14. szakasz
14.9.1. Minősítést. Ioncserélők, redoxpolimerek, komplexképző anyagok, membránok, rostok, szövetek
A mátrix természetétől függően az alábbi típusú ioncserélők ismertek:
- természetes vagy mesterséges alumínium-szilikátok (zeolitok, glaukonitok, bentonitok, permutitok stb.);
- szulfonált szén;
- szintetikus ioncserélő polimerek.
A szintetikus ioncserélők használata egyre inkább elterjedt a különböző technológiai területeken. Nagyon képesek ioncserére, aktivitásuk és kémiai ellenálló képességük tekintetében pedig meghaladják az alumínium-szilikátokat és a szulfonált szenet.
Ioniták szerkezetében aktív (ionogén) csoportokat tartalmaznak (görög genetika - "szülni").
A szintetikus ioncserélők három fő csoportra oszthatók: kationcserélők, anioncserélők és amfoter ioncserélők (poliampholyták).
A kationiteket általában olyan polimereknek nevezik, amelyek alkalmasak a pozitív töltésű ionok (kationok) elnyelésére az elektrolitok oldataiból, amelyek savak tulajdonságait mutatják.
Az anioncserélők olyan polimerek, amelyek képesek negatív töltésű ionokat (anionokat) felszívni a megoldásokból és cserélni őket más anionokra. Ezek a bázisok tulajdonságait mutatják.
Amfoter ioncserélők, más néven polyampholytes. a szerkezetben egyidejűleg savas és bázikus ionogén csoportokat tartalmaznak. A körülményektől függően mindkét kationcserélő és anioncserélő megjelenik.
A funkcionális csoportok száma szerint az ionitok a következőkre oszthatók:
A monofunkcionális mindegyik kationcserélő és anioncserélő, amelyek azonos típusú savakat vagy alap típusúakat tartalmaznak.
A polifunkciós ionits tárgya szélesebb csoport ioncserélő anyagok, különösen a bifunkciós kation és anion ioncserélők, mint például a kationcserélő gyanta karboxil és fenolos hidroxil-csoportok. Anioncserélő gyanták által termelt polikondenzációs polifunkciós azért is, mert során a polimer képződését részt vevő funkciós csoportok a kiindulási monomer vegyületek, amelyek mennek keresztül, ahol változásokat. Ioncserélő polifunkciós polimerek közé tartoznak például, anioncserélők, polikondenzációval előállított polifunkciós aminok aldehidekkel, polietilén-poliaminok és epiklórhidrin és mások. Macromolecules ilyen polimerek tartalmaznak mind primer, szekunder és tercier aminocsoportokat.
A polifunkcionális ioncserélők mindegyike poliamfolyták, mivel egyszerre savas és bázikus csoportokat tartalmaznak.
A cserélhető tulajdonságokkal rendelkező polimerek egy speciális csoportja redox polimerek (redox polimerek), amelyek képesek elektroncserére.
Az elektronátadás eredményeképpen vagy a teljes pozitív töltés keletkezik (vagy eltűnik), vagy a pozitív töltésű ion eltűnik (vagy alakul ki). Szemléletileg ez a folyamat a következő formában ábrázolható:
Az ioncserélő anyagok komplexitása anioncserére, kationcserére és amfoterekre oszlik. A gyakorlatban a donor funkciójú (N, U, S, P, As stb.) Atomokat tartalmazó aktív csoportok komplexképző szerek hasadéka gyakori. A legígéretesebbek a komplexképző ioncserélő anyagok, amelyek kelátképző (karomszerű) csoportjai képesek intrakomplex vegyületek kialakítására fémkationnal, például:
ahol R a makromolekuláris polimer keret fragmentuma.
A komplexképző ioncserélők ioncseréjét az abszorbeált kation (központi atom) és a funkcionális csoport (ligandum) közötti koordinációs kötés megjelenése kísérte az ionon kívül. A ligandumok közé tartoznak a karboxil-, iminodiacetát-, glioksimetszén-, foszfonát-, merkaptocsoportok stb. (A csoportok a specifitás növelésével sorolhatók fel).
Minden ioncserélő polimert feloldunk oldhatatlan ioncserélőkre és oldható polielektrolitekre, a makromolekulák szerkezetétől függően. A szilárd oldhatatlan ioncserélők makromolekuláinak háromdimenziós hálózata van, oldható polielektrolitok - lineáris szerkezet.
A szintetikus ioncserélőket két módszerrel állítják elő az iparban:
- a molekulákban ionogén csoportokat tartalmazó kezdeti monomer vegyületek polimerizációja vagy polikondenzációja;
- funkcionális csoportok bevitele a vinil-aromás vegyületek kopolimerjeinek makromolekulákkal diénekkel (polimer-analóg transzformációk módszerével).
