ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงาน การบำบัดน้ำด้วยแม่เหล็ก

ความจุการแลกเปลี่ยนเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนเป็นคุณลักษณะทางเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุด ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนถูกกำหนดตามที่ทราบโดยการมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชันในตัวแลกเปลี่ยนไอออนซึ่งในตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกจะมีสภาพเป็นกรดในธรรมชาติ - SO 3 H (กลุ่มซัลโฟ), -COOH (กลุ่มคาร์บอกซิล) และในตัวแลกเปลี่ยนไอออน - พื้นฐาน แคตไอออนที่มีฟังก์ชันเดียวที่มีหมู่ซัลโฟจะมีสภาพเป็นกรดสูง (แยกตัวออกอย่างแรง) ในขณะที่แคตไอออนที่มีหมู่คาร์บอกซิลจะมีสภาพเป็นกรดอ่อน (แยกตัวออกอย่างอ่อน) เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกของกรดแก่ (เช่น KU-2-8) แลกเปลี่ยนไอออนที่ค่า pH เกือบทุกค่า เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันของพวกมันแยกตัวออกจากกัน เช่น กรดแก่ ที่ค่า pH ใดๆ ก็ตาม หมู่ฟังก์ชันที่เป็นกรดอ่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดจะยังคงอยู่ในสถานะที่ไม่แยกจากกัน ซึ่งจะลดความสามารถของตัวแลกเปลี่ยนคาร์บอกซิลไอออนบวก (ชนิด KB) ในการแลกเปลี่ยนไอออนลงอย่างมากภายใต้สภาวะดังกล่าว ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้เมื่อแปรรูปสารละลายที่มีค่า pH ³ 7 เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก "ถ่านหินซัลฟอน" มีกลุ่มฟังก์ชันทั้งสองประเภท ดังนั้นจึงจัดอยู่ในประเภทเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรดปานกลาง

กลุ่มการทำงานของตัวแลกเปลี่ยนไอออนคือเอมีนต่างๆ (-NH 2, =NH, ºN) ซึ่งจัดเรียงตามลำดับพื้นฐานที่เพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับกลุ่มเบสควอเทอร์นารีแอมโมเนียม (-NR 3 OH) เมื่อเพิ่มสามกลุ่มแรกเข้าไป ตัวแลกเปลี่ยนประจุลบที่เป็นพื้นฐานระดับอ่อนจะถูกสร้างขึ้น และกลุ่ม -NR 3 OH จะทำให้ตัวแลกเปลี่ยนประจุลบมีคุณลักษณะพื้นฐานที่แข็งแกร่ง หมู่อะมิโนสามารถยึดไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างสารเชิงซ้อน -NH 3 , =NH 2 (ไอออนที่ก่อตัวที่มีศักยภาพ) พร้อมกับการก่อตัวของชั้นประจุที่กระจายตามมา เนื่องจากหมู่อะมิโนเชิงฟังก์ชันมีพื้นฐานต่ำ ตัวแลกเปลี่ยนประจุลบพื้นฐานแบบอ่อนจึงมีประสิทธิภาพเฉพาะในเท่านั้น สภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและสามารถดำเนินการได้ การแลกเปลี่ยนไอออนเฉพาะกับแอนไอออนของกรดแก่ (Cl -, SO 4 2-, NO 3 -)

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนพื้นฐานอย่างแรง (แยกตัวออกอย่างแรง) ที่มีกลุ่ม -NR 3 OH จะเข้าสู่ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนกับแอนไอออนของกรดทั้งกรดแก่และกรดอ่อน (เช่น HCO 3 -, HSiO 3) ในช่วงค่า pH ที่หลากหลาย ในบรรดาเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนพื้นฐานที่แข็งแกร่ง มีเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนประเภท 1 กลุ่มการทำงาน-N(CH 3) 3 OH และประเภท 2 กับหมู่ -N(CH 3) 2 (CH 2 CH 2 OH)OH ความแตกต่างของพวกเขาก็คือตัวแลกเปลี่ยนไอออนชนิดที่ 2 จะดูดซับ HSiO 3 - ไอออนจะแย่กว่า แต่มีความสามารถในการแลกเปลี่ยนที่สูงกว่าและความสามารถในการสร้างใหม่ได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับตัวแลกเปลี่ยนไอออนชนิดที่ 1

เมื่อกลับไปสู่แนวคิดเรื่อง "ความสามารถในการแลกเปลี่ยน" ของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน เราสังเกตว่าในทางปฏิบัติมีความแตกต่างกัน ความจุการแลกเปลี่ยนเต็มและ ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงาน- ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งแสดงเป็นปริมาณเทียบเท่าต่อหน่วยปริมาตรของเรซิน จะถูกกำหนดโดยจำนวนกลุ่มฟังก์ชันที่กราฟต์ลงบนเมทริกซ์ มูลค่าโดยประมาณของความสามารถในการแลกเปลี่ยนทั้งหมด ( อี n) สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน ประเภทต่างๆจะได้รับในตาราง 4.2.

มะเดื่อ การเปรียบเทียบ PDOE แบบไดนามิกทั้งหมดและความสามารถในการแลกเปลี่ยนแบบไดนามิกของ DOE พื้นที่แรเงา A สอดคล้องกับ DOE และพื้นที่ทั้งหมดที่อยู่เหนือเส้นโค้ง เมื่อคำนึงถึงการรั่วไหลของเกลือ สอดคล้องกับ PDOE

หัวกะทิ

หัวกะทิหมายถึงความสามารถในการเลือกดูดซับไอออนจากสารละลาย องค์ประกอบที่ซับซ้อน- หัวกะทิถูกกำหนดโดยประเภทของหมู่ไอออน จำนวนการเชื่อมโยงข้ามของเมทริกซ์ตัวแลกเปลี่ยนไอออน ขนาดรูพรุน และองค์ประกอบของสารละลาย สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนส่วนใหญ่ การคัดเลือกจะต่ำ แต่มีการพัฒนาตัวอย่างพิเศษที่มี ความสามารถสูงเพื่อสกัดไอออนบางชนิด

ความแข็งแรงทางกล

แสดงความสามารถของตัวแลกเปลี่ยนไอออนในการทนต่อความเค้นเชิงกล เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนได้รับการทดสอบการเสียดสีในโรงสีพิเศษหรือโดยน้ำหนักของภาระที่ทำลายอนุภาคจำนวนหนึ่ง เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนโพลีเมอไรเซชันทั้งหมดมีความแข็งแรงสูง สำหรับกระบวนการโพลีคอนเดนเซชันนั้นมีค่าต่ำกว่ามาก การเพิ่มระดับการเชื่อมโยงข้ามของโพลีเมอร์จะเพิ่มความแข็งแรง แต่จะทำให้อัตราการแลกเปลี่ยนไอออนแย่ลง

