Научно исследовательский проект по химии «Иониты»

Содержание.

Введение 3

1. Литературный обзор 3

1.1 Способы чистки воды 4

1.2 Ионный обмен 7

1.2.1. Катионирование

1.2.2. Анионировние

1.2.3. Гелевые и макропористые ионообменные смолы

1.3 Что такое иониты 10

1.4 Применение ионитов в фильтрах умягчения воды 13

2. Практическая часть 15

2.1 Арагон - полимер с пространственно глобулярной структурой 15

2.2 Анализ воды, результаты 22

Заключение 24

Список литературы 25

Введение

Наступление нового тысячелетия еще раз подтвердило, что одной из самых актуальных проблем человечества в новом веке есть и остается получение и очистка питьевой воды, водоподготовка. Питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Санитарное состояние большей части открытых водоемов России в последние годы улучшилось из-за уменьшения сброса стоков промышленных предприятий, но все еще остается тревожным. Вода, которую мы потребляем, обязательно должна быть чистой. Болезни, которые передаются через загрязненную воду, вызывают ухудшение здоровья, инвалидность и гибель огромного числа людей, особенно детей.

Опыт работы в анализе качества питьевой воды показал, что к наиболее распространенным загрязнителям воды относятся: железо, марганец, органические соединения, фториды, соли кальция и магния, др. Компании производят и поставляет широкий спектр оборудования для очистки воды. Фильтрационное оборудование (фильтры очистки воды) занимает значимую часть в этом спектре, среди которого фильтры механической очистки воды, фильтр обезжелезивания, угольные фильтры, фильтры умягчения воды, фильтрующие материалы, ионообменные смолы.

Целью нашей работы является изучение механизма работы ионитов и их применение в фильтрах для воды.

Задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Собрать информацию об ионитах.

Изучить механизм работы ионитов.

Провести исследования качества питьевой воды, очищенной с помощью фильтра.

Объект исследования: иониты.

Предмет исследования: ионный обмен.

Актуальность: вода, которую мы употребляем требует дополнительной очистки. Население использует фильтры для очистки воды, в которых находится полимер, работающий по принципу ионного обмена.

Методы:

Эксперимент.

Наблюдение.

Анализ.

1.1 Способы чистки воды

Для очистки воды в бытовых условиях люди используют разные способы. Однако далеко не все знают, как правильно их необходимо осуществлять и какой может при этом возникнуть побочный эффект.

Все способы очистки воды можно условно разделить на две группы: очистка без использования фильтров и очистка с использованием фильтров.

Очистка воды без использования фильтров.

Данный вариант наиболее распространен и доступен, поскольку для очистки воды не требуется приобретение дополнительных устройств, кроме как обычной кухонной посуды. К наиболее распространенным способам относятся:

Кипячение

Отстаивание

Вымораживание

Все мы с детства знаем, что сырую воду пить нельзя, но только кипяченую. Кипячение используют для уничтожения органики (вирусов, бактерий, микроорганизмов и др.), удаления хлора и других низкотемпературных газов (радон, аммиак и др.). Кипячение действительно помогает в некоторой степени очистить воду, однако данный процесс имеет ряд побочных эффектов. Первый - при кипячении изменяется структура воды, т.е. она становится "мертвой", поскольку происходит испарение кислорода. Чем больше мы кипятим воду, тем больше погибает в ней патогенов, но тем более она становится бесполезной для организма человека. Второе - поскольку при кипячении происходит испарение воды, то концентрация солей в ней увеличивается. Они отлагаются на стенках чайника в виде накипи и извести и попадают в организм человека при последующем потреблении воды из чайника.

Таким образом, после кипячения мы пьем "мертвую" воду, в которой присутствуют мелкая взвесь и механические частицы, соли тяжелых металлов, хлор и хлорорганика (хлороформ), вирусы и др.

Отстаивание

Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Как правило, для этого водопроводную воду наливают в большое ведро и оставляют в нем на несколько часов. Без перемешивания воды в ведре удаление газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды, поэтому для получения сколь-либо заметного эффекта необходимо следовать разработанным методикам отстаивания.

Таким образом, эффективность данного способа очистки воды оставляет желать лучшего. После отстаивания необходимо кипятить воду.

Вымораживание

Данный способ применяют для эффективной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Данный способ намного эффективнее кипячения и даже перегонки, поскольку фенол, перегоняются вместе с водяным паром.

Многие под данным способом понимают следующее: налить воду в посуду и поставить ее в холодильник до появления льда, после вынуть посуду из холодильника и разморозить ее для питья. Сразу заметим, что эффект очистки воды вышеприведенным способом равен нулю, поскольку вымораживание - очень сложный и долгий процесс, эффективность которого целиком зависит от точного следования разработанным методикам.