Az első módszer célszerűbb, mivel az ioncserélők polimerek kémiai átalakításával történő előállítása olyan nehézségekkel jár, mint:
- többlépcsős;
- munkaintenzitás;
- toxikus termékek használatának szükségessége;
- az eredeti makromolekulák részleges megsemmisítésének lehetősége.
A világon csak a kationcserélők és anioncserélők széles választékát állítják elő sztirol és divinil-benzol kopolimerjei alapján (lásd alább).
Az oxidáció-redukáló polimereket (amelyek képesek mind az oxidáció-redukciós transzformációkra, mind az ioncserére) polikondenzációval, polimerizációval és polimer-analóg transzformációkkal állíthatók elő.
polikondenzációs eljárás biztosítja a redox alapuló polimerek hidrokinon, az antrakinon, naftokinon, tiofenolok és aldehidek (formaldehid, acetaldehid). Például, polikondenzációval hidrokinon formaldehiddel végrehajtott szintézist redox polimer szerkezete a következő:
Szintetikus gyanták használatosak szilárd szorbenseket elő sem formájában pelletek formájában vagy szemcsék szabálytalan alakú. Az optimális részecske alakja gömb, mint ebben az esetben, feltéve, hogy a legkisebb ellenállás folyadék áramlását az oszlopokban, jelentősen csökkenti veszteség az ioncserélőt, és ezenkívül, megkönnyíti a lehetőségét ellenáramú folyamatok a „teljes” réteg.
A gömb alakú granulátumok formájában lévő ionokat szuszpenziós (szemcsés) polimerizációval vagy polikondenzációval nyerik. Ezzel a módszerrel nincs szükség a polimer összetörésére.
A polimerizációval vagy polikondenzációval kapott gélszerkezet szemcsék vagy granulátumok formájában lévő hagyományos szilárd ioncserélők bizonyos duzzadási képességgel rendelkeznek, amelyet az intermolekuláris keresztkötések gyakorisága és merevsége korlátoz. Száraz és enyhén duzzadt állapotban ezek az ionok nem mutatnak jelentős porozitást, ami korlátozza azok alkalmazását nem vizes oldatokban, valamint nagy sugárú ionok, például nagy szerves ionok szorpciójára.
A reaktív felület növekedése és a polimer szegmensek közötti szabad tér három fő módon valósítható meg: halogénezéssel, a térhálósító szer hosszának beállításával és közömbös oldószer hozzáadásával.
A halogénezést úgy végezzük, hogy két módszer: a reakcióelegyet hozzáadjuk egy sztirol-dién telogén (szén-tetraklorid, alkil-benzolok, alkil-fenolok, alkoholok, stb) Ahhoz, hogy erősen duzzadó gyanták nagy pórustérfogata a duzzadt állapotban.
A második módszer a térhálósító szerek a hosszú láncú - diének, dimetakrilátok glikolok és biszfenolok. A kopolimerizáció jelenlétében inert oldószerben (például szénhidrogének vagy magasabb alkoholok) belőle megmarad a mátrixban a kapott kopolimer, és eltávolítása után az inert oldószert a kapott granulátum gyanták nagy pórustérfogata a nem duzzadt állapotban, és a belső fejlett felülete. Az ilyen ioncserélők makropórusosak. Ahhoz, hogy a szerkezet, ha duzzadt azokat legalább 15% térhálósító.
Az ilyen ioncserélők fajlagos felülete 20-130 m 2 / g, míg a gél-ionok esetében általában nem haladja meg az 5 m 2 / g értéket. A makroporos szerkezetű ionites pórusok átmérője 20-100 nm; A gélszerkezet ioncserélőinek pórusai átmérője legfeljebb 5 nm lehet.
A körülbelül azonos méretű pórusokat tartalmazó ionitokat izopórusnak nevezik.
Hazánkban az ioncserélőket a következőképpen jelölik:
- A CU - kationcserélők univerzálisak (erősen savasak);
- KB - puffer kationcserélők (gyengén savasak);
- KF - kationcserélők a foszforsav;
- AB - magas bázisú anioncserélők (erősen alap);
- AN - anionites low-basic (gyengén bázikus);
- ANBB (alacsony bázisú anionitok, pufferolt kationitok) - gyengén bázikus és gyengén savas csoportokat tartalmazó poliamfolinek;
- ANCF - gyengén bázikus és foszforsavcsoportokat tartalmazó poliamfolyták stb.
Számos esetben az ioncserélőket a nyersanyagbázis határozza meg. Például, EDE (etilén-diamin, epiklórhidrin), PAN, PEI (poliakrilnitril, polietilénimin), VP (vinil-piridin), IMP (methylvinylpyridine) és t. D.
