14.9.1. Clasificare. Tipuri de schimbători de ioni, polimeri redox, agenți de complexare, membrane, fibre, țesuturi
În funcție de natura matricei, sunt cunoscute următoarele tipuri de schimbătoare de ioni:
- aluminosilicați naturali sau artificiali (zeoliți, glauconi, bentoniți, permuțiți etc.);
- cărbuni sulfonați;
- sintetici polimeri de schimb de ioni.
Utilizarea schimbătorilor de ioni sintetici devine tot mai răspândită în diferite domenii ale tehnologiei. Ei au o capacitate mare de schimb de ioni și, din punct de vedere al rezistenței chimice și al activității lor, depășesc alumino-silicatul și cărbunele sulfonate.
Ioniții conțin în structura lor grupuri active (ionogene) (genetice grecești - "da naștere").
Rășinile sintetice sunt clasificate în trei grupe principale - cationice, anionice și schimbătoare de ioni amfoteri (polyampholytes).
Cationii sunt denumiți în mod obișnuit polimeri capabili să absoarbă ioni încărcați pozitiv (cationi) din soluțiile de electroliți care prezintă proprietățile acizilor.
Schimbătorii de ioni sunt polimeri care prezintă capacitatea de a absorbi ionii încărcați negativ (anioni) din soluții și de a le schimba pentru alți anioni. Ele prezintă proprietățile bazelor.
Amperi schimbători de ioni amfoterici, denumiți și poliamfoliți. în structură conțin simultan grupări ionogene acide și bazice. În funcție de condiții, se manifestă atât schimbătoare de cationi, cât și schimbătoare de anioni.
Conform numărului de grupe funcționale, ioniții sunt împărțiți în:
Monofuncționale sunt toți schimbătorii de cationi și schimbătoare de anioni care conțin același tip de acid sau tip de bază.
Prin ionits polifuncționale se referă grup mai larg de materiale schimbătoare de ioni, cationi și anioni schimbătoarelor special bifuncționale, cum ar fi rășini schimbătoare de cationi cu grupe carboxil și hidroxil fenolic. rășini schimbătoare de anioni produse de policondensare polifuncțional, de asemenea, pentru că în timpul formării polimerului participante grupe funcționale ale compușilor monomerici de pornire care sunt supuse în care modificări. Prin schimb ionic polimeri polifuncționale includ, de exemplu, schimbători de anioni, obținute prin policondensarea amine polifuncționale cu aldehide, poliamine din polietilena cu epiclorhidrină și altele. Macromolecule astfel de polimeri conțin ambele grupe amino primare, secundare și terțiare.
Soluțiile polifuncționale de ioni sunt, de asemenea, toate poliamfoliții, deoarece conțin simultan grupări acide și bazice.
Un grup special de polimeri cu proprietăți de schimb sunt polimerii redox (polimeri redox) care prezintă capacitatea de a schimba electroni.
Ca urmare a transferului de electroni, se formează (sau dispare) încărcarea pozitivă totală sau dispare (sau formează) ionul încărcat pozitiv. Schematic, acest proces poate fi reprezentat în următoarea formă:
Materialele complexe de schimb de ioni sunt împărțite în schimb de anioni, schimb de cationi și amfoterici. În practică diviziunea răspândirea grupurilor de complexare activi ce conțin atomi donori cu funcții (N, U, S, P, As, etc.). Cele mai promițătoare materiale schimbătoare de ioni de complexare, de chelatare (gheară) care grupurile sunt capabile să formeze cu compușii chelați cation de metal, de exemplu:
unde R este un fragment al cadrului polimer macromolecular.
schimbătoare de ioni schimbători de ioni de complexare însoțită de apariția, în plus față de legătura ionică, coordonarea între cationul absorbit (atomul central) și gruparea funcțională (ligand). Printre liganzii aparțin carboxil, iminodiacetat, glioksimatnye, fosfonat, mercapto și altele asemenea. N. (grupurile enumerate în ordinea crescătoare a specificității).
Toți polimerii de schimb ionic sunt împărțiți în schimbători de ioni insolubili și polielectroliți solubili, în funcție de structura macromoleculelor. Macromoleculele schimbătorilor de ioni insolubili solizi au o structură de rețea tridimensională, polielectroliții solubili - o structură liniară.
Sintetice schimbătoare de ioni sunt produse în industrie prin două metode:
- polimerizarea sau policondensarea compușilor monomeri inițiali care conțin grupări ionogene în molecule;
- introducerea unor grupuri funcționale în structura macromoleculelor de copolimeri ai compușilor vinilaromatici cu dieni (metoda transformărilor polimer-analogice).