Данный способ основывается на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а уж в последнюю очередь в наименее холодном месте затвердевает все, что было растворено в основном веществе. Данное явление можно наблюдать на примере свечи. В потухшей свече подальше от фитиля получается чистый прозрачный парафин, а в середине, где горел фитиль, собирается сажа и воск получается грязным). Этому закону подчиняются все жидкие вещества. Главное здесь - обеспечить медленное замораживание воды и вести его так, чтобы в одном месте сосуда его было больше, чем в другом. Поскольку данный способ занимает несколько страниц, то приводить его здесь не будем. Отметим лишь то, что приготовление воды методом вымораживания может длиться несколько часов с постоянным отслеживанием процесса. В противном случае эффективность резко снижается.

По литературным данным вода, которую хозяйки несколько часов пытались приготовить методом вымораживания, была немного лучше водопроводной воды. Это еще раз подтверждает то, что вымораживание - непростой процесс, который имеет свои тонкости и далеко не все рекомендации здесь приводят к ожидаемому эффекту.

Очистка воды с использованием фильтров

Для удаления вредных примесей из воды используют различные фильтры. В бытовых условиях широко используются различные кувшины и насадки на кран.

Озонирование воды

Озонирование воды представляет собой специальный метод водоподготовки, при котором происходит тщательная и комплексная очистка воды без каких либо вредных и побочных эффектов. Обработка воды озоном имеет большие и неоспоримые преимущества перед другими технологиями, представленными на рынке. Озон, как природный окислитель, благодаря своей высокой активности, при смешивании с очищаемой водой, достаточно быстро окисляет загрязнения, переводя их из растворенного состояния во взвесь, которая легко задерживается на самом угольном фильтре. Остаток озона трансформируется опять в кислород, из которого он и был произведен, вода же, пройдя через угольный фильтр - осветлитель подается непосредственно Потребителю. Процесс обработки питьевой воды озоном происходит достаточно быстро, при этом не требуется никаких расходных реагентов, материалов, регламентных работ, в самой воде не образуется вредных примесей, сохраняется минеральный состав и уровень Ph, другими словами, очистка является абсолютно экологически безопасной. Большинство самых распространенных загрязнений, это металлы, за исключением золота и платины, и другие загрязнения - практически все органического происхождения, подвержены непосредственно озоновому окислению. Имея повышенную стерилизующую способностью, озон оказывает обеззараживающее воздействие на различных возбудителей вирусных заболеваний, в том числе и на споры, невосприимчивые к хлорной обработке. Благодаря обработке воды озоном, Потребитель всегда получает очищенную, насыщенную кислородом и обеззараженную питьевую воду, самого высокого качества.

Серебрение воды

Испокон веков серебро служило для поддержания свежести воды. В прошлом веке в сосуд с водой клали серебренную монету. В настоящее время для ухода за водой в спа-бассейнах производители поставляют капсулу обогащения воды с серебром. Ag⁺, что служит дополнительным заслоном на пути развития нежелательной микрофлоры. Капсула находится внутри фильтра и всегда пребывает в контакте с водой, циркулирующей 24 часа в сутки. Она так же легко, как и фильтры, может быть самостоятельно заменена. Срок службы капсулы составляет 3-4 месяца.

1.2Ионный обмен – основной метод очистки воды

от ионных загрязнений

Ионный обмен – процесс обмена ионов твердой матрицы (ионита) с ионами раствора. Ионный обмен является одним из основных методов очистки воды от ионных загрязнений, глубокого ее обессоливания. Наличие разнообразных ионообменных материалов позволяет решать задачи очистки вод различного химического состава с высокой эффективностью. Это единственный метод, дающий возможность выборочно, селективно извлекать из раствора некоторые компоненты, например, соли жесткости, тяжелые металлы. Иониты - твердые нерастворимые вещества, имеющие в своем составе функциональные группы, способные к ионизации в растворах и обмену ионами с электролитами. При ионизации функциональных групп возникают две разновидности ионов: одни жестко закреплены на каркасе (матрице) R ионита, другие - противоположного им знака (противоионы), способные переходить в раствор в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака из раствора. Иониты разделяют на два типа: катиониты и аниониты. Эти названия объясняют тем, какие противоионы, в процессе диссоциации, выделяет ионит в ближайшее водное окружение. Если зерно ионита само заряжено отрицательно, в водную среду выходят противоионы в виде положительно заряженных противоионов, какими могут быть ионы водорода (Н⁺) или ионы металлов (Меn⁺), то такой ионит называют катионитом, так как при диссоциации образуются противоионы – катионы. Если зерно ионита само заряжено положительно, в водную среду отделяются от него противоионы в виде отрицательно заряженных противоионов, какими обычно могут быть ион гидроксила (ОН^-) или кислотные остатки (Аnn^-), то такой ионит называют анионитом, так как при диссоциации образуются противоионы – анионы. Способностью к ионному обмену обладают многие природные вещества: глины, апатиты, угли, а также синтетические вещества, гидроксиды железа и алюминия, смолы. Ионообменные смолы имеют особое значение. Только с их появлением ионообменные процессы нашли широкое промышленное применение.