เสถียรภาพออสโมติก

การทำลายอนุภาคตัวแลกเปลี่ยนไอออนครั้งใหญ่ที่สุดเกิดขึ้นเมื่อลักษณะของสภาพแวดล้อมที่อนุภาคนั้นตั้งอยู่เปลี่ยนไป เนื่องจากตัวแลกเปลี่ยนไอออนทั้งหมดเป็นเจลที่มีโครงสร้าง ปริมาตรจึงขึ้นอยู่กับปริมาณเกลือ ค่า pH ของตัวกลาง และรูปแบบไอออนิกของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน เมื่อลักษณะเหล่านี้เปลี่ยนไป ปริมาตรเกรนจะเปลี่ยนไป เนื่องจากเอฟเฟกต์ออสโมติกปริมาตรของเมล็ดพืชในสารละลายเข้มข้นจึงน้อยกว่าในสารละลายเจือจาง อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกัน แต่เนื่องจากความเข้มข้นของสารละลาย "ใหม่" อยู่ในระดับทั่วทั้งปริมาตรเกรน นั่นเป็นเหตุผล ชั้นนอกหดตัวหรือขยายตัวเร็วกว่าแกนอนุภาค ใหญ่ ความเครียดภายในและชั้นบนสุดบิ่นหรือเมล็ดข้าวทั้งหมดถูกแยกออก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "ออสโมติกช็อก" ตัวแลกเปลี่ยนไอออนแต่ละตัวสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงลักษณะสิ่งแวดล้อมดังกล่าวได้หลายรอบ สิ่งนี้เรียกว่าความแรงหรือความเสถียรของออสโมติก

การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเกิดขึ้นในเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรดอ่อน การปรากฏตัวของมาโครพอร์ในโครงสร้างของเกรนตัวแลกเปลี่ยนไอออนจะเพิ่มพื้นผิวการทำงาน เร่งการขยายตัวมากเกินไป และทำให้แต่ละชั้นสามารถ "หายใจ" ได้ ดังนั้น ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่มีความเป็นกรดสูงซึ่งมีโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่จึงมีความเสถียรทางออสโมติกมากที่สุด และเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่มีความเป็นกรดอ่อนจะมีความเสถียรทางออสโมติกน้อยที่สุด

เสถียรภาพออสโมติกหมายถึงจำนวนเมล็ดธัญพืชหารด้วยจำนวนเริ่มต้นทั้งหมด หลังจากบำบัดตัวอย่างตัวแลกเปลี่ยนไอออนซ้ำแล้วซ้ำอีก (150 ครั้ง) สลับกันในสารละลายกรดและด่างด้วยการล้างขั้นกลางด้วยน้ำปราศจากแร่ธาตุ

ความเสถียรทางเคมี

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนทั้งหมดมีความต้านทานต่อสารละลายกรด ด่าง และตัวออกซิไดซ์ในระดับหนึ่ง เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนแบบโพลีเมอไรเซชันทั้งหมดมีความทนทานต่อสารเคมีได้ดีกว่าตัวแลกเปลี่ยนไอออนแบบโพลีคอนเดนเซชัน ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกมีความทนทานมากกว่าตัวแลกเปลี่ยนไอออน ในบรรดาเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน สารที่เป็นเบสอ่อนจะทนทานต่อกรด ด่าง และสารออกซิไดซ์ได้ดีกว่าตัวที่เป็นเบสอย่างแรง

ความเสถียรของอุณหภูมิ

ความคงตัวของอุณหภูมิของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกนั้นสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกของกรดอ่อนทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 130 ° C ตัวแลกเปลี่ยนกรดแก่เช่น KU-2-8 - สูงถึง 100-120 ° C และเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนส่วนใหญ่ - ไม่สูงกว่า 60, สูงสุด 80 ° C ในกรณีนี้ ตามกฎแล้ว เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนในรูปแบบ H หรือ OH จะมีความเสถียรน้อยกว่าเกลือ

การทำให้น้ำอ่อนลงทำได้โดยใช้วิธีการดังต่อไปนี้: ความร้อน, ขึ้นอยู่กับน้ำร้อน, การกลั่นหรือการแช่แข็ง; วิธีรีเอเจนต์ ซึ่งไอออน Ca (II) และ Mg (II) ที่มีอยู่ในน้ำถูกผูกมัดด้วยรีเอเจนต์ต่างๆ ให้เป็นสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำในทางปฏิบัติ การแลกเปลี่ยนไอออน โดยอาศัยการกรองน้ำอ่อนตัวผ่านวัสดุพิเศษที่แลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นส่วนประกอบของ Na (I) หรือ H (I) เป็นไอออน Ca (II) และ Mg (II) ที่มีอยู่ในน้ำ การล้างไต; รวมกันซึ่งแสดงถึงการผสมผสานต่างๆ ของวิธีการที่ระบุไว้

เป็นที่ทราบกันว่า ลักษณะที่สำคัญที่สุด น้ำจืดคือความแข็งแกร่งของมัน ความกระด้างหมายถึงจำนวนมิลลิกรัมเทียบเท่าของแคลเซียมหรือแมกนีเซียมไอออนในน้ำ 1 ลิตร ความแข็ง 1 mEq/l สอดคล้องกับปริมาณ Ca2+ 20.04 มก. หรือ 12.16 มก. Mg2+ ตามระดับความกระด้าง น้ำดื่มแบ่งออกเป็น อ่อนมาก (0–1.5 mEq/L) อ่อน (1.5–3 mEq/L) ความกระด้างปานกลาง (3–6 mEq/L) แข็ง (6–9 mEq /l) และแข็งมาก (มากกว่า 9 mEq/l) น้ำที่มีความกระด้าง 1.6–3.0 mEq/L มีคุณสมบัติด้านรสชาติที่ดีที่สุด และตาม SanPiN 2.1.4.1116–02 น้ำที่มีความสมบูรณ์ทางสรีรวิทยาควรมีเกลือที่มีความกระด้างที่ระดับ 1.5–7 mEq/L อย่างไรก็ตาม เมื่อความกระด้างของน้ำสูงกว่า 4.5 mEq/l การสะสมของตะกอนอย่างเข้มข้นจะเกิดขึ้นในระบบน้ำประปาและบนท่อประปา และการทำงานของเครื่องใช้ในครัวเรือนจะหยุดชะงัก โดยทั่วไป การอ่อนตัวจะดำเนินการโดยมีความแข็งตกค้างอยู่ที่ 1.0–1.5 mEq/l ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานต่างประเทศสำหรับการใช้งานเครื่องใช้ในครัวเรือน น้ำที่มีความกระด้างต่ำกว่า 0.5 mEq/l จะกัดกร่อนท่อและหม้อต้มน้ำ และสามารถชะล้างคราบสกปรกในท่อที่สะสมอยู่เมื่อน้ำนิ่งเป็นเวลานานในระบบจ่ายน้ำ สิ่งนี้นำมาซึ่งรูปลักษณ์ภายนอก กลิ่นอันไม่พึงประสงค์และรสชาติของน้ำ

การเลือกวิธีการทำให้อ่อนตัวนั้นพิจารณาจากคุณภาพของน้ำ ความลึกที่ต้องการในการทำให้อ่อนตัว รวมถึงข้อพิจารณาทางเทคนิคและเศรษฐกิจที่แสดงไว้ในตารางด้านล่าง

