Свойства ионообменных смол
Введение
Мы рассмотрим значение следующих характеристик:
Структура (матрица и функциональные группы) ионообменных смол описана на других страницах, как и подробности о полной и рабочей ёмкости ионного обмена.
Важность ионной формы
При выражении результатов большинства свойств смол всегда следует указывать ионную форму, поскольку значения различаются в зависимости от ионов в гранулах смолы. Это относится, в частности, к следующим свойствам:
- Ёмкость
- Влажность
- Плотность
и в меньшей степени к размеру частиц. Например, смола Amberjet 4400 имеет полную ёмкость около 1,5 экв/л в Cl−-форме и 1,2 экв/л в OH−-форме. Разница обусловлена только набуханием смолы: она набухает до 30% при переходе из Cl−-формы в OH−-форму. Количество активных групп в образце смолы очевидно постоянно, поэтому когда смола набухает, плотность этих активных групп уменьшается, а объёмная ёмкость является мерой этой плотности активных групп.
Пример: анализ партии новой смолы
| Тип смолы | Amberlite IRA96 |
|---|---|
| Номер партии | 6210AA55 |
| Объёмная ёмкость [форма свободного основания] | 1,36 экв/л |
| Ёмкость на сухой вес [свободное основание] | 5,16 экв/кг |
| Сухое вещество [свободное основание] | 264 г/л |
| Сильноосновная ёмкость | 8,6% |
| Влагоудерживающая способность [свободное основание] | 61,8% |
| Целые гранулы | 98% |
| Неповреждённые гранулы | 99% |
| Удельный вес [свободное основание] | 1,04 |
| Размер частиц | |
| Средний диаметр | 0,68 мм |
| Коэффициент однородности | 1,34 |
| Гармонический средний размер | 0,67 мм |
| Эффективный размер | 0,53 мм |
| Мелкие частицы через 0,300 мм | 0,1% |
| Крупные частицы на 1,18 мм | 0,2% |
Распределение частиц по размеру
Традиционно распределение частиц смолы по размеру измерялось с помощью набора сит. Объём фракции смолы, оставшейся на каждом сите, измеряется в стеклянном цилиндре. Было признано практичным выражать результаты в накопленном проценте, прошедшем через данное отверстие сита.
Сегодня гранулометрию измеряют с помощью счётчиков частиц, которые связаны с компьютером и рассчитывают все параметры размера частиц.
Компоненты распределения частиц по размеру:
- Средний диаметр
- Коэффициент однородности
- Эффективный размер
- Гармонический средний размер
- Количество мелких гранул
- Количество крупных гранул
Определения
- Средний диаметр — значение (теоретического) отверстия сита, через которое проходит ровно 50% объёма смолы. Обозначается как «d50». На языке статистики называется медианным диаметром.
- Эффективный размер — значение отверстия сита, через которое проходит ровно 10% образца смолы. Обозначается как «d10».
- Коэффициент однородности определяется как: UC = d60 / d10. Этот коэффициент измеряет «ширину» распределения. Если бы все гранулы имели одинаковый размер, он был бы равен 1,0. Смолы Amberjet имеют UC от 1,05 до 1,20, марки Ambersep и SB — от 1,15 до 1,30, марки RF — от 1,20 до 1,50, стандартные марки — от 1,3 до 1,7.
- Гармонический средний размер (HMS) — математическое выражение, рассчитываемое из функции распределения. HMS полезен для теоретических рассмотрений относительно гидравлических свойств и кинетики смолы.
Что означает размер частиц
Мелкая смола:
- Хорошая кинетика (быстрая скорость обмена)
- Высокий перепад давления
Крупная смола:
- Низкий перепад давления
- Нет проблем с засорением коллекторов
Размер гранул важен для:
- Смешанных слоёв
- Стратифицированных слоёв
- Уплотнённых слоёв
- Псевдоожиженных слоёв
- Обратной промывки
- Хроматографии
- Мелкие смолы имеют более высокую кинетику
Выбор размера частиц — это компромисс: мелкие смолы обеспечивают более высокую ёмкость, но вызывают высокие потери напора, а избыток мелочи может привести к засорению форсунок. Крупные гранулы, с другой стороны, часто более чувствительны к осмотическому стрессу и имеют более медленную кинетику, что даёт более низкую рабочую ёмкость.
Ёмкость ионного обмена
Полная ёмкость:
- Это количество активных групп
- т.е. количество обмениваемых одновалентных ионов
Должны быть указаны как объёмная, так и массовая ёмкость.
Рабочая ёмкость:
- Это количество мест, где обмен фактически происходит за один цикл
Подробности о концепции полной и рабочей ёмкости представлены на отдельной странице.
Влагоудерживающая способность
Влажность (удержание воды или содержание воды) связана с пористостью и ионной формой. Содержание воды выражается в процентах от веса влажной смолы в данной ионной форме.
Высокая влажность:
- Быстрый обмен
- Хорошие адсорбционные свойства
- Низкая полная ёмкость
Низкая влажность:
- Высокая полная ёмкость
- Трудно регенерировать
- Нет удаления крупных ионов
- Склонность к загрязнению
Около половины веса всех ионообменных смол составляет вода, если только они не были высушены или вода не была заменена органическим растворителем. Вода окружает активные группы (гидратационная вода) и заполняет пустоты в матрице смолы.
