Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.И. МЕЧНИКОВА

Химический факультет

Курсовая работа

На тему: Сорбция ионов на волокнистых ионитах

Студентки 3 курса 1 группы

Химического факультета

ОНУ им. И.И. Мечникова

Громовой Маргариты

Одесса, 2009



Содержание

1) Иониты, ионообменники, ионообменные сорбенты, - что это?

2) Что такое ионообменные волокна (волокнистые иониты) и чем они отличаются от всех остальных видов ионитов?

3) Основные преимущества волокнистых ионитов?

4) Какие существуют волокнистые иониты и где их применяют? Как их характеризуют? Какими свойствами они должны обладать? Какие ионы могут сорбировать?

5) Почему возможна сорбция ионов на волокнистых ионитах? Каков механизм такой сорбции?

Литература

1. 

1. Иониты, ионообменники, ионообменные сорбенты, - что это?

Иониты, ионообменники, ионообменные сорбенты, твёрдые, практически нерастворимые вещества или материалы, способные к ионному обмену. Иониты могут поглощать из растворов электролитов (солей, кислот и щелочей) положительные или отрицательные ионы (катионы или анионы), выделяя в раствор взамен поглощённых эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. Молекулярную структуру ионитов можно представить в виде пространственной сетки или решётки, несущей неподвижные (фиксированные) ионы, заряд которых компенсируют противоположно заряженные подвижные ионы, так называемые противоионы. Они-то и участвуют в ионном обмене с раствором.

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты. Первые проявляют кислотные свойства, вторые -- основные. Если иониты способны обменивать и катионы и анионы, их называют амфотерными. По химической природе иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими, по происхождению -- природными и искусственными, или синтетическими. Иониты подразделяют на типы и группы по специфическим свойствам, особенностям структуры, назначению и т. п. В частности, иониты, имеющие достаточно плотную структурную сетку с «окнами» определённого размера и избирательно поглощающие лишь те ионы, которые способны пройти в эти «окна», называют ионитовыми ситами (см. также Молекулярные сита).

Из неорганических ионитов практическое значение имеют природные и синтетические алюмосиликаты (некоторые глинистые минералы, цеолиты, пермутиты), гидроокиси и соли многовалентных металлов, например гидроокись и фосфат циркония. Находят применение иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы, лигнина и др. Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам -- ионообменным смолам.

Важнейшее свойство ионитов -- поглотительная способность, так называемая обменная ёмкость. Её выражают максимальным числом мг-экв ионов, поглощаемых единицей массы или объёма ионита в условиях равновесия с раствором электролита (статическая обменная ёмкость) или в условиях фильтрации раствора через слой ионита до «проскока» ионов в фильтрат (динамическая обменная ёмкость). Значения обменной ёмкости большинства ионитов лежат в пределах 2--10 мг-экв/г. Определения обменной ёмкости стандартизованы; динамическая (рабочая) обменная ёмкость всегда меньше статической.

Кроме высокой обменной ёмкости, к ионитам предъявляют требования механической прочности (главным образом на истирание), термической и химической стойкости. Иониты обычно выдерживают длительный срок службы и легко поддаются многократной регенерации.

В зависимости от способа получения и назначения иониты выпускают в различных товарных формах: в виде порошка, зёрен неправильной формы или сферических гранул, волокнистого материала, листов или плёнок (ионитовых мембран). На международный рынок иониты поступают под фирменными названиями: амберлиты (США, Япония), дуолиты (США, Франция), дауэксы (США), зеролиты (Великобритания), леватиты (ФРГ), вофатиты (ГДР) и многие др. Основные промышленные марки отечественных ионитов: катионитыКУ-1, КУ-2, СГ-1, КБ-2, КБ-4, аниониты АВ-16, АВ-17, АН-1, АН-2Ф, АН-18, АН-31, ЭДЭ-10П.