การทำให้น้ำอ่อนลงด้วยไอออนบวกนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การแลกเปลี่ยนไอออน สาระสำคัญคือความสามารถของวัสดุแลกเปลี่ยนไอออนหรือตัวแลกเปลี่ยนไอออนในการดูดซับไอออนบวกจากน้ำเพื่อแลกกับไอออนตัวแลกเปลี่ยนไอออนในปริมาณที่เท่ากัน ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกแต่ละตัวมีความสามารถในการแลกเปลี่ยนที่แน่นอน ซึ่งแสดงด้วยจำนวนไอออนบวกที่ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกสามารถแลกเปลี่ยนได้ในระหว่างรอบการกรอง ความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนวัดเป็นกรัมเทียบเท่าของแคตไอออนที่สะสมไว้ต่อ 1 ลูกบาศก์เมตรของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนในสถานะบวม (ทำงาน) หลังจากอยู่ในน้ำ กล่าวคือ ในสถานะที่ตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนอยู่ในกรอง มีการแยกความแตกต่างระหว่างความสามารถในการแลกเปลี่ยนเต็มและความสามารถในการแลกเปลี่ยนที่ทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก ความสามารถในการแลกเปลี่ยนทั้งหมดคือปริมาณแคลเซียมและแมกนีเซียมไอออนบวกที่สามารถกักเก็บเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกได้ 1 ลูกบาศก์เมตรในสภาพการทำงาน จนกระทั่งเปรียบเทียบความกระด้างของน้ำกรองกับความกระด้างของน้ำจากแหล่ง ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนคือปริมาณแคตไอออนของ Ca+2 และ Mg+2 ที่จะคงตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนไว้ 1 ลูกบาศก์เมตร จนกว่าแคตไอออนของเกลือที่มีความแข็งจะ “ทะลุ” เข้าไปในน้ำกรอง ความสามารถในการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับปริมาตรทั้งหมดของตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่โหลดลงในตัวกรองเรียกว่าความสามารถในการดูดซับ

เมื่อน้ำถูกส่งจากบนลงล่างผ่านชั้นเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวก น้ำจะอ่อนตัวลงและสิ้นสุดที่ความลึกระดับหนึ่ง ชั้นแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่ทำให้น้ำอ่อนตัวลงเรียกว่าชั้นทำงานหรือโซนอ่อนตัว ด้วยการกรองน้ำเพิ่มเติม ชั้นบนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกจะหมดลงและสูญเสียความสามารถในการแลกเปลี่ยน ชั้นล่างของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนจะเข้าสู่การแลกเปลี่ยนไอออน และโซนอ่อนตัวจะค่อยๆ ลดลง หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง จะสังเกตได้ 3 โซน: โซนทำงาน โซนหมด และอุปกรณ์แลกเปลี่ยนแคตไอออนสด ความแข็งของการกรองจะคงที่จนกระทั่งขอบเขตล่างของโซนอ่อนตัวเกิดขึ้นพร้อมกับชั้นล่างของเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวก ในช่วงเวลาของการรวมกัน “ความก้าวหน้า” ของแคตไอออน Ca+2 และ Mg+2 จะเริ่มต้นขึ้น และความแข็งที่เหลือจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งกลายเป็น ความแข็งเท่ากันแหล่งน้ำ ซึ่งบ่งชี้ว่าตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนหมดสิ้นลงโดยสมบูรณ์ ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงานของตัวกรอง Er gτeq/m3 สามารถแสดงได้ดังนี้: Er = QLi; Ep = Ep Vk.

ปริมาตรของเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่ใส่เข้าไปในตัวกรองในสถานะบวม Vк = ахк

สูตรสำหรับกำหนดความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก gτeq/m3: e = QLi /ahk; โดยที่ Zhi คือความกระด้างของแหล่งน้ำ, gτeq/m3; Q - ปริมาณน้ำอ่อนตัว m3; a คือพื้นที่ของตัวกรองการแลกเปลี่ยนไอออนบวก m2; hk - ความสูงของชั้นตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวก, m

เมื่อกำหนดอัตราการกรองน้ำในตัวกรองแลกเปลี่ยนไอออนบวก vk ปริมาณน้ำอ่อนตัวสามารถพบได้โดยใช้สูตร: Q = vk aTk = eahk /Zhi; จากที่เราค้นหาระยะเวลาการทำงานของตัวกรองแลกเปลี่ยนไอออนบวก (ช่วงการฟื้นฟูระหว่างกัน) โดยใช้สูตร: Tk = ерhк /vк Ж

เมื่อความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงานของตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนหมดลง ก็จะได้รับการฟื้นฟู กล่าวคือ คืนค่าความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่หมดลงโดยผ่านสารละลายเกลือแกง

ใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการทำให้น้ำอ่อนตัว เรซินแลกเปลี่ยนไอออนซึ่งเป็นสารที่ไม่ละลายน้ำโพลีเมอร์สังเคราะห์พิเศษซึ่งมีกลุ่มไอออนิกที่มีลักษณะเป็นกรดในโครงสร้าง - SO3Na (ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกของกรดแก่) เรซินแลกเปลี่ยนไอออนแบ่งออกเป็นแบบเฮเทอโรพอรัส, รูพรุนขนาดใหญ่ และไอโซโพรัส เรซินที่มีรูพรุนที่มีพื้นฐานจาก Divinylbenzene มีลักษณะเฉพาะด้วยโครงสร้างคล้ายเจลที่ต่างกันและมีรูพรุนขนาดเล็ก Macroporous มีโครงสร้างเป็นรูพรุนและมีรูพรุนมากกว่าขนาดโมเลกุล มีไอโซพอรัส โครงสร้างที่เป็นเนื้อเดียวกันและประกอบด้วยเรซินทั้งหมด ดังนั้นความสามารถในการแลกเปลี่ยนจึงสูงกว่าเรซินรุ่นก่อน ๆ คุณภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติทางกายภาพ ความต้านทานต่อสารเคมีและความร้อน ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงาน ฯลฯ คุณสมบัติทางกายภาพเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเศษส่วน ความแข็งแรงเชิงกล และ ความหนาแน่นรวม(บวม). ส่วนประกอบที่เป็นเศษส่วน (หรือเกรน) จะแสดงคุณลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก ถูกกำหนดโดยการวิเคราะห์ตะแกรง สิ่งนี้คำนึงถึง ขนาดกลางเมล็ดข้าว ระดับความสม่ำเสมอ และปริมาณฝุ่นละอองที่ไม่เหมาะสมต่อการใช้งาน

เครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนแบบละเอียดซึ่งมีพื้นผิวที่ได้รับการพัฒนามากขึ้น มีความสามารถในการแลกเปลี่ยนสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนแบบหยาบเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เมื่อเม็ดตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนลดลง ความต้านทานไฮดรอลิกและการใช้พลังงานสำหรับการกรองน้ำก็จะเพิ่มขึ้น ขนาดที่เหมาะสมที่สุดตามการพิจารณาเหล่านี้ เม็ดแลกเปลี่ยนไอออนบวกจะอยู่ในช่วง 0.3...1.5 มม. ขอแนะนำให้ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออนที่มีค่าสัมประสิทธิ์ความหลากหลาย Kn = 2

ให้เรานำเสนอคุณลักษณะของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกบางชนิด ในบรรดาเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรดสูงที่ผลิตในประเทศที่ได้รับการอนุมัติให้ใช้ในระบบประปาในครัวเรือนและน้ำดื่ม KU-2–8chS สามารถแยกแยะได้ ได้มาจากซัลโฟเนชันของโคโพลีเมอร์เม็ดละเอียดของสไตรีนที่มีไดไวนิลเบนซีน 8% KU-2-8chS มีโครงสร้างและคุณสมบัติใกล้เคียงกับเครื่องแลกเปลี่ยนซัลโฟนิกไอออนบวกที่มีความบริสุทธิ์พิเศษต่อไปนี้: amberlight IRN-77 (USA), zerolit 325 NG (อังกฤษ), dauex HCR-S-Н (USA), duolight ARC- 351 (ฝรั่งเศส) , Wofatitu RH (เยอรมนี) โดย รูปร่าง- เม็ดทรงกลมจากสีเหลืองถึง สีน้ำตาลขนาด 0.4–1.25 มม. ปริมาตรจำเพาะไม่เกิน 2.7 ลูกบาศก์เซนติเมตร/กรัม ความสามารถในการแลกเปลี่ยนคงที่เต็มที่อย่างน้อย 1.8 gəeq/l, นาที, ความสามารถในการแลกเปลี่ยนแบบไดนามิกพร้อมการสร้างใหม่เต็มรูปแบบอย่างน้อย 1.6 geq/l

ปัจจุบันมีการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกของกรดแก่จากบริษัท Purolight กันอย่างแพร่หลาย: C100, S100E, S120E (อะนาล็อกของเรซินในประเทศ KU-2-8, KU-2-8chS) มีการใช้เรซินแลกเปลี่ยนไอออนจากบริษัท Purolight C100E Ag (ความสามารถในการแลกเปลี่ยน 1.9 gəeq/l มวลรวม 800–840 g/l) ซึ่งเป็นตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่ประกอบด้วยเงินสำหรับการทำให้น้ำอ่อนตัว ซึ่งมีฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรีย มีอะนาล็อกในประเทศของ KU-23S - เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่มีรูพรุนขนาดใหญ่พร้อมฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรีย (ความจุการแลกเปลี่ยนแบบคงที่ 1.25 g τeq/l ความหนาแน่นรวม 830–930 g/l)

ใช้สำหรับทำให้อ่อนลง น้ำดื่มทั้งในอุตสาหกรรมและในชีวิตประจำวัน เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก Purofine C100EF - มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับเรซินทั่วไปสำหรับการปรับสภาพน้ำอ่อนตัว มีความสามารถในการทำงานที่สูงขึ้นมากที่อัตราการไหลปกติ ความสามารถในการทำงานเพิ่มขึ้นที่อัตราการไหลสูง โดยมีการไหลที่แตกต่างกันและไม่ต่อเนื่อง ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมขั้นต่ำคือ 2.0 gτeq/l ลักษณะเฉพาะของเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออน C100EF คือต้องการปริมาณและปริมาณรีเจนเนอเรนท์ (NaCl) น้อยกว่า

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรดสูง IONAC/C 249 ใช้ในการทำให้น้ำอ่อนตัวลงสำหรับใช้ในบ้านและในเทศบาล ความจุแลกเปลี่ยน 1.9 geq/l.

การทำให้น้ำอ่อนลงโดยใช้วิธีแลกเปลี่ยนโซเดียมไอออนบวกโดยใช้เรซินที่ระบุ (ความกระด้างของน้ำลดลงเมื่อมีโซเดียมไอออนบวก 1 ขั้นเป็น 0.05...0.1 โดยมีการแลกเปลี่ยนโซเดียมไอออนบวก 2 ขั้นเป็น 0.01 มก.эeq/l) มีคำอธิบายดังต่อไปนี้ ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยน:
(ดูฉบับพิมพ์)

หลังจากที่ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงานของตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนหมดลง จะสูญเสียความสามารถในการทำให้น้ำอ่อนตัวลงและจะต้องสร้างใหม่ กระบวนการทำให้น้ำอ่อนลงโดยใช้ตัวกรองแลกเปลี่ยนไอออนบวกประกอบด้วยดังต่อไปนี้: การดำเนินการตามลำดับ: กรองน้ำผ่านชั้นเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกจนกระทั่งถึงความแข็งสูงสุดที่อนุญาตในการกรอง (ความเร็วในการกรองภายใน 10...25 ม./ชม.) การคลายตัวของชั้นตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนด้วยการไหลที่เพิ่มขึ้นของน้ำอ่อนตัว ใช้ในการสร้างใหม่หรือน้ำล้าง (ความเข้มของการไหล 3...4 ลิตร/(ซม.2) ลดชั้นน้ำลงเพื่อหลีกเลี่ยงการเจือจางของสารละลายที่สร้างใหม่ การสร้างตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออนขึ้นใหม่โดยการกรอง สารละลายที่เหมาะสม (ความเร็วในการกรอง 8...10 ม./ชม.) โดยปกติการฟื้นฟูจะใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง โดยในจำนวนนี้ 10...15 นาทีสำหรับการคลายตัว 25...40 นาทีสำหรับการกรองสารละลายที่สร้างใหม่ และ 30.. .60 นาทีสำหรับการซัก

กระบวนการฟื้นฟูอธิบายได้จากปฏิกิริยา:
(ดูฉบับพิมพ์)

ในทางปฏิบัติ มีการจำกัดการส่งเกลือหนึ่งครั้งเมื่อความกระด้างของน้ำอ่อนตัวสูงถึง 0.20 mEq/l หรือสองครั้ง - เมื่อความกระด้างต่ำกว่า 0.05 mEq/l

ซี.โอ.เค. ยังไม่มีข้อความ 10 | 2545
หมวดหมู่:ประปาและประปา
Lavrushina Yu.A., Ph.D., หัวหน้าหน่วยงานอิสระที่ได้รับการรับรอง ห้องปฏิบัติการทดสอบโดยการวิเคราะห์

กระบวนการจำนวนมากที่เกิดขึ้นในธรรมชาติและในทางปฏิบัติคือการแลกเปลี่ยนไอออน การแลกเปลี่ยนไอออนรองรับการอพยพขององค์ประกอบในดินและร่างกายของสัตว์และพืช ในอุตสาหกรรมนั้น ใช้สำหรับการแยกและการผลิตสาร การแยกเกลือออกจากน้ำ การบำบัดน้ำเสีย ความเข้มข้นของสารละลาย ฯลฯ การแลกเปลี่ยนไอออนสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกันและในระบบที่ต่างกัน ใน ในกรณีนี้ภายใต้ การแลกเปลี่ยนไอออนเข้าใจกระบวนการต่างกันซึ่งการแลกเปลี่ยนเกิดขึ้นระหว่างไอออนในสารละลายและในสถานะของแข็งเรียกว่า เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนหรือเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน- เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะดูดซับไอออนจากสารละลาย และจะปล่อยไอออนที่อยู่ในโครงสร้างกลับคืนสู่สารละลาย

3.5.1. การจำแนกประเภทและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน

ตัวดูดซับแลกเปลี่ยนไอออน, ตัวแลกเปลี่ยนไอออนเหล่านี้เป็นโพลีอิเล็กโตรไลต์ที่ประกอบด้วย เมทริกซ์– กลุ่มอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่นิ่ง (สายโซ่โมเลกุลสูง) ซึ่งมีสารออกฤทธิ์ติดอยู่ กลุ่มไอออนิกอะตอมที่ให้ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออน ในทางกลับกัน หมู่ไอออนิกก็ประกอบด้วยไอออนที่ไม่เคลื่อนที่ซึ่งจับกับเมทริกซ์ด้วยแรง ปฏิกิริยาทางเคมีและจำนวนไอออนเคลื่อนที่ที่เท่ากันซึ่งมีประจุตรงกันข้าม – ตอบโต้- ปฏิกิริยาตอบโต้สามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้การกระทำของการไล่ระดับความเข้มข้น และสามารถแลกเปลี่ยนเป็นไอออนจากสารละลายที่มีประจุเท่ากันได้ ในตัวแลกเปลี่ยนไอออนของระบบ - สารละลายอิเล็กโทรไลต์พร้อมกับการกระจายตัวของไอออนที่ถูกแลกเปลี่ยนยังมีการกระจายตัวของโมเลกุลตัวทำละลายระหว่างขั้นตอนเหล่านี้ด้วย เมื่อรวมกับตัวทำละลาย จำนวนหนึ่งจะแทรกซึมเข้าไปในตัวแลกเปลี่ยนไอออน โคออน(ไอออนของเครื่องหมายประจุเดียวกันกับประจุคงที่) เนื่องจากความเป็นกลางทางไฟฟ้าของระบบยังคงอยู่ จำนวนเคาน์เตอร์ไอออนที่เท่ากันจึงผ่านเข้าไปในตัวแลกเปลี่ยนไอออนเพิ่มเติมพร้อมกับโคไอออน