Prima metodă este mai avantajoasă, deoarece producția de schimbători de ioni prin transformări chimice ale polimerilor este asociată cu astfel de dificultăți, cum ar fi:
- în mai multe etape;
- intensitatea muncii;
- necesitatea de a utiliza produse toxice;
- posibilitatea distrugerii parțiale a macromoleculelor originale.
În lume, numai o mare varietate de schimbători de cationi și schimbători de anioni se realizează pe baza copolimerilor de stiren cu divinilbenzen (a se vedea mai jos).
Polimerii de reducere a oxidării (capabili atât de transformări de reducere a oxidării, cât și de schimb de ioni) sunt obținuți prin metode de policondensare, polimerizare și transformări analoge polimerice.
Metoda policondensare furnizează polimerii redox pe bază de hidrochinonă, antrachinona, naftochinonă, tiofenolii și aldehide (formaldehida, acetaldehida). De exemplu, prin policondensarea hidrochinonei cu formaldehidă sinteza realizată polimer redox a următoarea structură:
Rășini sintetice sunt utilizate ca sorbenți solizi sunt produse fie sub formă de granule sau sub formă de granule de formă neregulată. Forma optimă a particulei este sferică, ca în acest caz, cu condiția ca cea mai mică rezistență la curgerea fluidului în coloanele, se reduce considerabil pierderea schimbătorului de ioni și, în plus, facilitează posibilitatea proceselor contracurent în stratul „plin“.
Ioniții sub formă de granule de formă sferică se obțin prin polimerizare în suspensie (granulare) sau policondensare. Cu această metodă, nu este nevoie să zdrobiți polimerul.
rășinile convenționale sunt solide sub formă de granule sau granule structură de gel obținute prin polimerizare sau policondensare, au o anumită capacitate de umflare, care este limitată la frecvența și rigiditatea reticulări intermoleculare. În stare uscată și malonabuhshem aceste rășini nu prezintă o porozitate apreciabilă care limitează aplicarea lor în soluții neapoase, precum și sorbție de ioni de rază mare, de exemplu, ionii organici mari.
Creșterea suprafeței reactive și spațiul liber dintre segmentele de polimer pot fi realizate în trei moduri principale: prin halogenare, lungime reglabilă reticulant și adăugarea unui solvent inert.
Halogenarea se realizează prin două metode: amestecul de reacție se adaugă un telogen stiren-dienă (tetraclorură de carbon, alchilbenzeni, alchil fenoli, alcooli, etc.) Pentru a da rășini foarte gonflabili cu un volum al porilor de mare în stare umflată.
În a doua metodă utilizată agenți cu catenă lungă reticulare - diene, dimetacrilații glicoli și bisfenol. Copolimerizarea în prezența unui solvent inert (de exemplu, hidrocarburi sau alcooli superiori) din acesta este reținut în matricea copolimerului rezultat și după îndepărtarea solventului inert din granulele obținute rășini cu un volum al porilor de mare în stare unswollen și suprafața internă dezvoltată. Astfel de schimbători de ioni sunt macroporoși. Pentru a menține structura atunci când acestea umflate ar trebui să conțină cel puțin 15% agent de reticulare.
Suprafața specifică a acestor schimbătoare de ioni este de 20-130 m2 / g, în timp ce pentru structura de ioni de gel nu este de obicei mai mare de 5 m2 / g. Diametrul porilor de ioni ai structurii macroporoase ajunge la 20-100 nm; Porii schimbătorilor de ioni ai structurii gelului au un diametru de cel mult 5 nm.
Ioniții cu pori de aproximativ aceeași dimensiune sunt numiți izoporoși.
În țara noastră, schimbătoarele de ioni sunt desemnate după cum urmează:
- Schimbatoarele de cationi sunt universale (puternic acide);
- KB - schimbători de cation tampon (slab acid);
- KF - schimbătorii de cationi sunt acidul fosforic;
- AB - schimbătoare anionice de înaltă bază (puternic de bază);
- AN - anioni slabi de bază (slabă bază);
- ANBB (anionițe cu bază scăzută, cationi tamponați) - poliamfoliți conținând grupuri slab bazice și slab acide;
- ANCF - poliamfoliți conținând grupuri slab bazice și acid fosforic etc.
Într-o serie de cazuri, schimbătoarele de ioni sunt desemnate pe baza materiilor prime. De exemplu, EDE (etilendiamina, epiclorhidrină), PAN, PEI (poliacrilonitrilice, polietilenimina), VP (vinilpiridină), IMP (methylvinylpyridine) și t. D.