Катионирование. Умягчение Na⁺ - катионированием. Основными уравнениями натрий-катионирования для кальциевых и магниевых солей жесткости являются:

Са(НСО₃)₂ + 2NaR ---->СаR₂ + 2NaНСО₃

CaSO₄ + 2NaR ----> СаR₂ + Na₂SO₄

CaCl₂ + 2NaR ---> СаR₂ + 2NaCl

Mg (HCO₃)₂ + 2NaR ----> MgR₂ + 2NaНСО₃

MgSO₄ + 2NaR ---->MgR₂ + Na₂SO₄

MgCl₂ + 2NaR ---->MgR₂ + 2NaCl, где R –

полианион катионита. В уравнении R представлен однозарядным лишь формально, для упрощения записи. Фактически полианион катионита имеет потенциальное число зарядов, равное числу его функциональных групп. В процессе натрий-катионирования качественный состав солей совершенно изменяется потому, что катионы жесткости (Са²⁺ и Mg²⁺) оказываются задержанными на катионите. Соответственно уравнения ионного обмена наиболее часто содержащихся в воде солей примут следующий вид:

Са(НСО₃)₂ + 2НR ---->СаR₂ + 2СО₂ + 2Н₂О

CaSO₄ + 2НR ---->СаR₂ + Н₂SO₄

CaCl₂ + 2НR ---->СаR₂ + 2НCl

Mg (HCO₃)₂ + 2НR ---->MgR₃ + 2СО₂ + Н₂О

MgSO₄ + 2НR ---->MgR₂ + Н₂SO₄

MgCl₂ + 2НR ---->MgR₂ + 2НCl,

NaНСО₃ + НR ---->NaR + СО₂ + 2Н₂О

NaSO₄ + 2НR ---->NаR + Н₂SO₄

NaCl + НR ---->NаR + НCl

В первой части приведенных уравнений видно, что не только катионы жесткости (Са⁺ и Mg²⁺), но и другие катионы (Na⁺) оказались поглощенными катионитом. Произошло полное превращение солей в кислоты. В присутствии сильных кислот (Н₂SO⁴ и НCl) бикарбонатные ионы не могут существовать: происходит их превращение в углекислый газ и воду, что приводит к полному уничтожению щелочности воды, но вода, содержащая кислоты, непригодна для использования. На практике процессом Н⁺ -катионирования пользуются в комбинированном процессе Н⁺-Na⁺ - катионирования, сущность которого заключается в следующем: часть потока воды обрабатывают по способу Н⁺-катионирования, а другую по способу Nа⁺-катионирования. При этом вода от первого процесса приобретает сильные кислоты, которые могут нейтрализовать излишнюю щелочность Na⁺ катионированной воды.

Анионирование. В водоподготовке применяется так же один из основных процессов для удаления из воды примесей - анионирование.

Анионирование воды проводится с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксида. При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов,так и катионов в обмен на ионы ОН и Н.

При фильтровании через слой анионита осуществляется сорбция анионов согласно реакциям:

RОН + Cl^-= RCl + OH^-;

2RОН + SO₄^2- = R₂SO₄+ 2OH^-

Высокое значение рН в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот Н₂СO₃ и Н₂SiO₃ и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена.

Регенерацию анионитных фильтров проводят 4 % - ным раствором NaOH.

Ионообменный метод опреснения и обессоливания основан на последовательном фильтровании воды через H-катионитовый, а затем HCO^3-, OH^- или СО₃^2--анионитовый фильтр. В H-катионитовом фильтре содержащиеся в воде катионы, главным образом Ca (II), Mg (II) и Na (I), обмениваются на водород-катионы:

Как правило, при пропускании воды после Н-катионитовых фильтров через ОН^-анионитовые фильтры аниониты образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН^-:

Образующийся в процессе разложения гидрокарбонатов СО₂ (при прохождении воды через Н-катионитовый фильтр) удаляется в декарбонизаторе .