Важнейшей областью применения ионитов была и остаётся водоподготовка. С помощью ионитовых фильтров получают деминерализованную (обессоленную) воду для паросиловых установок, многих современных технологических процессов и бытовых нужд. Ионитовые фильтры и электродиализные установки с ионитовыми мембранами применяют для опреснения морской или грунтовой воды с высоким солесодержанием. В гидрометаллургии иониты используют в процессах обогащения сырья, разделения и очистки редких элементов. Иониты позволяют извлекать золото, платину, серебро, медь, хром, уран и др. металлы из растворов. Переработка радиоактивных отходов, удаление многих вредоносных примесей из сточных вод также успешно осуществляются с использованием ионитов.

В химической промышленности иониты применяют для очистки или выделения продуктов органического и неорганического синтеза, в качестве катализаторов, как средство аналитического контроля технологических процессов. В пищевой промышленности иониты используют при рафинировании сахара, для улучшения качества вин и соков, в производстве витаминов и лекарственных препаратов. С их помощью из растительного и животного сырья извлекают ценные продукты биологического синтеза, консервируют плазму крови, лечат некоторые заболевания. Иониты всё шире применяют в производственной практике, науке и быту.

2. Что такое ионообменные волокна (волокнистые иониты) и чем они отличаются от всех остальных видов ионитов?

Ионообменные волокна - это волокна со специальными свойствами. Эти волокна представляют собой пространственно-сшитые трехмерные структуры, состоящие из ориентированных макромолекул, содержащих функциональные группы кислой и основной природы.

Главное свойство ионообменных волокон состоит в способности их функциональных групп диссоциировать в жидких средах и обмениваться противоионами, а также проявлять хемосорбционные свойства.

Ионообменные волокна обладают высокоразвитой поверхностью и лучшими кинетическими характеристиками по сравнению с зернистыми ионитами (высокая скорость обмена, большая доступность ионогенных групп для обмениваемых ионов, в том числе крупных органических ионов). Их обменная емкость достаточно высока для практического применения и не снижается при многократных циклах регенерации кислотами и щелочами. Важным преимуществом волокнистых ионитов является возможность изготовления из них ионообменных изделий любой формы: нитей, пористых пластин, тканей, нетканых полотен. Синтетические ионообменные волокна обладают высокой обменной емкостью, термостойкостью и химической устойчивостью.

Для синтеза волокнистых ионитов применяются две группы методов:

1. химическая модификация готовых волокон путем полимераналогичных превращений и привитой сополимеризации (или сополиконденсации);

2. формование волокон из смесей неволокнообразующих полимеров с ионогенными группами и волокнообразующих полимеров без функциональных групп.

Полимераналогичные превращения применяются для модификации поливинилспиртовых (ПВС), полиакрилонитрильных (ПАН), полиолефиновых и других волокон. При этом можно получать волокнистые иониты с любой требуемой ионогенной группой. Например, волокнистые сульфокатиониты получают по реакции диеновой конденсации дегидратированных ПВС-волокон с малеиновым ангидридом с последующим присоединением бисульфита натрия или дегидратацией полиеновых волокон с присоединением бисульфита натрия по двойной связи. Этерификацией ПВС-волокон получают карбоксильные и фосфорнокислые катиониты. Волокнистые аниониты получают ацеталированием (малеиновым диальдегидом) и этерификацией ПВС-волокон.

Сильноосновные волокнистые аниониты с обменной емкостью 2,1-4,1 мг-экв/г получают алкилированием эпихлоргидрином ПВС-волокон с привитыми полиэтиленимином (ПЭИ), полиметилвинилпиридином (ПМВП) или другими азотсодержащими полимерами.

Волокнистые аниониты ПВС-ПЭИ с обменной емкостью до 4 мг-экв/г получают путем формования смеси ПВС-волокон и неволокнообразующего ПЭИ в соотношении (3ё9) : 1. Однако производство ионитов на основе ПВС-волокон осуществляется лишь в опытно-промышленном масштабе.

Из промышленных наиболее отработана технология получения волокнистых ионообменных материалов на основе ПАН-волокон (материалов ВИОН), имеющих широкую сырьевую базу (продукция и отходы действующих производств и переработки волокна «нитрон»).

