Ионообменный синтез

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 19Следующая ⇒

Ионообменный синтез охватывает процессы получения различных химических соединений (технических продуктов и химреактивов) из растворов, газов, суспензий или твердых веществ с использованием водонерастворимых ионообменных материалов (ионитов). Иониты представляют собой твердые высокомолекулярные соединения (природные или синтетические), содержащие в своей химической структуре активные группы, способные к обмену ионов в водных растворах, а также к другим характерным для содержащихся в растворах ионов химическим реакциям.

Наиболее распространено использование в качестве ионитов синтетических органических ионообменников (гранул, порошков, поропластов, волокон, тканей и др.) на основе сополимеров стирола, дивинилбензола, полихлорвинила, акрилонитрила, полиэтиленполиаминов и др., содержащих в качестве активных групп сульфогруппы (сильнокислотные катиониты), фосфорнокислые и карбоксильные группы (слабокислотные катиониты), группы четвертичного аммония (сильноосновные аниониты), группы линейных аминов и пиридина (слабоосновные аниониты). Практически иониты можно рассматривать как сильно или слабо диссоциирующие вещества в растворах полиэлектролитов типа солей, оснований и кислот.

Принципиально метод ионообменного синтеза неорганических соединений основан на взаимодействии между раствором электролита, содержащего один из ионов получаемого соединения (АХ) и ионитом, содержащим второй (противоположного знака) ион этого соединения. Реакции могут быть представлены уравнениями типа:

RA + ВХ ® RB + АХ (на катионите)

R'X + АY ® R'Y + АХ (на анионите)

(где R и R' - полимерная матрица катионита и анионита, соответственно, А, В - обмениваемые катионы, X, Y - обмениваемые анионы).

Возможность протекания ионообменных превращений, в том числе и таких, которые в растворах электролитов обычно неосуществимы (если все исходные компоненты и возможные продукты реакций являются сильными электролитами) обусловлена гетерогенным характером процессов (извлекаемые ионы В, Y выводятся из растворов в твердую фазу - водонерастворимый полиэлектролит).

Технологический цикл ионообменного синтеза включает также процесс регенерации ионита, восстанавливающий его исходную ионную форму:

RB + АZ ® RА + BZ

R'Y + СХ ® R'X + СY.

Выбор необходимого ионита и исходной ионной формы (противоиона) для осуществления требуемого ионообменного синтеза теоретически обусловливается химическими свойствами исходных соединений и целевого продукта, а также свойствами ионита.

Сложности, как правило, возникают при получении химических соединений, труднорастворимых в водных растворах, поскольку осадок продукта выпадает непосредственно в слое ионита и продукт после этого достаточно трудно выделить в чистом виде.

Процесс ионообменного синтеза проводится в статическом (контактирование раствора или суспензии с ионитом при перемешивании в замкнутом объеме) или динамическом (пропускание раствора или газового потока через слой ионита) режиме. Предлагаемое в работе задание основано на использовании динамического режима, который является значительно более распространенным.

Ионообменный синтез в динамическом режиме включает пропускание раствора, содержащего необходимые исходные компоненты, через слой ионита в сорбционной колонке. Практическая скорость фильтрации составляет 515 м³ раствора/м³ набухшего ионита в час (колоночных объемов/час) или 515 час^-1. Концентрации компонентов в исходном растворе обычно составляют 1030 масс. % (более высокие концентрации, желательные для получения концентрированного целевого продукта, не всегда приемлемы по причинам нарушения химической стойкости ионита, гидродинамики процесса и сложностей с промывкой сорбционного слоя после окончания процесса синтеза). Ионит для осуществления процесса синтеза помещается в ионообменную колонну (цилиндр) с соотношением Н/Д = 510, а рабочий раствор пропускается через слой ионита сверху вниз. Регенерация ионита осуществляется после завершения основного процесса промывкой слоя регенерирующим раствором сверху вниз или снизу вверх.

Количественными параметрами, учитываемыми и используемыми при ионообменных синтезах, являются следующие:

I) Сорбционная емкость ионита (концентрация активных групп) – (СОЕ). Она составляет для наиболее распространенных отечественных катионитов по ГОСТ 20298-74:

сульфокатионит КУ2 4,45,2 мг-экв/г;

карбоксильный катионит КБ2 1011 мг-экв/г;

карбоксильный катионит КБ4 8,510 мг-экв/г;

для анионитов по ГОСТ 2030174:

сильноосновный AB17 3,53,8 мг-экв/г;

слабоосновный АН1 4,55,5 мг-экв/г;

слабоосновный ЭДЭ10П 8,09,0 мг-экв/г.

2) Удельный объем набухшего ионита в колонне, мл/г:

КУ2 2,63,0; КБ2 2,63,0; КБ4 2,63,0;

AB17 3,03,4; АН1 2,22,3; ЭДЭ10П 2,83,5.

3) Выходные кривые сорбции зависимости концентраций обмениваемого (вытесняемого из ионита) иона в вытекающем из колонны растворе от объема пропущенного раствора.

4) Степень использования сорбционной емкости ионита как отношение количества введенного с исходным растворов (полностью поглощенного ионитом) иона к теоретической емкости, определяемой по п. п. 1,2.

Обычно процесс ионообменного синтеза прекращают до попадания в фильтрат после колонны обмениваемого иона (В, Y) в концентрации на уровне чувствительности метода анализа или специальных требований к качеству продукции. При этом, как правило, в единичном цикле степень использования сорбционной емкости ионита по п. 4 не превышает 50%.

Протекание процесса ионообменного синтеза в промышленности и лабораторной практике обычно контролируется периодическим анализом фильтрата (вытекающего из колонны раствора) на содержание обмениваемого и/или вытесняемого иона или измерением связанных с ним физико-химических характеристик (электропроводности, оптической плотности и т.п.). В ряде случаев, особенно в лабораторной практике, процесс можно проконтролировать визуально по движению окрашенного фронта сорбции (для этого чаще всего используются и меняющие окраску кислотно-основные или селективные индикаторы, прочно сорбируемые ионитом в процессе его предварительной подготовки и перевода в исходную форму).

Принцип метода:

Гидроксид натрия может быть получен пропусканием раствора хлорида натрия через колонку с анионитом в гидроксильной форме по реакции:

R'OH + NaCl ® R'CI + NаОН.

В качестве анионита может быть использована любая доступная анионообменная смола (AB17, АН1, ЭДЭ10П), но предпочтительно использование сильноосновного анионита AB17.

Щавелевая кислота может быть получена пропусканием раствора оксалата натрия через колонку с катионитом в водородной форме по реакции:

2RН + Na₂C₂O₄ ® 2RNa + H₂C₂O₄.

В качестве катионита предпочтительно использование сульфокатионита КУ2.

Протекание процессов контролируется периодическим определением в фильтрате свободного основания или кислоты ацидиметрическим-алкали-метрическим титрованием с соответствующими индикаторами.

Цель работы:

Получить гидроксид натрия из хлорида натрия и щавелевую кислоту из оксалата натрия на ионообменных колонках, проконтролировать ход процессов и определить практические выходы.

Дата добавления: 2016-01-06; просмотров: 108; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!