содержание   ..   140  141  142  143  144  145  146  147  148  149  ..

§ 52. ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕРОДНЫХ ИОНООБМЕННИКОВ

Ионообменники — твердые, нерастворимые в воде вещества или материалы, способные к ионному обмену. Из растворов электролитов ионообменники могут поглощать положительные или отрицательные ионы, выделяя в раствор эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. По знаку заряда обменивающихся ионов ионообменники делят на катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов) в зависимости от того, какие свойства они проявляют: кислотные или основные. По химической природе ионообменники бывают неорганические и органические.

Важнейшее свойство ионообменников — поглотительная способность, так называемая ионообменная емкость. Ее выражают максимальным числом миллиграмм-эквивалентов (мг • экв) ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионообмен-ника в условиях равновесия с раствором электролита (статическая ионообменная емкость), или в условиях фильтрации раствора через слой ионообменников до «проскока» ионов в фильтрат (динамическая ионообменная емкость). Кроме высокой ионообменной емкости, к ионообменникам предъявляют ряд других существенных требований: селективности к определенным ионам, термической и химической стойкости, механической прочности и срока службы.

Применяют ионообменники при водоподготовке, в гидрометаллургии в процессах обогащения сырья, в химической, кожевенной, гидролизной, фармацевтической, пищевой промышленности, в производственной практике, науке и быту. Использование ионообменников позволило усовершенствовать методы качественного и количественного анализа многих неорганических и органических веществ.

В ЦНИЛХИ (А. Н. Завьялов с сотрудниками) совместно с институтом физической химии АН УССР было показано, что в определенных условиях проходит эффективное поверхностное окисление древесных углей, приводящее к получению древесного окисленного угля (ДОУ)—углеродного ионообменника, на

поверхности которого имеются различные функциональный группы: карбоксильные, спиртовые, фенольные, карбонильные, хинонные, лактонные, перекисные, энольные и др. Кажущаяся плотность ДОУ 0,45—0,52, истинная плотность 1,5—1,9 г/см³, пористость 75—82 %, удельное электрическое сопротивление 2,1 • 10⁸- 1,5 • 10¹¹ Ом *см. Элементный состав, %: углерода 55— 75, водорода 1,5—4, кислорода 18—40, минеральных примесей 2,5—0,4.

Свойства ДОУ определяются характером поверхностных функциональных групп, их количественным соотношением и фор­мой (водородной или катионозамещенной). В зависимости от этого ДОУ проявляет комплексообразующие, ионообменные, электронообменные или каталитические свойства.

Технология получения ДОУ позволяет путем изменения ре­жима окисления и последующих обработок целенаправленно формировать химическую структуру поверхности ДОУ и полу­чать углеродные ионообменники различного назначения. Разра­ботана технология получения ионообменников: ДОУ-1, ДОУ-2, ДОУ-Зс, ДОУ-4с, ДОУ-5, ДОУ-6 и др.

В сравнении с ионообменными смолами ДОУ имеет ряд пре­имуществ: более термостоек (до 300 °С), обладает высокой ра­диационной и химической устойчивостью (не растворяется, не набухает и не слипается во всех средах), отличается исключительной избирательностью, нетоксичен, что позволяет использовать его в производстве особо чистых веществ и в пищевой промыш­ленности. ДОУ можно использовать не менее 5 лет. Его регенерируют путем обработки минеральными кислотами. После длительного срока эксплуатации он может быть легко ликвидирован путем сжигания, так как в отличие от ионообменных смол он сгорает до двуокиси углерода и воды без образования ядовитых веществ. Технология получения ионообменников различна. Для наглядности опишем процесс выработки ионообменников ДОУ-2 и ДОУ-Зс. Процесс для ДОУ-2 периодический, состоит из следующих основных стадий: окисления древесного угля, охлаж­дения окисленного угля и его термообработки, окисления термообработанного угля, обеззоливания ионообменника, сушки и упаковки ионообменника.

Сущность процесса выработки ионообменника ДОУ-2 заклю­чается в следующем. Древесный уголь с размером гранул 2—5                 мм окисляют кислородом воздуха, предварительно подогре­того и равномерно продуваемого через слой угля до ионообмен­ной емкости 1—1,5 мг*экв/г, а затем охлаждают. Охлажден­ный окисленный уголь термообрабатывают без доступа воздуха и возвращают на повторное окисление до ионообменной емкости 0,8—1 мг*экв/г. После второго окисления уголь снова термооб­рабатывают и окисляют в третий раз до ионообменной емкости не менее 1 мг-экв/г. Полученный ионообменник обеззоливают минеральной кислотой, промывают дистиллированной водой, сушат и упаковывают.

Ионообменник ДОУ-Зс также получают по периодическому процессу, включающему окисление древесного угля, охлаждение окисленного угля и его перевод в солевую форму, окисление со­левой формы окисленного угля, обеззоливание ионообменника, сушку и упаковку ионообменника.

Древесный уголь-сырец с размером гранул 2—5 мм окис­ляют до ионообменной емкости 1—1,5 мг*экв/г и охлаждают. Затем окисленный уголь переводят в солевую форму раствором едкого натра, промывают дистиллированной водой до pH рас­твора 8—9, сушат и направляют на повторное окисление до ионообменной емкости 2—2,5 мг*экв/г. После второго окисле­ния уголь повторно переводят в солевую форму раствором едкого натра, промывают, сушат и окисляют в третий раз до ионо­обменной емкости 3—3,5 мг • экв/г, после чего окисленный уголь обеззоливают раствором соляной кислоты, промывают дистилли­рованной водой до нейтральной реакции и в третий раз переводят в солевую форму. ДОУ-Зс в солевой форме промывают дистиллированной водой, сушат и упаковывают.

Основные аппараты для получения углеродного ионообмен­ника следующие: для окисления древесного угля, для термооб­работки окисленного угля и для обеззоливания, промывки и сушки обеззоленного угля. Аппарат для окисления древесного угля, термообработанного окисленного угля и окисленного угля представляет собой металлическую камеру. С целью исключения загрязнения ДОУ ионами металла при его коррозии аппарат для окисления и термообработки угля должен быть изготовлен из нержавеющей стали. В камеру окисления подается подогретый в калориферах воздух. Охлаждение угля после окисления производится на воздухе. Аппарат для термообработки окислен­ного угля представляет собой шахтную печь с электрообогревом, снабженную снизу секторным питателем, из которого уголь поступает на ленту конвейера камеры окисления. Аппарат для обеззоливания, промывки и сушки обеззоленного угля — эмали­рованный реактор с паровой рубашкой для подогрева, к которому подведены линия сжатого воздуха для перемешивания рас­творов и вакуумная линия для сушки обеззоленного угля. Ап­парат имеет верхний штуцер для загрузки угля и нижний для выгрузки обеззоленного угля.