Материалы ВИОН применяются для очистки вентиляционных отходящих газовых выбросов промышленности от растворимых компонентов, аэрозолей кислот и солей тяжелых металлов, где их используют главным образом в виде нетканых иглопробивных полотен, характеристика которых приведена в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

Свойства нетканых иглопробивных полотен на основе волокнистых ионообменных материалов ВИОН

Тип волокна	Масса 1 м2полотна, г	Толщина полотна, мм	Плотность, 103 кг/м3	Воздухопроницаемость, л/м2 Ч с	Разрывная нагрузка, Н/текс	Удлинение при разрыве, %
ВИОН КH-1-Na	500	6	0,08	450	1-2	7-100
	1000	10	0,10	200	1-2	70-100
ВИОН АН-1-ОН	500	7	0,07	200	2-3	50-80
	1000	13	0,08	100	2-3	50-80

Свойства слабокислотных катионообменных (КН), сильноосновных (АС-1) и слабоосновных (АН-1) анионообменных волокон ВИОН, выпускаемых в промышленном масштабе, приведены в табл. 2.



Таблица 2.

Свойства синтетических ионообменных волокон ВИОН

Тип волокна	Полная статическая обменная емкость, мг-экв/г, в растворе	Линейная плотность (толщина), мтекс	Разрывная нагрузка (прочность), Н/текс	Удлинение при разрыве, %	Объемное набухание при 25 °С, %	Равновесная (фактическая) влажность, %
	0,1 н. NaOH	0,1 н. НСl	0,1 н. NaCl				в воде	в 5% H2SO4	в 5% NaOH
ВИОН КН-1	5-7	--	--	833-1000	0,7-1	20-40	40-50	--	--	30-40
ВИОН КН-2	4,5-6,0	--	--	350-430	0,6-1	18-25	40-50	40-50	150-200	15-20
ВИОН АН-1	--	2,0-2,5	--	330-400	1,2-1,4	40-50	7-8	140	7-8	4-5
ВИОН АС-1	--	2,0-2,5	0,8-1,1	350-430	0,8-1	40-50	23	50	25	8-10

Ионообменные свойства сообщаются ПАН-волокнам и их привитым сополимерам методами полимераналогичных превращений с применением щелочного омыления (карбоксилирования) нитрильных групп. Наибольшую обменную емкость волокна приобретают при омылении раствором смеси NaOH концентрации 100-120 г/л и соли гидразина той же концентрации в соотношении 1 : 1 в течение 15-150 мин при 95-100 °С с предварительной кратковременной обработкой волокон раствором NaOH. При этом, используя специфические особенности нитрильных групп, способных при химической модификации поэтапно превращаться в анионо- и катионогенные, путем регулирования продолжительности процесса омыления получают (после отжима омыленных волокон, промывки и сушки при 20-40 °С) катиониты, аниониты или полиамфолиты.

Они обладают высокой обменной емкостью по карбоксильным и аминогруппам (6,5-6,8 мг-экв/г), значительной химической стойкостью. При получении полиамфолитов сохраняется суммарная емкость 6,5-6,8 мг-экв/г, из них на долю карбоксильных групп приходится 3,0-4,5, на долю аминогрупп -- 2,3-3,5 мг-экв/г.

Полиамфолиты и слабоосновные аниониты получают также методом привитой сополимеризации частично омыленных ПАН-волокон с азотсодержащими мономерами (этилендиамин, 2,5-метилвинилпиридин и др.), а также методом формования из смесей ПАН и ПЭИ, растворенных в водном растворе роданида натрия.

Величина СОЕ по слабоосновным группам у синтезированных ионитов достигает 6,2 мг-экв/г. Иониты сильно набухают в воде, увеличивая объем в 7 раз от исходного. Дополнительная обработка эпихлоргидрином (связующий агент) позволяет уменьшить набухаемость волокон в 2 раза. Волокнистые слабоионизованные иониты и полиамфолиты на основе ПАН-волокон обладают высокими обменными и кинетическими свойствами и являются эффективными средствами для очистки сточных и денатурированных вод от ионов хрома, меди и других тяжелых металлов, слабоионизованных органических соединений, таких как анилиновые и антрахиноновые красители, катионные, анионные и неионогенные ПАВ, нефтепродукты и др.