Регенерация фильтров включает в себя взрыхление и отмывку ионита от механических примесей, приготовление раствора кислоты (для фильтров Н-катионирования) или щёлочи (для фильтров ОН-анионирования) и подачу его в слой ионита, отмывку смолы от остатков регенерационного раствора. Замена фильтрующего слоя производится через 7-10 лет. Обслуживание фильтров заключается в периодическом заливе реагентов в баки для регенерации и периодической проверке правильности установки текущего времени на таймере блока управления и кратности включения процесса регенерации.

1.3Что такое иониты

Иониты - синтетический материал, обладающий способностью к реакциям ионного обмена благодаря особой структуре их молекул, состоящих из твердой нерастворимой молекулярной сетки к которой присоединены активные группы ионов (так называемые функциональные). Таким образом, ионообменные материалы являются своеобразными твердыми электролитами, образованными в результате полимеризации и специальной обработки различных смол с образованием в них функциональных групп, способных к электролитической диссоциации. В зависимости от характера активных групп ионита, его подвижные, способные к обмену ионы могут иметь положительный заряд, и тогда ионит называют катионитом, или отрицательный заряд, и тогда ионит называют анионитом.

Катиониты - могут содержать ионы натрия (Na⁺), водорода (Н⁺) и аммония (NH⁴⁺) - в зависимости от применяемого регенеранта, которые переходят в раствор и замещаются катионами, содержащимися в воде. Водород обменивается на все катионы, а натрий - на катионы железа (Fe²⁺), калия (К⁺), кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺ ) и аммония (NH⁴⁺). После насыщения смолы фильтры из работающего состояния переводятся в режим регенерации, при котором катиониты обрабатываются регенерационными растворами, для смолы в Н⁺- форме это кислота, для Na⁺ -формы это соль. Обратный обмен происходит за счет большой концентрации в растворе ионов натрия или водорода. Катиониты нерастворимы в воде, растворах минеральных кислот, щелочей и в органических растворителях.

Катионирование - процесс обмена катионов между веществами (электролитами), растворенными в воде, и твердым нерастворимым веществом (катионитом), через который пропускают воду. Однако для практики водообработки важными являются два катиона: натрий и водород. В зависимости от того, каким из этих катионов «заряжен» катионит, различают два процесса: натрий-катионирование (Na-катионирование) и водород-катионирование (Н-катионирование). При Na-катионировании обменным катионом является натрий. При Н-катионировании - водород. Изредка применяют аммоний катионирование (NH⁴⁺ - катионирование), обменный катион - аммоний.

Катиониты подразделяются: карбоксильные (слабокислотные); сильнокислотные.

Слабокислотные катиониты применяются для уменьшения щелочности, при этом, пропорционально щелочности уменьшается жесткость.

Сильнокислотные катиониты применяются для умягчения воды и поглощают катионы жесткости.

Аниониты- могут содержать ионы ОН-, Сl-, СO₃^2-, НСO₃^-. Регенерирующим веществом для смол, содержащих ОН^-, будет щелочной раствор (NaOH). Для смол, содержащих Сl^- -форму, регенерирующим веществом будет солевой раствор (NaCl). Помимо удаления анионов, они работают еще и на удаление органики.

Анионирование - процесс обмена анионов между растворенным в воде электролитами и твердым зернистым веществом, погруженным в воду. В качестве обменного чаще всего используется анион ОН", хотя могут использоваться и другие анионы. Анионирование может осуществляться при разных значениях водородного показателя (рН) обрабатываемой воды. Однако наиболее эффективно оно происходит в кислой среде, когда в воде присутствуют только ионы водорода. Поэтому для достижения глубокого удаления анионов обрабатываемую воду сначала пропускают через Н-катионит, а затем через анионит. При фильтровании через анионит кислой водород-катионированной воды происходит замена анионов кислот обменным анионом.

В результате чего происходит почти полное удаление из воды анионов сильных и слабых кислот. И образование слабо диссоциирующих соединений Н₂O и СO₂ . Благодаря последнему обстоятельству реакции необратимы, т. е. идут в одну сторону - слева направо. Это важное свойство процесса анионирования. Этим качеством процесс катионирования не обладает.

Аниониты подразделяются: слабоосновные; среднеосновные; сильноосновные.

Слабоосновные аниониты работают на удаление анионов сильных кислот.

Сильноосновные аниониты работают на удаление всех анионов.

Смолы как катиониты, так и аниониты подразделяются на:

Гелевые;

Макропористые.

Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии, они имеют большую обменную емкость: на 15-20% больше, чем смолы макропористого типа. Макропористые смолы - имеют более высокие прочностные характеристики - по сравнению с гелевыми - такие как механическая, химическая, термическая прочность и осмотическая стабильность. К тому же макропористые смолы лучше поглощают органические вещества и лучше отмываются при регенерации.

Помимо того что смолы могут быть гелевыми и макропористыми они еще подразделяются по строению матрицы на: стирольные (основа - стирол-дивинилбензол (ДВБ)) и акриловые (основа - акрил-дивинилбензол (ДВБ)).

Различия в свойствах акриловых и стирольных смол сильнее всего заметны по отношению к загрязнению органическими соединениями. Акриловые смолы при примерно равной степени сорбции органики из воды существенно отличаются от стирольных по удалению органических веществ из смолы при регенерации. За счет этого акриловые смолы гораздо легче переносят органическое загрязнение. Это свойство акриловых смол особенно важно для слабоосновных анионитов. Другим преимуществом акриловых смол перед стирольными является легкость регенерации сильноосновных анионитов. К недостаткам акриловых смол можно отнести меньшую сорбцию кремниевой кислоты из воды.

1.4Применение ионитов в фильтрах умягчения воды

Ионообменные смолы широко применяется во всех существующих процессах водоподготовки в пищевой, сахарной, химической, нефтеперерабатывающей и другой промышленности.

Бурное развитие промышленности, к сожалению, не лучшим образом сказалось на нашей экологии. Не стала исключением и вода. Поэтому, прежде, чем пить воду или что-то из нее готовить, мы стали задумываться над ее качеством. И что же делать, если оно нас не удовлетворяет? Ответ прост: улучшить его, и тем самым защитить себя и своих близких от негативных последствий после употребления некачественной воды. В настоящее время разработаны и внедрены многочисленные методы очистки воды. Рынок предлагает нам широкий выбор бытовых фильтров для очистки воды. Одним из самых доступных является кувшинный фильтр. Этот фильтр сможет служить Вам даже на отдыхе, так как он компактный и не требует специального подключения.

Преимущества таких фильтров

простота в эксплуатации;

доступная цена;

высокая степень очистки воды;

взаимозаменяемость фильтрующих элементов.

Имея простую конструкцию, состоящую из емкости, фильтрующего элемента и крышки, кувшинный фильтр позволяет очистить триста литров воды не только от механических, но и от органических примесей. Предложения от ведущих производителей кувшинных фильтров (Россия, Германия, Польша) удовлетворят любые практические и эстетические требования, так как кувшинные фильтры выпускаются разных размеров, конструкций и цветов. Поэтому каждый желающий имеет возможность приобрести фильтр того размера, который позволяет свободное пространство на его кухне, а также подходящий ему по цвету.

Фильтрация воды в кувшинном фильтре происходит за счет сорбционных процессов, происходящих между водой, содержащей различные примеси, и сорбентом-накопителем картриджа, закрепленного внутри корпуса кувшинного фильтра. В качестве сорбента, наряду с традиционно применяемым активированным углем, применяется целый ряд современных материалов, которые не только очищают воду, но и смягчают ее. Для борьбы с бактериями в фильтрующих элементах применяют серебро.

Применяя в быту кувшинный фильтр для воды и, строго выполняя инструкцию по его использованию, Вы сможете обеспечить свой организм кальцием и магнием в количествах, достаточных для нормальной жизнедеятельности, благодаря ежедневному потреблению качественной воды и здоровой пищи, приготовленной на этой воде.

Материалом, используемым в фильтрах умягчения воды, чаще всего служит ионообменные смолы, зернистая структура которых обеспечивает наиболее полный контакт с водой. Ионообменные смолы содержат полимерные функциональные группы, где и находятся ионы натрия. При проходе воды через загрузку ионы натрия заменяют собой ионы магния и кальция, оставаясь в воде, а ионы жестких солей, напротив, остаются в фильтрующем материале. Предельный уровень содержания натрия в воде — 200 мг/л — очень высок, что гарантирует безопасность подобного умягчения воды фильтрами ионного обмена, так как то незначительно повышение содержания ионов натрия в воде никоим образом не скажется на организме человека.

Заключительным этапом умягчения воды фильтрами можно считать процесс промывки фильтрующего материал, без которой фильтр приходит в нерабочее состояние.

Следует заметить, что промывка ионообменных смол в современных системах умягчения воды осуществляется не так часто, как должна была производится, к примеру, при использовании устаревших материалов загрузки. Однако следует помнить, что срок службы загрузки напрямую зависит от объема и уровня жесткости воды.

Регенерирующая жидкость по сути является раствором обычной поваренной соли, позволяющая вымывать из фильтра задержанные загрузкой соли.