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะถูกแบ่งออกเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกและเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับไอออนที่เคลื่อนที่ได้

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกมีแอนไอออนที่ไม่เคลื่อนที่และแลกเปลี่ยนไอออนบวก โดยมีคุณสมบัติเป็นกรด - ไฮโดรเจนหรือไอออนโลหะที่เคลื่อนที่ได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก R / SO 3 - H + (ในที่นี้ R เป็นพื้นฐานโครงสร้างที่มีกลุ่มฟังก์ชันคงที่ SO 3 - และตัวนับไอออน H +) ขึ้นอยู่กับประเภทของแคตไอออนที่มีอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออน จะเรียกว่าตัวแลกเปลี่ยนแคตไอออน H หากแคตไอออนเคลื่อนที่ทั้งหมดแสดงด้วยไฮโดรเจนเท่านั้น หรือตัวแลกเปลี่ยน Na-แคตไอออน ตัวแลกเปลี่ยนแคลเซียมแคตไอออน ฯลฯ พวกมันถูกกำหนดให้เป็น RH, RNa, R 2 Ca โดยที่ R คือเฟรมที่มีส่วนที่คงที่ของกลุ่มแอคทีฟของเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวก เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่มีกลุ่มฟังก์ชันคงที่ –SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2- ฯลฯ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย

ตัวแลกเปลี่ยนประจุลบมีแคตไอออนที่ไม่เคลื่อนที่และแลกเปลี่ยนแอนไอออน โดยมีคุณสมบัติพื้นฐานของไอออนไฮดรอกไซด์เคลื่อนที่หรือไอออนที่ตกค้างของกรด ตัวอย่างเช่นตัวแลกเปลี่ยนประจุลบ R / N(CH 3) 3 + OH - โดยมีกลุ่มฟังก์ชัน -N(CH 3) 3 + และตัวนับ OH - เรซินแอนไอออนสามารถเข้าได้ รูปแบบที่แตกต่างกันเช่นเดียวกับตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวก: ตัวแลกเปลี่ยน OH-ประจุลบหรือ ROH, SO 4 -ตัวแลกเปลี่ยนประจุลบหรือ RSO 4 โดยที่ R คือเฟรมที่มีส่วนที่คงที่ของกลุ่มแอคทีฟของเครื่องแลกเปลี่ยนประจุลบ ที่ใช้กันมากที่สุดคือเครื่องแลกเปลี่ยนประจุลบที่มีกลุ่มคงที่ – +, - +, NH 3 +, NH + เป็นต้น

ขึ้นอยู่กับระดับการแยกตัวของกลุ่มแอคทีฟของเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวก และตามความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออน เรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกจะถูกแบ่งออกเป็น กรดแก่และกรดอ่อน- ดังนั้นหมู่แอคทีฟ –SO 3 H จะถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้นการแลกเปลี่ยนไอออนจึงเป็นไปได้ในช่วง pH ที่กว้าง ตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่มีหมู่ซัลโฟนิกจะถูกจัดประเภทเป็นกรดรุนแรง ไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนแคตไอออน ความแข็งแรงปานกลางรวมเรซินที่มีกลุ่มกรดฟอสฟอริกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น สำหรับกลุ่ม dibasic ที่มีความสามารถในการแยกตัวออกตามขั้นตอน มีเพียงกลุ่มเดียวเท่านั้นที่มีคุณสมบัติเป็นกรดที่มีความแรงปานกลาง กลุ่มที่สองจะมีพฤติกรรมเหมือน กรดอ่อน- เนื่องจากกลุ่มนี้ไม่แยกตัวออกในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดอย่างรุนแรง ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้ตัวแลกเปลี่ยนไอออนเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือด่างเล็กน้อยที่ pH4 เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรดอ่อนประกอบด้วยหมู่คาร์บอกซิล ซึ่งแยกตัวออกเล็กน้อยแม้ในสารละลายที่เป็นกรดอ่อนก็ตาม นอกจากนี้ยังมีเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวกแบบสองฟังก์ชันที่มีทั้งหมู่ซัลโฟและหมู่คาร์บอกซิลหรือหมู่ซัลโฟและฟีนอลิก เรซินเหล่านี้ทำงานในสารละลายที่มีความเป็นกรดสูง และเมื่อมีความเป็นด่างสูง จะช่วยเพิ่มกำลังการผลิตได้อย่างมาก

เช่นเดียวกับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะถูกแบ่งออกเป็น พื้นฐานสูงและพื้นฐานต่ำ- เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนพื้นฐานระดับสูงประกอบด้วยควอเทอร์นารีแอมโมเนียมหรือเบสไพริดีนที่แยกตัวออกจากกันอย่างดีเป็นกลุ่มที่แอคทีฟ เครื่องแลกเปลี่ยนประจุลบดังกล่าวสามารถแลกเปลี่ยนประจุลบไม่เพียงแต่ในกรดเท่านั้น แต่ยังในสารละลายอัลคาไลน์ด้วย เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนพื้นฐานปานกลางและต่ำประกอบด้วยหมู่อะมิโนปฐมภูมิ ทุติยภูมิ และตติยภูมิ ซึ่งเป็นเบสอ่อน ช่วงการทำงานของพวกมันคือ pH89

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนแบบแอมโฟเทอริกก็ใช้เช่นกัน - แอมโฟไลต์ซึ่งได้แก่หมู่ฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติทั้งกรดและเบส เช่น กลุ่มกรดอินทรีย์ร่วมกับหมู่อะมิโน เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบางชนิด นอกเหนือจากคุณสมบัติการแลกเปลี่ยนไอออนแล้ว ยังมีคุณสมบัติเชิงซ้อนหรือรีดอกซ์อีกด้วย ตัวอย่างเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่มีหมู่ไอออนิกอะมิโนจะให้สารเชิงซ้อนกับโลหะหนัก ซึ่งการก่อตัวเกิดขึ้นพร้อมกันกับการแลกเปลี่ยนไอออน การแลกเปลี่ยนไอออนอาจเกิดขึ้นพร้อมกับการเกิดภาวะเชิงซ้อนในเฟสของเหลวโดยการปรับค่า pH ซึ่งช่วยให้สามารถแยกไอออนได้ เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนอิเล็กตรอนถูกนำมาใช้ในวิทยาโลหะวิทยาเพื่อการเกิดออกซิเดชันหรือรีดักชันของไอออนในสารละลายพร้อมกับการดูดซับจากสารละลายเจือจางไปพร้อมๆ กัน