3. Основные преимущества волокнистых ионитов?

Основными преимуществами ионообменных волокон по сравнению с гранульными ионитами при использовании в процессах водо- и газоочистки являются:

· высокая степень очистки воздуха и воды (95-100%) при малых концентрациях поглощаемых веществ (0,1-500 мг/м3 в воздухе и 0,01-10мг/л в воде);

· разнообразие форм ионообменных (хемосорбционных) волокнистых материалов (штапельное волокно, «кноп», жгут, пряжа, ткань, нетканые материалы) обеспечивает широкий выбор конструктивного оформления технологических процессов;

· малый диаметр элементарного волокна (5-50 мкм) обеспечивает большую удельную поверхность волокон (0,5-10 м2/г) по сравнению с гранульными гелевыми ионитами (0,1 м2/г);

· высокая скорость сорбции-регенерации (в 10-20 раз больше чем у гранул) вследствие малой глубины диффузионного слоя волокна позволяет проводить процесс в малых (5-30мм) слоях сорбента;

· реализация полной обменной емкости на 50-90% в динамических условиях фильтрации независимо от концентрации поглощаемого вещества;

· большая удельная фильтрующая (до 30 м2/м3) или контакторная (до 80 м2/м3) поверхность элементов из ионообменных волокнистых материалов в аппаратах газо- и водоочистки;

· низкое аэро- и гидродинамическое сопротивление фильтрующего слоя;

· возможность организации непрерывного процесса сорбция-регенерация;

· сочетание механической и ионообменной (хемосорбционной) очистки;

· низкая энергоемкость и водопотребление при использовании в аппаратах газо- и водоочистки.

4. Какие существуют волокнистые иониты и где их применяют? Как их характеризуют? Какими свойствами они должны обладать? Какие ионы могут сорбировать?

волокнистый ионит сорбция

В наше время на рынке ионитов можно встретить изделия различных фирм и стран. Не руководствуясь никакими меркантильными соображениями и никак не поддерживая ни одну из них, мы рассмотрим волокна МИОН исключительно в качестве примера.

Волокна МИОН применяются для изготовления различных текстильных форм -- штапель, нити, ткани, нетканое иглопробивное или холстопрошивное полотно, позволяющих расширить выбор аппаратурного оформления сорбционных процессов.

Высокая объёмная ёмкость, химическая и осмотическая стабильность, позволяет многократно использовать волокна в сорбционно-десорбционных процессах.

Преимущества волокон МИОН:

· высокая степень очистки;

· высокая скорость сорбции ионов и молекул;

· широкий набор функциональных групп;

· высокая обменная ёмкость, химическая и осмотическая стабильность;

· малая линейная скорость фильтрации (до 0,1 м/с);

· большая фильтрующая поверхность в единице объёма фильтра (до 30 м2/м3);

· низкое аэро и гидродинамическое сопротивление;

Основные характеристики волокон «Мион»

Наименование показателей	МИОН К-5	МИОН АК-22
Функциональные группы	-- COOH	-- NH2, =NH, -СООН
Линейная плотность, (текс) в пределах	0,5-1,4	0,50-0,80
Относительная разрывная нагрузка элементарного волокна; (мН/текс) не менее	50	80
Удлинение моноволокон при разрыве, не менее %	15	15
Полная статическая обменная емкость по 0.1 н NaOH / HCL, (мг-экв/г) в пределах	3-8	3,0-7,0
Влажность волокна, (масс.%) не более	25	25
Набухание, г Н2О/г ионита	0,8-2,0	1,0-2,0
Диаметр, мкм	30-50	20-40
Рабочий интервал, pH	5-12	1-8
Максимальная температура эксплуатации	не более +100 °C	не более  +100 °C



Фильтрующие материалы МИОН

Текстильные материалы «Мион» предназначены для очистки газовоздушных сред от токсичных примесей кислой и основной природы (SO2, SO3, HF, HCl, Cl2, H2S, CrO3, NO2, NH3, органические кислоты и основания), а также аэрозолей кислот и щелочей, очистки жидких сред от ионов тяжелых металлов, поверхностноактивных веществ, красителей.