Ионообменные смолы обладают одним недостатком — чувствительностью к хлору, который постепенно разрушает загрузочный материал.

Сегодня применение хлора в качестве дезинфицирующего средства широко распространено на муниципальных установках умягчения воды, поэтому так важна комплексная очистка воды, которая осуществляется при использовании бытовых систем очистки воды.

От этой проблемы, однако, можно избавиться и иным путем — в качестве загрузочного материала можно употреблять смолы ядерного класса, устойчивые к воздействию хлора. Особенно актуален этот совет при умягчении воды фильтрами в бассейнах, где через фильтр проходят огромные объемы воды.

Сегодня удаление солей из воды посредством фильтров умягчения, основанных на принципе ионного обмена, является наиболее распространенным методом умягчения воды. Этот метод умягчения воды считается одним из самых простых и дешевых и используется как в бытовых системах очистки воды, так и на станциях с системами водоподготовки.

II Пракическая часть

2.1 Арагон - полимер с пространственно глобулярной структурой

Полимеры с пространственно глобулярной структурой впервые были синтезированы в СССР в середине прошлого века как разновидность ионообменных смол.

ПГС-полимеры - принципиально новые материалы, сочетающие в себе сразу три метода фильтрации: механический, сорбционный и ионообменный. Ни один из существующих материалов не дает очистки по такому широкому спектру химических соединений, как ПГС-полимеры,

ПГС-полимеры - это высокомолекулярные соединения. Их можно получить из самых разных мономеров: резорин, пирокатехин, гидрохинон, меламин, карбамид и др. В процессе синтеза ПГС-полимеров образуются микроглобулы - длинные полимерные цепочки, свернутые в клубок. Микроглобулы, соединяясь между собой, создают пористую и одновременно механически прочную структуру /Рис.1/

Микроглобулы обладают большой внутренней поверхностью (до 500 м²/г). Сама же поверхность микроглобул покрыта активными группами, на которых и происходит ионный обмен. Удаляемые ионы непосредственно взаимодействуют с химически активной поверхностью полимера, минуя традиционную для ионообменных смол стадию диффузии вглубь гранулы /см. рис. 2/. В результате скорость объемной фильтраиии ПГС-полимеров в 10-20 раз выше, чем у обычных гранулированных ионообменных смол. Это важное достоинство ПГС-полимеров.

Удаление механических примесей в основном идет в поверхностных слоях полимера. Размер пор может быть любым в диапазоне: 0.01-3.5 мкм.

В настоящее время фирмой «Гейзер» изучены и отработаны технологии производства более чем 30 модификаций ПГС-полимеров. Получены материалы, как с катионообменными, так и с анионообменными свойствами.

Область применения ПГС-полимеров широка и включает в себя очистку:

• Питьевой воды и горячей воды

• Соков, вин, подсолнечного масла

• Технических жидкостей, кислот и щелочей

• Сточных вод, в т.ч. содержащих нефтепродукты

• Газов, включая выхлопные газы

Применение ПГС-полимеров для очистки воды.

Для комплексного удаления из воды вредных примесей лучшие показатели имеет полимер на основе резорцина - "АРАГОН". Он успешно прошел жесткие испытания на соответствие Российским и мировым стандартам (NSF) для использования в системах очистки питьевой воды. По ионообменному и сорбционному механизму материал удаляет растворенные химические элементы (от алюминия до тяжелых и радиоактивных металлов) и их соединения.

Соли жесткости, растворенное и коллоидное железо, тяжелые металлы и их соединения удаляются за счет ионообменных свойств смолы и полимера.

Сорбционная способность "АРАГОНА" сравнима с лучшими марками активированного угля и обеспечивает эффективную очистку от активного хлора, хлорорганических и органических соединений.

Механическая фильтрация всех частиц с размерами большими, чем размеры внешних пор материала, происходит на поверхности. Канал фильтрации имеет сложную извилистую форму с градиентной пористостью.

Это делает невозможным сброс отфильтрованных вредных примесей в очищенную воду, что нередко бывает при скачках давления. Число свободных каналов в материале постепенно уменьшается, снижая напор очищенной воды. Фильтрующий элемент на основе материала «АРАГОН» может использоваться многократно.

Лабиринтная внутренняя структура материала «АРАГОН» служит барьером для микроорганизмов. Большинство бактерий и вирусов имеют вытянутую форму (0,5 - 20 мкм.), поэтому они запутываются в извилистых каналах материала. Для подавления размножения задержанных микроорганизмов в материал полимера введено серебро в форме, полностью исключающей миграцию в чистую воду.