กระบวนการสลายไอออนที่ถูกดูดซับบนตัวแลกเปลี่ยนไอออนเรียกว่า ชะล้างในกรณีนี้ ตัวแลกเปลี่ยนไอออนจะถูกสร้างใหม่และถ่ายโอนไปยัง แบบฟอร์มเริ่มต้น- จากการชะไอออนที่ถูกดูดซับ โดยมีเงื่อนไขว่าตัวแลกเปลี่ยนไอออนนั้น "มีภาระ" เพียงพอ สารชะจะได้รับโดยมีความเข้มข้นของไอออนสูงกว่าในสารละลายดั้งเดิม 100 เท่า

บางชนิดมีคุณสมบัติแลกเปลี่ยนไอออน วัสดุธรรมชาติ: ซีโอไลต์ ไม้ เซลลูโลส ถ่านหินซัลโฟเนต พีท ฯลฯ อย่างไรก็ตาม แทบไม่เคยถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติเลย เนื่องจากไม่มีความสามารถในการแลกเปลี่ยนหรือความเสถียรสูงเพียงพอในสภาพแวดล้อมที่ผ่านการแปรรูป เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนอินทรีย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือเรซินแลกเปลี่ยนไอออนสังเคราะห์ ซึ่งเป็นสารประกอบโพลีเมอร์โมเลกุลสูงที่เป็นของแข็งซึ่งมีหมู่ฟังก์ชันที่สามารถแยกตัวด้วยไฟฟ้าได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่าโพลีอิเล็กโตรไลต์ พวกมันถูกสังเคราะห์โดยโพลีคอนเดนเซชันและโพลีเมอไรเซชันของโมโนเมอร์ที่มีหมู่ไอออนิกที่จำเป็น หรือโดยการเติมหมู่ไอออนิกให้กับแต่ละหน่วยของโพลีเมอร์ที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ กลุ่มโพลีเมอร์มีพันธะเคมีต่อกันและเย็บติดกันเป็นกรอบ ซึ่งก็คือ เครือข่ายเชิงพื้นที่สามมิติที่เรียกว่าเมทริกซ์ โดยใช้สารที่มีปฏิกิริยากับพวกมัน - ตัวแทนเครส Divinylbenzene มักใช้เป็นตัวเชื่อมขวาง ด้วยการปรับปริมาณของไดไวนิลเบนซีน คุณสามารถเปลี่ยนขนาดของเซลล์เรซินได้ ซึ่งทำให้สามารถรับตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่ดูดซับไอออนบวกหรือประจุลบแบบเลือกสรรได้เนื่องจาก "เอฟเฟกต์ของตะแกรง" ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์ ขนาดจะไม่ถูกดูดซับโดยเรซิน ในการเพิ่มขนาดของเซลล์ จะใช้รีเอเจนต์ที่มีโมเลกุลใหญ่กว่าไวนิลเบนซีน เช่น ไดเมทาคริเลตของเอทิลีนไกลคอลและไบฟีนอล เนื่องจากการใช้เทโลเจน สารที่ป้องกันการก่อตัวของสายโซ่เชิงเส้นยาว ทำให้มีความสามารถในการซึมผ่านของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนเพิ่มขึ้น ในสถานที่ที่โซ่ขาดรูพรุนจะปรากฏขึ้นด้วยเหตุนี้ตัวแลกเปลี่ยนไอออนจึงได้รับเฟรมที่เคลื่อนที่ได้มากขึ้นและบวมมากขึ้นเมื่อสัมผัสกับ สารละลายที่เป็นน้ำ- คาร์บอนเตตระคลอไรด์ อัลคิลเบนซีน แอลกอฮอล์ ฯลฯ ถูกนำมาใช้เป็นเทโลเจน เรซินที่ได้รับในลักษณะนี้มี เจลโครงสร้างหรือพรุน เพื่อรับ มีรูพรุนตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น ไฮโดรคาร์บอนที่สูงขึ้น เช่น ไอโซออกเทนและแอลกอฮอล์ จะถูกเติมลงในส่วนผสมของปฏิกิริยา ตัวทำละลายจะถูกจับโดยมวลพอลิเมอไรเซชัน และหลังจากการก่อตัวของเฟรมเวิร์กเสร็จสิ้น ก็จะถูกกลั่นออก เหลือรูขุมขนไว้ในพอลิเมอร์ ขนาดใหญ่- ดังนั้นตามโครงสร้าง ตัวแลกเปลี่ยนไอออนจึงถูกแบ่งออกเป็นรูพรุนขนาดใหญ่และเจล

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออน Macroporous มีลักษณะการแลกเปลี่ยนจลน์ที่ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเจลเนื่องจากมีพื้นที่ผิวจำเพาะที่พัฒนาแล้วที่ 20-130 m 2 /g (ต่างจากเจลที่มีพื้นที่ผิว 5 m 2 /g) และรูขุมขนกว้าง - 20-100 นาโนเมตรซึ่งเอื้อต่อการแลกเปลี่ยนไอออนที่แตกต่างกันที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของรูขุมขน อัตราแลกเปลี่ยนขึ้นอยู่กับความพรุนของเมล็ดข้าวเป็นอย่างมาก แม้ว่าโดยปกติแล้วจะไม่ส่งผลกระทบต่อความสามารถในการแลกเปลี่ยนก็ตาม ยิ่งปริมาตรและขนาดเกรนใหญ่เท่าใด การแพร่กระจายภายในก็จะเร็วขึ้นเท่านั้น

เรซินแลกเปลี่ยนเจลไอออนประกอบด้วยเมล็ดเนื้อเดียวกันซึ่งเมื่อแห้งจะไม่มีรูพรุน และไม่สามารถซึมผ่านไอออนและโมเลกุลได้ ซึมเข้าไปได้หลังจากการบวมน้ำหรือสารละลายที่เป็นน้ำ

การบวมตัวแลกเปลี่ยนไอออน

บวมเป็นกระบวนการค่อยๆ เพิ่มปริมาตรของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่วางอยู่ในตัวทำละลายของเหลว เนื่องจากการแทรกซึมของโมเลกุลตัวทำละลายลึกเข้าไปในกรอบไฮโดรคาร์บอน ยิ่งตัวแลกเปลี่ยนไอออนขยายตัวมากเท่าไร การแลกเปลี่ยนไอออนก็จะยิ่งเกิดขึ้นเร็วขึ้นเท่านั้น บวมมีลักษณะเฉพาะ น้ำหนักบวม- ปริมาณน้ำที่ดูดซับต่อตัวแลกเปลี่ยนไอออนแบบแห้ง 1 กรัมหรือ ค่าสัมประสิทธิ์การบวม- อัตราส่วนของปริมาตรเฉพาะของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่บวมและของแห้ง บ่อยครั้งที่ปริมาตรของเรซินในระหว่างกระบวนการบวมสามารถเพิ่มขึ้นได้ 10-15 เท่า การบวมตัวของเรซินโมเลกุลสูงจะมากขึ้น ระดับของการเชื่อมโยงข้ามของหน่วยที่เป็นส่วนประกอบก็จะยิ่งต่ำลง นั่นก็คือ เครือข่ายโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความแข็งแกร่งน้อยลง เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนมาตรฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยไดไวนิลเบนซีน 6-10% (บางครั้ง 20%) ในโคโพลีเมอร์ เมื่อใช้สารสายโซ่ยาวสำหรับการเชื่อมขวางแทนไดไวนิลเบนซีน จะได้ตัวแลกเปลี่ยนไอออนมาโครเมชที่มีการซึมผ่านสูง ซึ่งการแลกเปลี่ยนไอออนจะเกิดขึ้นในอัตราสูง นอกจากโครงสร้างของเมทริกซ์แล้ว การบวมตัวแลกเปลี่ยนไอออนยังได้รับอิทธิพลจากการมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชันที่ชอบน้ำในตัว: ยิ่งมีกลุ่มที่ชอบน้ำมากเท่าไร ตัวแลกเปลี่ยนไอออนก็จะพองตัวมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ ตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่มีประจุเดี่ยวจะขยายตัวได้รุนแรงกว่า ตรงกันข้ามกับประจุที่มีประจุสองเท่าหรือสามเท่า ในสารละลายที่มีความเข้มข้น การบวมจะเกิดขึ้นในระดับน้อยกว่าในสารละลายที่เจือจาง เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนอนินทรีย์ส่วนใหญ่ไม่บวมเลยหรือแทบจะไม่บวมเลย แม้ว่าจะดูดซับน้ำก็ตาม