Виды производимых материалов МИОН

Полотно МИОН К-5

Используется в качестве фильтрующего материала для очистки воздуха от газообразных и аэрозольных примесей основного характера (аммиак, органические амины, гидразин, гидроксиламин, оксиды и гидроксиды металлов).

Полотно МИОН АК-22

Используется в качестве фильтрующего материала для очистки воздуха от газообразных и аэрозольных примесей кислого характера ( SO2, SO3, HF, HCl, HNO3, H2SO4, CrO3, CH3COOH, HCOOH, Cl2,NO2 и др.)

Области применения материалов МИОН:

· в комплексных фильтрах доочистки питьевой воды от катионов тяжелых металлов: Cu2+, Cd2+, РЬ2+, Hg2+ и др.

· в установках по очистке вентвыбросов промышленных предприятий;

· в качестве фильтрующих элементов противогазов и газопылевых респираторов;

· для изготовления защитной одежды для производств с тяжелыми условиями труда.

Полотно из катиообменного волокна МИОН К-5

Выпускается полотно двух видов:

· нетканое иглопробивное;

· нетканое вязальнопрошивное.

Технические характеристики нетканого иглопробивного полотна МИОН К-5

Наименование показателей	Норма	Методы испытаний
	Тип А	Тип Б	Тип В
Ширина, см	155 ± 5	155 ± 5	155 ± 5	ГОСТ 3811
Толщина при удельном давлении 980 Па (мм) не менее	10	5	3	ГОСТ 12023
Поверхностная плотность (г/м2), не менее	1000±100	500 ±50	300 ±30	ГОСТ 3811
Неровнота по массе (%), не более	10	10	10	ГОСТ 15902.2
Разрывная нагрузка (Н),  не менее: по длине по ширине	30 35	20 25	15 20	ГОСТ 15902.3
Удлинение при разрыве (%) не более: по длине по ширине	150 100	130 90	120 80	ГОСТ 15902.3
Воздухопроницаемость (дм3/м2с), не менее	150	200	200	ГОСТ 12088

* -- по специальному заказу поверхностная плотность полотна может варьироваться от 200 до 1200 г/см2, толщина -- от 3 до 14 мм.

Технические характеристики нетканого вязальнопрошивного полотна МИОН К-5



Наименование показателей	Норма	Методы испытаний
	Тип А	Тип Б	Тип В
Прошивная нить	фторлон	полипропилен	полиэфир
Ширина, см	155 ± 10	155 ± 10	155 ± 10	ГОСТ 15902.1
Поверхностная плотность (г/м2), не менее	350 ± 50	350 ± 50	350 ± 50	ГОСТ 15902.1
Неровнота по массе (%), не более	10	10	10	ГОСТ 15902.2
Разрывная нагрузка (Н),  не менее: по длине по ширине	210 180	210 180	210 180	ГОСТ 15902.3
Изменение линейных размеров после стирки и глажения (%), не более: по длине по ширине	9.0 8.0	9.0 8.0	9.0 8.0	ГОСТ 23284
Воздухопроницаемость (дм3/м2 с), не менее	250	250	250	ГОСТ 12088

* -- по специальному заказу потребителя может быть изготовлено полотно с поверхностной плотностью от 150 до 300 г/м2

Полотно из анионообменного волокна МИОН АК-22

Выпускается полотно двух видов:

· нетканое иглопробивное;

· нетканое вязальнопрошивное.