Материал имеет высокую механическую прочность и допускает механическую обработку (цилиндры, диски и т.п.). Фильтроматериал "АРАГОН" успешно использовался в районах, подвергшихся заражению после "Чернобыля"

Уникальное свойство материала "АРАГОН" - квазиумягчение. При прохождении воды сквозь фильтро-материал меняется структура солей жесткости. В результате в очищенной воде не образуется накипь. Вода приобретает свойства, благотворно воздействующие на живой организм.

Для борьбы с накипью обычно применяют системы на основе ионообменных смол или обратно-осмотические установки. Они просто удаляют из воды избыточные соли жесткости. Это надежный, но дорогой способ.

Другой путь избавления от накипи - оставить в воде соли жесткости, но изменить их структуру так, что они перестают давать прочные отложения при нагревании. Как правило, накипь состоит из карбоната кальция в форме кальцита. Существует, однако, еще одна кристаллическая модификация карбоната кальция - арагонит. Способность объединяться между собой и прилипать к поверхностям у кристаллов этой формы карбоната кальция существенно ниже, чем у кальцита. Арагонит выделяется в объеме жидкости в виде хрупкого и рыхлого осадка.

Установки магнитной обработки воды до настоящего времени были единственными системами, использующими это свойство арагонита для устранения накипи. Оказалось, что такой же результат дает новая модификация фильтра «Гейзер», названная «Арагон». Опыт длительной эксплуатации фильтра «Гейзер-Арагон» на жесткой воде в различных регионах многократно выявлял один и тот же эффект. Даже когда ионообменная емкость фильтра давно исчерпана, вода, пропущенная через фильтр «Гейзер», все равно не дает накипи и даже смывает ранее образовавшуюся накипь.

Наблюдаемый феномен назван нами эффектом «КВАЗИУМЯГЧЕНИЯ».

Исследования, проведенные во Всероссийском Институте Минерального сырья РАН, методом рентгенографического анализа также свидетельствуют о значительном увеличении количества арагонитовой формы карбоната кальция в воде после фильтра.

Совместные исследования с Венским Университетом, проведенные на жесткой воде в Австрии и Германии, подтвердили эффект «квазиумягчения» с появлением арагонита и позволили описать механизм этого явления.

Что же происходит с солями жесткости при фильтрации? В воде соли жесткости находятся в виде нетастабильных образований, называемых кластерами. Материал «АРАГОН» представляет собой пористую структуру, образованную множеством извилистых каналов. Постоянно возрастающее давление за счет сужения канала при движении кластера сквозь материал вызывает сдвиг химического равновесия в сторону растворения углекислого газа, который всегда присутствует в воде. Химическая активность полимера «Гейзер-Арагон» в сочетании с высокоразвитой пористой структурой создают условия для перекристаллизации кластеров из кальцита в арагонит. В момент выхода из фильтрующего материала давление сначала возрастает до максимума, а затем резко падает. Происходит выделение углекислого газа, и он быстро улетучивается из воды. То же самое можно наблюдать, открыв бутылку с газированной водой. Выделение углекислоты несколько увеличивает рН воды, смещая равновесие в сторону образования карбонатов. В результате возникает пресыщение раствора по карбонатам кальция и образование укрупненных зародышей арагонита. При последующем нагревании растворимость арагонита падает, Известно, что арагонит менее устойчив к пресыщению, чем кальцит. Поэтому его выделение происходит с большей скоростью и, что важно с практической точки зрения, не на поверхности, а в объеме раствора.

Процесс фильтрации материалом «АРАГОН» изменяет физическую структуру солей жесткости на арагонитовую без сколько-нибудь заметного изменения минерального состава воды. Эффект «квазиумягчения» достигается без применения дополнительных устройств и является уникальным свойством фильтроматериала. Свойства арагонитовой воды не образовывать накипь и постепенно разрушать ранее возникшие отложения позволяют предположить, что то же будет происходить и в живом организме с отложениями в почках, так называемыми «камнями». О том, как на живые организмы влияет вода, пропущенная через «Гейзер-Арагон», модифицированный вариант фильтра «Гейзер», позволяют судить результаты испытаний Военно-Медицинской Академии Санкт-Петербурга.