ความจุตัวแลกเปลี่ยนไอออน

ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนของตัวดูดซับนั้นมีลักษณะเฉพาะ ความจุการแลกเปลี่ยนขึ้นอยู่กับจำนวนหมู่ไอออนิกเชิงฟังก์ชันต่อมวลหน่วยหรือปริมาตรของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน โดยแสดงเป็นมิลลิเทียบเท่าต่อ 1 กรัมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนแบบแห้ง หรือเทียบเท่าต่อ 1 ลบ.ม. ของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน และสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 2-10 เมกะไบต์/กรัม ความสามารถในการแลกเปลี่ยนทั้งหมด(โพ) – ปริมาณสูงสุดไอออนซึ่งสามารถดูดซับได้โดยตัวแลกเปลี่ยนไอออนเมื่ออิ่มตัว นี้ คงที่สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่กำหนด ซึ่งสามารถกำหนดได้ทั้งภายใต้สภาวะคงที่และไดนามิก

ภายใต้สภาวะคงที่ ให้ตรวจสอบเมื่อสัมผัสกับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณที่กำหนด ความสามารถในการแลกเปลี่ยนคงที่ทั้งหมด(PSOE) และ ความสามารถในการแลกเปลี่ยนคงที่ที่สมดุล(PCOE) ซึ่งจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยที่ส่งผลต่อสมดุล (ปริมาตรของสารละลาย องค์ประกอบ ความเข้มข้น ฯลฯ) ความสมดุลระหว่างไอโอไนต์และสารละลายสอดคล้องกับความเท่าเทียมกันของศักยภาพทางเคมี

ใน เงื่อนไขแบบไดนามิกด้วยการกรองสารละลายอย่างต่อเนื่องผ่านตัวแลกเปลี่ยนไอออนจำนวนหนึ่ง ความสามารถในการแลกเปลี่ยนแบบไดนามิก– จำนวนไอออนที่ถูกดูดซับโดยตัวแลกเปลี่ยนไอออนก่อนการทะลุผ่านของไอออนที่ถูกดูดซับ (DOE) ความสามารถในการแลกเปลี่ยนแบบไดนามิกเต็มรูปแบบจนกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะหมด (PDOE) ความจุก่อนที่จะทะลุทะลวง (ความสามารถในการทำงาน) ไม่เพียงถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของตัวแลกเปลี่ยนไอออนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารละลายเริ่มต้น ความเร็วของการผ่านชั้นตัวแลกเปลี่ยนไอออน ความสูง (ความยาว) ของไอออน ชั้นแลกเปลี่ยน ระดับของการงอกใหม่และขนาดของเมล็ดพืช

ความสามารถในการทำงานถูกกำหนดโดยเส้นโค้งเอาท์พุตในรูป 3.5.1

S 1 – ความสามารถในการแลกเปลี่ยนการทำงาน, S 1 + S 2 – ความสามารถในการแลกเปลี่ยนแบบไดนามิกทั้งหมด

เมื่อทำการชะภายใต้สภาวะไดนามิก เส้นโค้งการชะจะดูเหมือนเส้นโค้งที่แสดงในรูปที่ 1 3.5.2

โดยทั่วไปแล้ว DOE จะเกิน 50% ของ PDOE สำหรับตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นกรดสูงและเป็นเบสอย่างสูงและ 80% สำหรับตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นกรดอ่อนและเป็นเบสอย่างอ่อน ความสามารถของตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นกรดสูงและเบสแก่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตามสารละลาย pH ที่หลากหลาย ความสามารถของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นกรดอ่อนและเบสอ่อนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับ pH

ระดับการใช้ความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของเมล็ดพืช โดยทั่วไปขนาดเกรนจะอยู่ในช่วง 0.5-1 มม. รูปร่างของเมล็ดข้าวขึ้นอยู่กับวิธีการเตรียมเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน อาจมีทรงกลมหรือมีรูปร่างผิดปกติ เมล็ดทรงกลมจะดีกว่า - ให้สภาวะอุทกพลศาสตร์ที่ดีกว่าและความเร็วของกระบวนการที่มากขึ้น นอกจากนี้ยังใช้เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่มีเมล็ดทรงกระบอก เส้นใย และอื่นๆ อีกด้วย ยิ่งเมล็ดละเอียดก็ยิ่งใช้ความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนได้ดีขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ใช้ ทั้งความต้านทานไฮดรอลิกของชั้นตัวดูดซับหรือการขึ้นรางของเม็ดเล็กของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนโดยสารละลาย เพิ่มขึ้น สามารถหลีกเลี่ยงการขึ้นรถไฟได้โดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่มีสารเติมแต่งที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก วิธีนี้ช่วยให้วัสดุที่มีเม็ดละเอียดถูกกักตัวไว้ในเขตสนามแม่เหล็กที่สารละลายเคลื่อนที่ผ่าน

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะต้องมีความแข็งแรงเชิงกลและความเสถียรทางเคมี กล่าวคือ ไม่ถูกทำลายเนื่องจากการบวมตัวและการทำงานของสารละลายที่เป็นน้ำ นอกจากนี้ควรสร้างใหม่ได้ง่าย จึงรักษาคุณสมบัติที่ใช้งานอยู่ได้เป็นเวลานานและทำงานโดยไม่ต้องเปลี่ยนใหม่เป็นเวลาหลายปี

หน้า 3

อัตราการแลกเปลี่ยนไอออนที่สูงทำให้สามารถใช้ชั้นตัวกรองที่มีความสูงน้อยมาก (5 - 25 มม.) และบรรลุผลการใช้ 50 - 90% ของความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน แทนที่จะใช้ 20 - 50% ในปริมาณมากทั่วไป ตัวกรองที่มีองค์ประกอบเศษส่วนตามปกติของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนในชั้นตัวกรอง ระดับความสูง(มากกว่า 900 มม.) โดยมีเงื่อนไขว่าได้คุณภาพการกรองเทียบเท่า