În străinătate, practica desemnării schimbătoarelor de ioni prin nume de firme, fabrici sau orașe este comună. În Rusia, rășinile sunt produse la trei companii: SA "Karbolit" (Kemerovo), SA "Azot" (Kemerovo), CJSC "Uralchimplast" (Nizhny Tagil).
În tabel. 14.29, 14.30 arată datele privind compoziția materiilor prime pentru brandurile naționale de schimbători de ioni.
În funcție de scop, materialele de schimb de ioni sunt împărțite în trei grupe principale:
- insolubili de schimbători de ioni (sorbenți);
- membrană (vezi Tabelul 14.31, 14.32);
- polielectroliți solubili (precipitanți, coagulanți, floculanți, agenți de flotare).
Caracteristicile compoziției materiilor prime pentru schimbătoare de cationi ale mărcilor naționale
Membranele de ioni sunt filme subțiri constând dintr-un polielectrolit insolubil în apă sau un liant și un polielectrolit.
În prezent sunt cunoscute două tipuri principale de membrane: membrane omogene sau monofazate - componenta lor de schimb ionic este o fază continuă continuă; eterogene sau cu două faze - componenta schimbătoare de ioni este dispersată într-un liant inert. Pozițiile intermediare sunt ocupate de membranele interpolimerice, care sunt obținute prin combinarea moleculară a unui schimbător de ioni și a unui liant. Totuși, acestea diferă de membranele omogene de schimb de ioni prin absența unei legături chimice între macromoleculele polielectrolitului și polimerul inert. Aceasta explică eluția treptată a componentei active din membranele interpolymer în timpul funcționării lor pe termen lung. Cea mai mare aplicație industrială este în prezent găsită membranele eterogene de schimbător de ioni datorită simplității procesului și disponibilității componentelor originale.
Un tip de membrană promițătoare sunt membranele de ioni omogene. Acestea au cele mai bune proprietăți fizico-mecanice și au proprietăți electrochimice bune.
Când sunt obținuți, metoda de activare chimică a radiațiilor este de mare importanță.
Iradierea prin radiație a polimerilor se realizează cu ajutorul razelor g, razelor X și electronilor rapizi. copolimeri grefați pot fi preparați prin acțiunea razelor g în diverse moduri, de exemplu, prin iradierea polimerului sub vid, gaz inert sau cu aer, urmată de contactarea polimerului iradiat și monomer; iradiind sistemul polimer-monomer, monomerul este în stare gazoasă sau de iradierea în sistemele de emulsie.
Metoda de radiație altoire permite economică și să ajusteze în mare măsură structura macromoleculară - numărul și lungimea lanțurilor altoi - prin variația debitului dozei și iradiere. Un mare avantaj al acestei metode este faptul că permite vaccinarea produselor finite. Metoda de reacții analoage cu polimer copolimeri grefați (sulfonare, fosforilare, clorometilarea urmată de aminare) obținute membrane schimbătoare de cationi și anioni cu caracteristici omogene electrochimice ridicate.
Fibre și țesături schimbătoare de ioni
Aceste materiale pot funcționa simultan atât ca filtre mecanice, cât și ca filtre de ioni. Astfel de fibre și țesături sunt deosebit de promițătoare pentru proiectarea tehnologică a proceselor de contracurent continuu.
materiale textile de schimb de ioni au o suprafață dezvoltată și, prin urmare, procesele de schimb ionic au loc cu mare viteză, care permite echipamentului de schimb ionic într-un spațiu de economisire prese filtru tip. Acest lucru face posibilă captarea ionilor din soluții și filtrarea mecanică simultană, care, practic, nu poate fi realizat pe coloane schimbătoare de ioni. Țesuturile cu schimb de ioni pot fi, de asemenea, utilizate ca cadre pentru membranele eterogene.
Fibrele și țesăturile schimbătoare de ioni se obțin prin două metode - radiații chimice și chimice. Ca materii prime se utilizează alcool polivinilic, polipropilenă, politetrafluoretilenă, clorură de polivinil, celulozice și alte fibre și țesături. În prima metodă pentru materiale polimerice este grefat dintr-un acrilic lichid sau gaz în fază sau acid metacrilic, metacrilat de metil sau acrilonitril (urmat de saponificare), 4-vinilpiridină, 2-metil-5-vinilpiridină, stiren (urmat de sulfonare, aminare și alte reacții de polimer analog) . În funcție de tipul de monomer preparat anioni și cationi de fibre de schimb și țesături cu o capacitate de 2 până la 7 meq / g. Ioniții care conțin diferite grupări funcționale ( # 139; S03H, # 139; PO3 H2. # 139; COOH, # 139; NH2 etc.) se obțin, de asemenea, prin tratarea chimică a alcoolului polivinilic, a polienului și a fibrelor de celuloză.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: