հավասարման հաստատունները.

Հաշվեք դիֆենհիդրամինի ադսորբցիան ​​3,8 մոլ/լ կոնցենտրացիայի դեպքում:

Լուծում:

Լանգմյուիրի հավասարման հաստատունները գրաֆիկորեն որոշելու համար մենք օգտագործում ենք այս հավասարման գծային ձևը (327).

Եկեք հաշվարկենք արժեքները 1/ Աև 1/ Հետ:

Կառուցում ենք գրաֆիկ 1/ կոորդինատներով Ա – 1/Հետ(նկ. 83):

Բրինձ. 83. Լանգմյուիրի հավասարման հաստատունների գրաֆիկական որոշումը

Այն դեպքում, երբ կետը X= 0-ը գտնվում է նկարից դուրս, օգտագործեք երկրորդ ճանապարհը y=ax+b. Նախ ընտրեք ուղիղ գծի վրա ընկած ցանկացած երկու կետ (նկ. 83) և որոշեք դրանց կոորդինատները.

(·)1 (0.15; 1.11); (·)2 (0.30; 1.25):

b= y 1 – կացին 1 = 0,11 – 0,93 0,15 = 0,029:

Մենք դա հասկանում ենք բ = 1/Ա¥ = 0,029 մկմոլ/մ2, հետևաբար Ա¥ = 34,48 մկմոլ/մ2:

Ադսորբցիոն հավասարակշռության հաստատուն Կսահմանվում է հետևյալ կերպ.

Եկեք հաշվարկենք դիֆենհիդրամինի կլանումը 3,8 մոլ/լ կոնցենտրացիայում՝ օգտագործելով Լանգմյուիրի հավասարումը (327).

3. Պինդ կլանիչի վրա բենզոյաթթվի կլանումն ուսումնասիրելիս ստացվել են հետևյալ տվյալները.

Լուծում:

Ֆրեյնդլիխի հավասարման հաստատունները հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է օգտագործել հավասարման գծային ձևը (332), կոորդինատների log( ժ/տ) – lg Հետիզոթերմը կարծես ուղիղ գիծ է:

Եկեք գտնենք lg-ի արժեքները գեւ lg x/մ, ներառված է գծային Ֆրեյնդլիխի հավասարման մեջ։

lg գ	–2,22	–1,6	–1,275	–0,928
lg x/մ	–0,356	–0,11	0,017	0,158

Մենք կառուցում ենք գրաֆիկ կոորդինատներով lg( ժ/տ) – lg Հետ(նկ. 84) .

Բրինձ. 84. Ֆրեյնդլիխի հավասարման հաստատունների գրաֆիկական որոշումը

Քանի որ կետը X= 0-ը գտնվում է նկարից դուրս (84), մենք օգտագործում ենք երկրորդ ճանապարհըգծի գործակիցների որոշում y=ax+b(Տե՛ս «Ներածական բլոկ. Փորձարարական տվյալների մաթեմատիկական մշակման հիմունքներ»): Նախ ընտրեք ուղիղ գծի վրա ընկած ցանկացած երկու կետ (օրինակ՝ 1 և 2 կետեր) և որոշեք դրանց կոորդինատները.

(·)1 (–2.0; –0.28); (·)2 (–1.0; 0.14):

Այնուհետև մենք հաշվարկում ենք թեքությունը՝ օգտագործելով բանաձևը.

b=y 1 -կացին 1 = –0,28 – 0,42 · (–2,0) = 0,56:

Ֆրեյնդլիխի հավասարման հաստատուններն են.

lg K = b= 0,56;Կ= 10 0,56 = 3,63;

1/n = a = 0,42.

Եկեք հաշվարկենք բենզոաթթվի կլանումը 0,028 մոլ/լ կոնցենտրացիայով՝ օգտագործելով Ֆրեյնդլիխի հավասարումը (330).

4. Օգտագործելով BET հավասարումը, հաշվարկեք ադսորբենտի հատուկ մակերեսը ազոտի գազի կլանման տվյալներից.

Խիտ միաշերտում ազոտի մոլեկուլի զբաղեցրած տարածքը 0,08 նմ 2 է, ազոտի խտությունը՝ 1,25 կգ/մ 3։

Լուծում:

BET-ի բազմամոլեկուլային կլանման իզոթերմի հավասարումը գծային ձևով ունի (333) ձևը.

Գրաֆիկ կառուցելու համար մենք որոշում ենք արժեքները.