Для гелевых смол количество воды обратно пропорционально степени сшивки матрицы. Это не верно для макропористых смол, потому что их (искусственная) макропористость может варьироваться как параметр, независимый от сшивки.
Сухое вещество
Сухое вещество рассчитывается:
- либо как дополнение к влагоудерживающей способности (в %);
- либо как вес сухой смолы на литр смолы в поставке (в г/л).
Сухое вещество в кг/л численно равно объёмной ёмкости (в экв/л), делённой на массовую ёмкость (в экв/кг).
Удельный вес (истинная плотность гранул)
Плотность важна для:
- Разделения смешанного слоя
- Стратифицированных слоёв
- Плавающих слоёв
- Обратной промывки
Удельный вес — важный параметр для успешной работы установки. Он критичен для всех процессов, включающих смешивание или разделение 2 или 3 смол в одной колонне.
Обратите внимание, что удельный вес зависит от ионной формы смолы. Ионный состав смолы меняется всё время в течение цикла, поэтому трудно предсказать точный удельный вес.
| Тип смолы | Ионная форма | Диапазон плотности | Типичное значение |
|---|---|---|---|
| СлКК | H | 1,16–1,19 | 1,18 |
| СлКК | Ca | 1,28–1,34 | 1,32 |
| СКК | H | 1,18–1,22 | 1,20 |
| СКК | Na | 1,26–1,32 | 1,28 |
| СКК | Ca | 1,28–1,33 | 1,31 |
| СлОА | Свободное основание | 1,02–1,05 | 1,04 |
| СлОА | Cl | 1,05–1,09 | 1,06 |
| СлОА | SO4 | 1,08–1,13 | 1,11 |
| СОА | OH | 1,06–1,09 | 1,07 |
| СОА | Cl | 1,07–1,10 | 1,08 |
| СОА | SO4 | 1,10–1,14 | 1,12 |
Насыпная плотность и отгрузочный вес
Насыпная плотность смолы обычно выражается как масса одного литра смолы. Поскольку существуют небольшие вариации насыпной плотности от партии к партии, стандартное значение, называемое отгрузочным весом, используется для упаковки смолы на производстве.
Пример:
Предположим, что значения насыпной плотности для данного типа смолы находятся в диапазоне от 720 до 780 г/л. Установка отгрузочного веса в 770 г/л даст следующие результаты:
- Каждый 25-литровый мешок будет содержать 0,770 × 25 = 19,25 кг смолы.
- Если партия смолы имеет насыпную плотность 720 г/л, клиент получит 19,25 × 1,389 = 26,7 л смолы в 25-литровом мешке.
- Если партия смолы имеет насыпную плотность 780 г/л, клиент получит 19,25 × 1,282 = 24,7 л смолы в 25-литровом мешке.
Сжатие слоя
История о «пропавшей смоле»: относительно трудно измерить значения насыпной плотности, так как эффекты стенок и сжатие слоя нарушают измерение глубины слоя и объёма. Точка «100%» — для небольшой колонны диаметром 50 мм и глубиной слоя 600 мм. При глубине слоя два метра и диаметре фильтра один метр слой сжимается на 2,5%, создавая впечатление, что не хватает 2,5% смолы.
Оптический вид
Мы рассматриваем образец смолы под микроскопом. Этот тест — первый, проводимый с использованными смолами: если образец сильно фрагментирован, потребуется замена смолы, так что дальнейшее тестирование не нужно.
Оптический вид новой смолы, т.е. количество треснувших гранул и фрагментов — важная часть контроля качества смолы в производстве. Методы контроля качества используют концепцию целых гранул и неповреждённых гранул.
| PBC (подсчёт целых гранул) | 65% |
| WBC (подсчёт неповреждённых гранул) | 94% |
Это означает, что образец имеет:
- 65% целых гранул
- 29% треснувших гранул
- 6% фрагментов
См. фотографии образцов новых смол.
Ионная форма и изменение объёма
Смолы меняют объём в зависимости от загруженных на них ионов. Например, гелевая сильноосновная смола может набухнуть более чем на 25%, если она полностьюпреобразована из хлоридной формы (как поставляется) в гидроксидную форму.
| Тип смолы | Ионная форма при поставке | Полное изменение объёма | От...До |
|---|---|---|---|
| СКК | Na, H | 6–10% | Na → H |
| СОА | Cl, OH, SO4 | 15–30% 6–10% | Cl → OH Cl → SO4 |
| СлОА | Свободное основание | 10–25% | СО → Cl |
| СлКК | H | 15–40% 60–100% | H → (Ca+Mg) H → Na |
Изменение объёма обусловлено различным состоянием гидратации ионов в смоле. Смолы редко полностью преобразуются из 100% регенерированного в 100% истощённое состояние, поэтому в общем случае максимальное теоретическое изменение объёма не достигается.
Стабильность
Смолы должны выдерживать различные виды стресса в эксплуатации:
- Физический стресс при переносе смолы или высоком перепаде давления
- Осмотический стресс из-за изменения объёма (см. выше)
- Термический стресс при высокой температуре или колебаниях температуры
- Органическое загрязнение
Производители предлагают специальные смолы в соответствии с условиями эксплуатации.
Селективность
Структура смол и их селективность для различных ионов объясняются на отдельных страницах.
Химические реакции ионообменных смол показаны на специальной странице.