Исследования проводились на двух группах белых крыс в течение 30 дней методом слепого эксперимента. Животные 1 группы получали обычную «жесткую» воду из под крана, а 2 группа получала ту же воду, пропущенную через фильтр «X-Арагон». Перед тем, как давать воду крысам 2 группы, фильтр «X - Арагон» длительно эксплуатировался на жесткой воде. В результате он насытился солями кальция/магния, а жесткость исходной и обработанной воды практически выровнялась. Это позволило исключить фактор химического изменения состава воды и проследить влияние на крыс только эффекта «квазиумягчения». Наиболее значимые отличия между животными разных групп были получены при анализе осадка мочи (см. рисунок). Налицо наличие у животных 1 группы кристаллов большого размера, являющихся главным строительным материалом для образования почечных камней. Эти крупные образования при движении наносят механические повреждения внутренним тканям почек и мочевым каналам. Это подтверждается наличием у животных в моче белка и частиц крови. Такие микротравмы служат источником развития внутренних инфекций.

Можно утверждать, что при употреблении жесткой воды, очищенной фильтром «X-Арагон», в моче уменьшается как размер, так и количество кристаллов, провоцирующих камнеобразование. Такое позитивное изменение состава мочи, возможно в ответ на повышенное поступление в организм кальция, который, как известно, лучше усваивается организмом в составе арагонита.

Арагонитовая форма солей жесткости способствует лучшему усвоению кальция организмом, улучшая работу желудочно-кишечного тракта, снижет нагрузку на почки и риск образования камней.

Вода после фильтра «X-Арагон» служит естественным немедикаментозным средством профилактики мочекаменной болезни.

Очищение воды от железа.

Новый универсальный материал для удаления растворенного железа создан на основе природного материала – доломит – путем введения в него каталитических добавок. Принцип удаления основан на ускорении процесса перевода его в нерастворимую форму гидроокиси (окисление) с последующей простой механической фильтрацией. Скорость этого процесс резко зависит от кислотности (уровня рН) среды, где происходит реакция. Повышение рН только на 1 (например с 7 до 8 рН) увеличивает скорость реакции образования гидроокиси в 1000 раз. Гидроокись железа сама по себе способствует более эффективному окислению растворенного железа («железо чистит железо») и поглощает глину песок и органические вещества.

Свойство кальцита ускорять окислительные процессы позволяет ему эффективно справляться и с высокими концентрациями марганца.

Наиболее полно все преимущества данного фильтрующего материала реализуются в многоступенчатых системах, при поэтапной очистке воды.

Кальцит – очищает воду от железа, марганца, взвеси, ила и песка.

Арагон – механическая и химическая очистка от бактерий и вирусов. Нормализует рН.

Активированный уголь – кондиционирование воды. Очищает от хлора и органики.

2.2 Анализ воды, результаты

Для исследования были взяты три образца воды: водопроводная вода, вода, прошедшая очистку через фильтр «X» и вода, прошедшая очистку через фильтр «X1». Все образцы были проанализированы в Чапаевской СЭС. Результаты химического анализа всех трех образцов сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что лучшие показатели имеет образец воды, прошедший очистку через фильтр «X», в котором в качестве разновидности ионообменной смолы используется полимер с пространственно глобулярной структурой «Арагон». Уменьшена концентрация нитрат - ионов, хлорид - ионов, сульфат - ионов; снижена общая жесткость воды и концентрация сухого остатка.

Так же следует заметить, что эти показатели в воде, очищенной с помощью фильтра «X» несколько лучше, чем у воды, очищенной с помощью фильтра «X1».

Заключение

Изучив литературу по теме «иониты» и проведя химический анализ воды, очищенной с помощью бытовых фильтров, в которых используется ионообменный механизм очистки, мы пришли к следующим выводам:

Основным методом очистки воды является метод ионного обмена.

В основе ионообменного процесса лежит процесс катионирования и анионирования.

Иониты используются во всех существующих процессах водоподготовки в пищевой, сахарной, химической, нефтеперерабатывающей промышленности.

В бытовых фильтрах для умягчения воды используются полимеры, работающие по принципу ионного обмена.

Сравнив данные химического анализа разных образцов воды, мы пришли к выводу, что наиболее полную очистку воды дает фильтр «X», содержащий полимер с пространственно-глобулярной структурой – «Арагон».

Список литературы

1. Вулих А. И., Ионообменный синтез, М., 1973;

2. Громов С.Л. Основные пути совершенствования технологии водоподготовки в СНГ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1998.

3. Зубакова Л. Б., Тевлина А. С, Даванков А. Б., Синтетические ионообменные материалы, М., 1978;

4. Кокотов Ю. А., Иониты и ионный обмен, Л., 1980;

5. Полянский Н. Г., Горбунов Г. В., Полянская Н. Л., Методы исследования ионитов, М., 1976;

6. Тулупов П. Е., Стойкость ионообменных материалов, М., 1984. А. Б. Пашков.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/25039-nauchnoissledovatelskij-proekt-po-himii-ioni