Կառուցում ենք գրաֆիկ կոորդինատներով – p/p s(նկ. 85):

Մենք օգտագործում ենք առաջին ճանապարհը(Տե՛ս «Ներածական բլոկ. Փորձարարական տվյալների մաթեմատիկական մշակման հիմունքներ») ուղիղ գծի գործակիցները որոշելը. y=ax+b.Օգտագործելով գրաֆիկը, մենք որոշում ենք գործակցի արժեքը բ, որպես այն կետի օրդինատ, որը ընկած է այն ուղղի վրա, որի աբսցիսան 0 է ( X= 0): բ= 5. Ընտրեք գծի մի կետ և որոշեք դրա կոորդինատները.

(·)1 (0.2; 309).

Այնուհետև մենք հաշվարկում ենք թեքությունը.

Բրինձ. 85. BET պոլիմոլեկուլային կլանման իզոթերմային հավասարման հաստատունների գրաֆիկական որոշումը.

BET-ի պոլիմոլեկուլային կլանման իզոթերմի հավասարման հաստատուններն են.

; .

Լուծելով հավասարումների համակարգը՝ ստանում ենք Ա∞ = 6,6·10 –8 մ 3 / կգ:

Ադսորբցիայի սահմանափակող արժեքը հաշվարկելու համար վերցնում ենք Ա∞ մինչև 1 մոլ.

.

Adsorbent-ի հատուկ մակերեսը հայտնաբերվում է բանաձևով (329).

5. Պոլիստիրոլ սուլֆոնիկ կատիոնափոխանակիչ H+ ձևով, որը կշռում է 1 գ, ավելացվել է նախնական կոնցենտրացիայով KCl լուծույթին: Հետ 0 = 100 ք/մ 3 ծավալ Վ= 50 մլ և խառնուրդը պահել մինչև հավասարակշռությունը: Հաշվեք կալիումի հավասարակշռության կոնցենտրացիան իոնափոխանակիչում, եթե իոնափոխանակման հավասարակշռության հաստատունը = 2,5, իսկ կատիոնափոխանակիչի ընդհանուր փոխանակման հզորությունը POE = 5 մոլ-էկ/կգ:

Լուծում:

Իոնափոխանակման հաստատունը որոշելու համար մենք օգտագործում ենք հավասարումը (338): Խեժում H+ իոնները փոխանակվում են համարժեք թվով իոններով Կ

Սուլֆոնային կատիոնափոխանակիչի զանգվածը H + ձևով որոշվում է բանաձևով (337).

Անիոնափոխանակման խեժի ընդհանուր քանակը OH – ձևով հավասար է.

Անիոնափոխանակիչի զանգվածը OH – ձևով որոշվում է նաև բանաձևով (337).

Նկ. Ընդհանուր դինամիկ PDOE-ի և DOE-ի դինամիկ փոխանակման հզորության համեմատությունը: Ստվերավորված A տարածքը համապատասխանում է DOE-ին, իսկ կորի վերևում գտնվող ամբողջ տարածքը, հաշվի առնելով աղի արտահոսքը, համապատասխանում է PDOE-ին:

Ընտրողականություն

Ընտրողականությունը հասկացվում է որպես բարդ բաղադրությամբ լուծույթներից իոններ ընտրողաբար կլանելու ունակություն: Ընտրողականությունը որոշվում է իոնոգեն խմբերի տեսակով, իոնափոխանակիչի մատրիցայի խաչաձեւ կապերի քանակով, ծակոտիների չափով և լուծույթի կազմով: Իոնափոխանակիչների մեծ մասի համար ընտրողականությունը ցածր է, սակայն մշակվել են հատուկ նմուշներ, որոնք ունեն բարձր կարողությունորոշ իոններ հանելու համար.

Մեխանիկական ուժ

Ցույց է տալիս իոնափոխանակիչի կարողությունը դիմակայելու մեխանիկական սթրեսին: Իոնափոխանակիչները փորձարկվում են քայքայման համար հատուկ ջրաղացներում կամ քայքայող բեռի կշռով որոշակի թիվմասնիկներ. Բոլոր պոլիմերացման իոնափոխանակիչներն ունեն բարձր ուժ: Պոլիկոնդենսացիայի դեպքում այն ​​զգալիորեն ցածր է: Պոլիմերի խաչաձեւ կապակցման աստիճանի բարձրացումը մեծացնում է նրա ուժը, սակայն վատթարանում է իոնների փոխանակման արագությունը։

Օսմոտիկ կայունություն.