Технические характеристики нетканого иглопробивного полотна МИОН АК-22



Наименование показателей	Норма	Методы испытаний
	Тип А	Тип Б	Тип В
Ширина, см	155 ± 5	155 ± 5	155 ± 5	ГОСТ 3811
Толщина при удельном давлении 980 Па (мм), не менее	10	5	3	ГОСТ 12023
Поверхностная плотность (г/м2), не менее	1000±100	500 ±50	300 ±30	ГОСТ 3811
Неровнота по массе (%), не более	10	10	10	ГОСТ 15902.2
Разрывная нагрузка (Н),  не менее: по длине по ширине	30 35	20 25	15 20	ГОСТ 15902.3
Удлинение при разрыве (%), не более: по длине по ширине	150 100	130 90	120 80	ГОСТ 15902.3
Воздухопроницаемость (дм3/м2 с), не менее	150	200	200	ГОСТ 12088

* -- по специальному заказу поверхностная плотность полотна может варьироваться от 200 до 1200 г/см2, толщина -- от 3 до 14 мм.

Технические характеристики нетканого вязальнопрошивного полотна МИОН АК-22

Наименование показателей	Норма	Методы испытаний
	Тип А	Тип Б	Тип В
Прошивная нить	фторлон	полипропилен	полиэфир
Ширина, см	155 ± 10	155 ± 10	155 ± 10	ГОСТ 15902.1
Поверхностная плотность (г/м2), не менее	350 ± 50	350 ± 50	350 ± 50	ГОСТ 15902.1
Неровнота по массе (%), не более	10	10	10	ГОСТ 15902.2
Разрывная нагрузка (Н),  не менее: по длине по ширине	210 180	210 180	210 180	ГОСТ 15902.3
Изменение линейных размеров после стирки и глажения (%),  не более: по длине по ширине	9.0 8.0	9.0 8.0	9.0 8.0	ГОСТ 23284
Воздухопроницаемость (дм3/м2 с), не менее	250	250	250	ГОСТ 12088

* -- по специальному заказу потребителя может быть изготовлено полотно с поверхностной плотностью от 150 до 300 г/м2.

5. Почему возможна сорбция ионов на волокнистых ионитах? Каков механизм такой сорбции?

Как отмечалось выше, волокнистые иониты характеризует:

· высокая степень очистки;

· высокая скорость сорбции ионов и молекул;

· широкий набор функциональных групп;

· высокая обменная ёмкость, химическая и осмотическая стабильность;

· малая линейная скорость фильтрации (до 0,1 м/с);

· большая фильтрующая поверхность в единице объёма фильтра (до 30 м2/м3);

· низкое аэро и гидродинамическое сопротивление;

Сама сорбция - поглощение твердым телом или жидкостью различных веществ (жидкостей либо газов) из окружающей среды. В нашем случае поглощение происходит благодаря активным реакционным центрам на ионите (карбоксильные, аммино- или амидные группы): проходящая элементарная реакция обмена (например, протона водорода на ион металла) позволяет поглотить, задержать ион на ионите. В растворе (воздухе и т. д.) остаются безвредные соединения. В случае с волокнистыми ионитами это возможно, в первую очередь, благодаря широкому набору функциональных групп и высокой скорости ионообменных реакций (актов сорбции). Значительную роль играет низкое аэро и гидродинамическое сопротивление, большая фильтрующая поверхность в единице объёма фильтра и химическая и осмотическая стабильность, что обусловлено волокнистой структурой ионообменника.



Литература

1. Долгоносов А.М. "Ионный обмен и ионная хроматография" М.: Химия, 1993г.-360с (78-80).

2. Ершов Ю.А., Попков В.А. и др. "Общая химия". "Биофизическая химия". "Химия биогенных элементов". Учеб. Для вузов - 2-е изд., М.: Высш. шк., 2000-560с (264-266).

3. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. "Методы очистки производственных сточных вод", - М.: Химия, 1996-345с (201-210с).

4. Кировская И.А., "Коллоидная химия". Поверхностные явления". Учебное пособие, Омск-1998г-176с (122-124).

5. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И., "Очистка сточных вод в химической промышленности" Л.: Химия, 1977-463с (310-312).

6. Скороходова В.А. "Очистка сточных вод" Омск-1982г-360с (194-198).

7. Чикин Г.А., Мягков О.Н., "Ионообменные методы очистки веществ". Учебное пособие Воронеж: изд-во ВГУ, 1984г-372с (300-312).

Размещено на Allbest.ru