Külföldön gyakoriak a cégek, gyárak és városok nevei szerinti ioncserélők jelölése. Oroszországban három vállalat gyárt ioncserélőket: Karbolit OJSC (Kemerovo), Azot OJSC (Kemerovo), Uralchimplast (Nizhny Tagil).
A táblázatban. 14,29, 14,30 bemutatja az alapanyag összetételére vonatkozó adatokat a hazai márkájú ioncserélők számára.
A céltól függően az ioncserélő anyagok három fő csoportra oszthatók:
- oldhatatlan ioncserélők (szorbensek);
- membrán (lásd 14.31., 14.32.
- oldható polielektrolitok (lecsapók, koagulánsok, flocculánsok, flotációs szerek).
A hazai márkák kationcserélőinek nyersanyag összetételének jellemzői
A iont membránok vékony filmek, amelyek vízben oldhatatlan polielektrolitból vagy kötőanyagból és polielektrolitból állnak.
Jelenleg két fő típusú membránról van szó: homogén vagy egyfázisú membránok - ioncserélő komponensük folyamatos folyamatos fázis; heterogén vagy kétfázisú membránok - az ioncserélő komponensüket inert kötőanyagban diszpergálják. A közbenső pozíciókat interpolimer membránok foglalják el, amelyeket egy ioncserélő és egy kötőanyag molekuláris kombinációjával nyernek. Azonban különböznek a homogén ioncserélő membránoktól a polielektrolit és az inert polimer makromolekula közötti kémiai kötés hiányában. Ez megmagyarázza az aktív komponens fokozatos elúcióját az interpolimer membránokból a hosszú távú működésük során. A legnagyobb ipari alkalmazást jelenleg heterogén ioncserélő membránok alkotják, mivel a folyamat egyszerűsége és az eredeti alkatrészek rendelkezésre állása miatt.
A membránok ígéretes típusa homogén ionit membránok. A legmagasabb fiziko-mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és jó elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.
Amikor ezeket előállítják, a sugárzáskémiai aktiválási módszer nagy jelentőséggel bír.
A polimerek sugárzás besugárzását röntgensugarak, röntgensugarak és gyors elektronok segítségével végzik. Az ojtásos kopolimereket különféle módon készíthetjük g-sugarakká, például a polimer vákuumban, inert gázban vagy levegőben történő besugárzásával, majd a besugárzott polimer és monomer érintkezésével; polimer-monomer rendszer besugárzása, ha a monomer gázállapotú, vagy emulziós rendszerekben történő besugárzás.
Sugárzás ojtási eljárás lehetővé teszi a gazdaságos és nagyrészt állítsa be a makromolekuláris szerkezetet - számát és hosszát ojtott láncokat - változtatásával a dózis mértéke és a besugárzás. Ennek a módszernek nagy előnye, hogy lehetővé teszi a vakcinázást a késztermékeken. A módszer a polimer-analóg reakciókkal ojtott kopolimerek (szulfonálás, foszforilezés, klórmetilezés majd amináljuk) kapott kation és anioncserélő membránokat egy homogén, nagy elektrokémiai jellemzőkkel.
Ioncserélő szálak és szövetek
Ezek az anyagok egyszerre működhetnek mind mechanikai, mind ioncserélő szűrőként. Az ilyen rostok és szövetek különösen ígéretesek a folyamatos ellenáramú folyamatok technológiai tervezéséhez.
Ioncserélő textilanyagok jelen van a fejlett felület, ezért az ioncserélő eljárások állnak elő nagy sebességgel, amely lehetővé teszi az ioncserélő berendezés helytakarékos típusú szűrő prések. Ez lehetővé teszi, hogy elfog ionok megoldások és egyidejű mechanikai szűrés, amely gyakorlatilag nem lehet elérni ioncserélő oszlopon. Az ioncserélő szövetek heterogén membránok keretei is lehetnek.
Ioncserélő szálakat és szöveteket két módszerrel állítanak elő - sugárzás-vegyi és vegyi anyagok. A kiindulási anyagként felhasznált polivinil-alkohol, polipropilén, politetrafluoretilén, polivinil-klorid, cellulóz és más szálak és textíliák. Az első módszer a polimer anyagok ojtott egy folyékony vagy gáz fázisú akrilsav vagy metakrilsav, metil-metakrilát, vagy akrilnitril (majd elszappanosítás), 4-vinil-piridin, 2-metil-5-vinil-piridin, sztirol (majd szulfonálás, aminálással és más polimer-analóg reakciók) . Attól függően, hogy milyen típusú monomer elő anion- és kationcserélő szálak és textíliák, amelyek kapacitása 2-7 mekv / g. Különböző funkcionális csoportokat tartalmazó ionokat ( # 139; SO3H, # 139; PO3H2. # 139; COOH, # 139; NH2 stb.) Polivinil-alkohol, polién és cellulózrostok kémiai kezelésével is előállíthatók.