Իոնափոխանակիչի մասնիկների ամենամեծ ոչնչացումը տեղի է ունենում, երբ փոխվում են այն միջավայրի բնութագրերը, որտեղ դրանք գտնվում են: Քանի որ բոլոր իոնափոխանակիչները կառուցվածքային գելեր են, դրանց ծավալը կախված է աղի պարունակությունից, միջավայրի pH-ից և իոնափոխանակիչի իոնային ձևից: Երբ այս բնութագրերը փոխվում են, հացահատիկի ծավալը փոխվում է: Օսմոտիկ ազդեցության շնորհիվ հացահատիկի ծավալը ներս կենտրոնացված լուծույթներպակաս, քան նոսրացվածների մեջ: Այնուամենայնիվ, այս փոփոխությունը տեղի է ունենում ոչ թե միաժամանակ, այլ երբ «նոր» լուծույթի կոնցենտրացիաները հավասարվում են հացահատիկի ծավալով: Ահա թե ինչու արտաքին շերտկծկվում կամ ընդլայնվում է ավելի արագ, քան մասնիկի միջուկը. Մեծ ներքին լարումներ են առաջանում, և վերին շերտը կոտրվում է կամ ամբողջ հացահատիկը ճեղքվում է: Այս երեւույթը կոչվում է «օսմոտիկ ցնցում»: Յուրաքանչյուր իոնափոխանակիչ կարող է դիմակայել շրջակա միջավայրի բնութագրերի նման փոփոխությունների որոշակի թվով ցիկլերի: Սա կոչվում է նրա osmotic ուժ կամ կայունություն:

Ծավալի ամենամեծ փոփոխությունը տեղի է ունենում թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչներում: Մակրոպորների առկայությունը իոնափոխանակիչի հատիկների կառուցվածքում մեծացնում է դրա աշխատանքային մակերեսը, արագացնում գերուռուցումը և հնարավորություն է տալիս առանձին շերտերի «շնչել»: Հետևաբար, մակրածակոտային կառուցվածքով ուժեղ թթվային կատիոնափոխանակիչները օսմոտիկ առումով ամենակայունն են, իսկ թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները՝ ամենաքիչ օսմոտիկ:

Օսմոտիկ կայունությունը սահմանվում է որպես ամբողջական ձավարեղենի քանակը՝ բաժանված դրանց ընդհանուր սկզբնական թվի վրա՝ իոնափոխանակիչի նմուշի կրկնվող (150 անգամ) մշակումից հետո, հերթափոխով թթվի և ալկալիի լուծույթում, միջանկյալ լվացմամբ դեմինալացված ջրով:

Քիմիական կայունություն

Բոլոր իոնափոխանակիչներն ունեն որոշակի դիմադրություն թթուների, ալկալիների և օքսիդացնող նյութերի լուծույթների նկատմամբ: Բոլոր պոլիմերացման իոնափոխանակիչներն ունեն ավելի մեծ քիմիական դիմադրություն, քան պոլիկոնդենսացիոնները: Կատիոնափոխանակիչները ավելի դիմացկուն են, քան անիոնափոխանակիչները: Անիոնափոխանակիչներում թույլ հիմնայիններն ավելի դիմացկուն են թթուների, ալկալիների և օքսիդացնող նյութերի նկատմամբ, քան ուժեղ հիմնայինները։

Ջերմաստիճանի կայունություն

Կատիոնափոխանակիչների ջերմաստիճանի կայունությունն ավելի բարձր է, քան անիոնափոխանակիչները։ Թույլ թթվային կատիոնափոխանակիչները գործում են մինչև 130 ° C ջերմաստիճանում, ուժեղ թթուները, ինչպիսիք են KU-2-8-ը, մինչև 100-120 ° C, իսկ անիոնափոխանակիչների մեծ մասը՝ 60-ից ոչ բարձր, առավելագույնը 80 ° C: Այս դեպքում: , որպես կանոն, H- կամ OH ձևերի իոնափոխանակիչները ավելի քիչ կայուն են, քան աղայինները:

Կատիոնափոխանակիչի ընդհանուր (ընդհանուր) փոխանակման հզորությունը որոշվում է ստատիկ կամ դինամիկ պայմաններում NaOH կամ KOH լուծույթով չեզոքացմամբ և արտահայտվում է համարժեքներով 1 գ չոր կամ 1 դմ 3 ուռած կատիոնափոխանակիչի դիմաց:

Կատիոնափոխանակման ռեակցիաները (K-cationite) ունեն ձև.

Այն նյութերը, որոնք չեն տարանջատվում լուծույթներում, կլանվում են իոնափոխանակիչներով, ինչպես ակտիվ ածխածնի վրա՝ մոլեկուլային կլանման օրենքների համաձայն:

Շաքարի արդյունաբերության մեջ օգտագործվող տարբեր ապրանքանիշերի ուժեղ թթվային կատիոնափոխանակիչների ընդհանուր փոխանակման հզորությունը տատանվում է 4-ից 6 մԷկ/գ: Օրինակ, կենցաղային կատիոնափոխանակիչը KU-2-8/N, Na ion form/ ունի 5.1 /N/mg-eq/g ընդհանուր փոխանակման հզորություն:

Վերլուծության նպատակը - գնահատել կատիոնափոխանակման խեժի որակը և համապատասխանությունը շաքարի լուծույթների մաքրման համար:

Վերլուծության մեթոդի սկզբունքը հիմնված է իոնափոխանակման ռեակցիայի արդյունքում առաջացած 0,1 N թթվի տիտրման վրա։ NaOH լուծույթ մեթիլ նարնջի առկայությամբ որպես ցուցիչ:

Ռեակտիվներ:

5% NaCl լուծույթ;

0,1 ն. NaOH լուծույթ;

Ցուցանիշ - մեթիլ նարնջագույն:

Սարքեր և նյութեր.

Ապակե սյուն 18 մմ տրամագծով, 250 սմ բարձրությամբ երկարացված ծայրով;

Կաթել ձագար;

200 սմ 3 տարողությամբ ծավալային կոլբա;

100 սմ 3 հզորությամբ չափիչ գլան;

Տիտրման բյուրետ;

Բաժակ;

Կատիոնափոխանակման խեժ.

Վճռականության առաջընթաց

Անալիզի համար պատրաստված H-ձևի կատիոնափոխանակիչի 5 գ տեղափոխվում է 18 մմ տրամագծով ապակե սյուն՝ օգտագործելով թորած ջուր, ավելցուկային ջուրը արտահոսում է ռետինե խողովակի միջոցով՝ սեղմակով, որը տեղադրված է ստորին մասի երկարացված ծայրին: սյունակը։ Որպեսզի կատիոնափոխանակիչը չտարվի, սյունակի ապակե ցանցի վրա տեղադրվում է ապակե բրդյա շվաբր:

Դրանից հետո սկսած կաթել ձագարԿատիոնով սյունակի վերևում տեղադրված 100 սմ 3 քիմիապես մաքուր NaCl-ի 5% լուծույթը 30 րոպե հավասարաչափ անցնում է կատիոնափոխանակիչի շերտից վերևում լուծույթի մակարդակը պահպանելով 1 սմ: Այնուհետև լվանում են կատիոնափոխանակիչը: իր ծավալով ջրի կրկնակի չափով։ Ֆիլտրատը և լվացքի ջուրը հավաքվում են ծավալային կոլբայի մեջ, որտեղ դրանց ծավալը ճշգրտվում է մինչև 200 սմ 3: Այս ծավալից 50 սմ 3-ը վերցվում է առանձին բաժակի մեջ և տիտրվում 0,1 Ն. NaOH լուծույթ մեթիլ նարնջի առկայությամբ որպես ցուցիչ:

Հաշվարկներ:

1. Համադրելի արդյունքներ ստանալու համար կատիոնափոխանակիչի փոխանակման հզորությունը արտահայտվում է իոնների միլիգրամ համարժեքով / կամ թվով ակտիվ խմբեր/ 1 գ չոր իոնափոխանակիչի դիմաց: Հետեւաբար, եթե հոսքի արագությունը 0.1N է: NaOH լուծույթը չեզոքացնելու համար 1 գ բացարձակ չոր կատիոնափոխանակիչով արձակված թթուն կարող է արտահայտվել բանաձևով.

,

իսկ 1 սմ 3 1 ն. NaOH լուծույթը պարունակում է 0,1 mEq, ապա կատիոնափոխանակիչի ընդհանուր փոխանակման հզորությունը կարելի է հաշվարկել բանաձևով.

Որտեղ Եկ- ընդհանուր փոխանակման հզորությունը, բացարձակապես չոր կատիոնափոխանակիչի mEq/g;

բ- ֆիլտրատի ընդհանուր քանակը, սմ 3;

Վ- քանակ 0,1 ն. NaOH լուծույթ, որն օգտագործվում է ֆիլտրատի տիտրման համար, սմ 3;

ա – տիտրման համար ընտրված ֆիլտրատի քանակը, սմ3;

է – չոր կատիոնափոխանակիչի քանակությունը, որը վերցվել է դրա ընդհանուր փոխանակման հզորությունը որոշելու համար, գ.

Վ– կատիոնափոխանակիչի խոնավությունը, %. Որոշվում է 3 ժամ չորացնելով 95-100ºС ջերմաստիճանում:

2. Կատիոնափոխանակիչի փոխանակման հզորությունը կարող է արտահայտվել նաև նատրիումով։ Այս դեպքում հաշվարկն իրականացվում է ըստ բանաձևի

կամ, քանի որ 1 սմ 3 0,1 ն. NaOH լուծույթը պարունակում է 0,0023 գ նատրիում, ապա
.