กราฟการไทเทรตที่ได้จากวิธีโพเทนชิโอเมตริกช่วยให้เราสามารถให้ค่าหลักได้ ลักษณะทางเคมีตัวแลกเปลี่ยนไอออน: การมีอยู่ของกลุ่มแอคทีฟและระดับการแยกตัวของมันขึ้นอยู่กับค่า pH ของสภาพแวดล้อม ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน กำหนดโดยผลรวมของกลุ่มแอคทีฟทั้งหมดที่รวมอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนไอออนและปฏิกิริยา ความสามารถในการแลกเปลี่ยนสำหรับ กลุ่มที่ใช้งานแต่ละกลุ่ม ความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่ค่า pH คงที่ของสภาพแวดล้อม และยังช่วยให้คุณระบุได้ว่าเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนประเภทใดภายใต้การศึกษาที่เป็นกรดหรือเบส กราฟการไทเทรตจะได้มาจากความเข้มข้นของเกลือคงที่ เนื่องจากความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนขึ้นอยู่กับ pH ของตัวกลางและความเข้มข้นของไอออนที่ถูกแลกเปลี่ยนในสารละลาย

การแลกเปลี่ยนไอออนสลับกับปฏิกิริยารีดักชันหรือการตกตะกอนเพื่อแปลงสารที่ถูกดูดซับบนตัวแลกเปลี่ยนไอออนให้อยู่ในรูปแบบที่ไม่แยกตัวและไม่ละลายน้ำ ทำให้สามารถรวมความเข้มข้นของปริมาณสารดูดซับทั้งหมดซึ่งมากกว่าความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของ 10 - 15 เท่า เครื่องแลกเปลี่ยนไอออน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำให้โลหะมีตระกูลมุ่งความสนใจไปที่ตัวแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งไอออนของโลหะนั้นจะถูกรีดิวซ์เป็นโลหะได้ง่ายและในรูปแบบนี้จะสะสมอยู่บนตัวแลกเปลี่ยนไอออน

ความสามารถในการแลกเปลี่ยนคือการวัดความสามารถของตัวแลกเปลี่ยนไอออนในการดูดซับไอออนจากสารละลาย ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน (TEC) ถูกกำหนดโดยจำนวนสูงสุดเทียบเท่ามิลลิกรัมของไอออน ซึ่งสามารถดูดซับได้ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนแบบแห้งด้วยอากาศ 1 กรัม ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนบวก KU-2 ค่า POE เป็นเรื่องเกี่ยวกับ

ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการกำหนด ความสามารถในการแลกเปลี่ยนทั้งหมด (POE) แบบคงที่ (SOE) และแบบไดนามิก (การทำงาน) (การทำงาน) (DOE, POE) ของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนจะมีความโดดเด่น ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนมีลักษณะเฉพาะคือ จำนวนทั้งหมดกลุ่มแอคทีฟของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนต่อหน่วยปริมาตรของเรซิน

ประสิทธิผลของการใช้วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนแบบไดนามิกสำหรับสารละลายบริสุทธิ์นั้นได้รับการรับรองโดยการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนความจุสูงเป็นหลัก เนื่องจากความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนภายใต้สภาวะไดนามิกดังที่ทราบกันดีนั้นยังไม่ได้รับการรับรู้อย่างเต็มที่ เมื่อเลือกเงื่อนไขกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด งานจึงต้องลดความแตกต่างระหว่างความสามารถในการแลกเปลี่ยนทั้งหมดของคอลัมน์และความจุของคอลัมน์ก่อน ไอออนรั่วไหลเข้าไปในตัวกรอง ในทางกลับกัน การเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนมีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากัน เนื่องจากภายใต้สภาวะจลน์ที่กำหนด ความชันของด้านหน้าของไอออนที่ปรากฏเป็นอันดับแรกในการกรองจะถูกกำหนด เหนือสิ่งอื่นใดโดยธรรมชาติของไอออนนี้ . เพื่อจุดประสงค์ในการทำให้สารละลายบริสุทธิ์ ดังนั้น เราจึงควรเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนที่มีลักษณะเฉพาะไม่เพียงแค่มีความสามารถในการแลกเปลี่ยนสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงด้วย คุ้มค่ามากแลกเปลี่ยนค่าคงที่ของไอออนที่ถูกดูดซับน้อยที่สุด องค์ประกอบเชิงคุณภาพในการเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนไม่สำคัญเนื่องจากหนึ่งในคุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงไดนามิกของส่วนผสมคือความชันของด้านหน้าของไอออนที่ถูกดูดซับน้อยกว่านั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของส่วนประกอบอื่น ๆ ของส่วนผสม ข้อกำหนดเหล่านี้กำหนดความเป็นไปได้ในการใช้สารละลายของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนด้วย จำนวนมากเชื่อมโยงข้ามและทำให้การใช้ตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่เป็นกรดอ่อนในไฮโดรเจนในรูปแบบที่ไม่พึงประสงค์

ความจุของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนแสดงเป็นจำนวนมิลลิเทียบเท่า (meq. เมื่อพิจารณาความจุการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน เนื้อหาของกลุ่มที่แลกเปลี่ยนได้ทั้งหมดในนั้นจะถูกกำหนด สำหรับสิ่งนี้ มีการใช้คอลัมน์ขนาดเล็ก เช่น เครื่องหมุนเหวี่ยง คอลัมน์ประเภทที่แสดงในรูปที่ 5.7 หรือกรวยที่มีตัวกรองกระดาษ

ตามหลักการของ Donnan ในการรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้าภายในเกรน จำนวนสูงสุดของประจุลบที่ดูดซับได้จะถูกกำหนดโดยจำนวนหมู่ไอออนเจนิกที่ใส่เข้าไปในเมทริกซ์ ดังนั้น ความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนสามารถคำนวณได้ในทางทฤษฎีโดยอิงตามน้ำหนักที่เท่ากันของหน่วยโพลีเมอร์พื้นฐานที่มีหมู่ไอออนิกหนึ่งกลุ่ม ตัวอย่างเช่น สำหรับเรซินซัลโฟเนตที่ใช้สไตรีนและไดไวนิลเบนซีน หน่วยพื้นฐานจะสอดคล้องกับสูตร C8H85O3 ดังนั้น ความสามารถในการรับน้ำหนักตามทฤษฎีของมันจะเป็น 1000 / 184 2 5 43 mEq ต่อ 1 กรัมของเรซินแห้งในรูปแบบ H

หากการกรองดำเนินต่อไปจนกระทั่งความเข้มข้นของไอออนที่ถูกดูดซับในน้ำต้นทางกับน้ำกรองเท่ากันอย่างสมบูรณ์ ความสามารถในการดูดซับเกือบทั้งหมดของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนสำหรับไอออนนี้จะถูกใช้ โหมดนี้สอดคล้องกับการใช้ความสามารถในการแลกเปลี่ยนเต็มรูปแบบของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน OEP

หากคุณยังคงส่งสารละลายผ่านชั้นตัวแลกเปลี่ยนไอออนต่อไป สักครู่หนึ่งจะมาถึงเมื่อความเข้มข้นของสารละลาย - ความเข้มข้นเริ่มต้นและที่ไหลออกจากตัวกรอง - เท่ากัน ทำให้สามารถคำนวณความสามารถในการแลกเปลี่ยนรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออนได้

ทิศทางที่มีแนวโน้มคือการใช้ชั้นผสมระหว่างตัวแลกเปลี่ยนไอออนบวกและตัวแลกเปลี่ยนไอออนบนตัวกรองเคลือบล่วงหน้า - กระบวนการที่เรียกว่า paudex ตัวกรองดังกล่าวผลิตได้อย่างมาก การใช้งานที่มากขึ้นความสามารถในการแลกเปลี่ยนเต็มรูปแบบของเครื่องแลกเปลี่ยนไอออน