Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ ЕМКОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИОНИТА
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ ЕМКОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИОНИТА

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ ЕМКОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИОНИТА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в ионообменной технологии для испытания и аттестации свойств ионитов всех классов. Сущность: определение нормируемых показателей осуществляют в динамических условиях на одной пробе ионита объемом 5± 0,1 см3, помещенной в колонку с внутренним диаметром 0,85±0,05 см. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2036159
Класс(ы) патента: C02F1/42
Номер заявки: 4846743/26
Дата подачи заявки: 04.07.1990
Дата публикации: 27.05.1995
Заявитель(и): Кузбасский политехнический институт
Автор(ы): Иголинская Н.М.; Сивакова Л.Г.; Ступина Н.М.; Ротова Г.М.; Лесникова Н.П.
Патентообладатель(и): Кузбасский политехнический институт
Описание изобретения: Изобретение относится к методам контроля производства ионитов и может быть использовано в подотрасли ионитов и ионообменных технологиях (водоподготовка, гидрометаллургия, очистка растворов и др.) для испытания и аттестации нормируемых емкостных показателей качества ионитов в динамических условиях, а также в научных исследованиях при испытании новых образцов ионитов и отработке технологии их получения.
Известен способ определения нормируемых емкостных показателей качества ионитов в динамических условиях, состоящий из трех последовательных операций: регенерации, отмывки и насыщения. Определяемые этим способом показатели (полная динамическая обменная емкость ПОЕ, динамическая обменная емкость для проскока с полной регенерацией ДОEI, динамическая обменная емкость до проскока с заданным ограниченным расходом регенерирующего реагента ДОЕII, равновесная обменная емкость по расщепленной соли РОЕ) нормируются ГОСТ 20298 "Смолы ионообменные. Катиониты" и ГОСТ 20301 "Смолы ионообменные. Аниониты".
Недостатком этого способа является длительность испытания, связанная использованием для определения каждого нормируемого показателя отдельной специально подготовленной пробы объемом 100 см3, помещаемой в колонку с внутренним диаметром 2,5±0,1 см или 1,60±0,05 см. На подготовку и проведение операций испытания такого слоя требуется не менее 3 сут непрерывной работы трех смен лаборантов, в том числе и в ночное время.
Целью изобретения является сокращение продолжительности процесса определения показателей, соответствующих требованиям ГОСТ.
Для этого все нормируемые емкостные показатели определяются последовательно при испытании одной пробы ионита объемом 5,0±0,1 см3, помещенной в колонку с внутренним диаметром 0,85±0,05 см. Растворы реагентов и их концентрация сохраняются стандартными, одинаковыми с прототипом, а порядок операций и величина удельной нагрузки для испытания в динамических условиях подбирается на образце, качество которого установлено методом испытания по прототипу (ГОСТ 20255.2-84), таким образом, чтобы гарантировать качество в предлагаемом способе. Это возможно благодаря сохранению оптимального минимального числа теоретических тарелок в слое, необходимых для эффективного протекания ионообменных процессов в колонке.
При использовании предлагаемого способа время испытания сокращается до 2-8 ч, анализ выполняется одним оператором не более чем за одну рабочую смену, что повышает качество анализа, производительность аналитического контроля, за счет чего сокращаются затраты на складирование готового продукта до выдачи результатов анализа. В научных исследованиях при разработке новых марок и технологий значительно сокращаются сроки внедрения НИР.
Число теоретических тарелок зависит от высоты и диаметра слоя ионита, скорости и концентрации пропускаемых растворов и качества ионита, связанного с величинами скорости обмена ионами между фазами раствор ионит и глубиной установления равновесия в работающем слое, высота которого, эквивалентная теоретической тарелке, устанавливается экспериментально или рассчитывается по данным ионообменного хроматографического анализа. Для ионитов полимеризационного типа с гранулами правильной формы и некоторых поликонденсационных, типа КУ-1, АН-31, ЭДЭ-10П, оптимальный объем слоя, обеспечивающий от 15 до 40 теоретических тарелок, составляет 5 см3. Для поликонденсационных ионитов, имеющих более широкий диапазон размера частиц и соответственно высоту теоретической тарелки, объем слоя составляет 10-15 см3.
Пробу товарного ионита помещают в колонку, в качестве которой используют бюретку по ГОСТ 20292 вместимостью 25 см3 с ценой деления не более 0,1 см3, имеющую запирающий слой (стекловату, пористую перегородку). Растворы реактивов сохраняются стандартными по ГОСТ, а порядок операций, объем ионита и величины удельных нагрузок для испытания в динамических условиях подбирают на образцах, качество которых установлено анализом по ГОСТ, такими, чтобы гарантировать его и в этих условиях. Все емкостные показатели определяют из одной пробы последовательно. При этом время испытания сокращается с 3 сут до 2-6 ч, расход реактивов с 75 л до 2 л, анализ от начала до конца выполняет один оператор не более чем за одну рабочую смену, что повышает качество анализа и уменьшает время складирования партий.
Самая длительная стадия в испытании насыщение из разбавленного раствора (для КУ-2-8 это С(1/2CaCl2) 0,0035М). По предлагаемому способу все стадии последовательно выполняют с одной пробой. По прототипу каждый показатель определяется из отдельной, специально подготовленной пробы.
Хронометром рабочей смены по предлагаемому способу:
регенерация НСl 30 мин;
отмывка 10 мин;
насыщение из раствора С(1/2CaCl2)0,1М для определения ДОЕI:
ПДОЕ 1 ч;
отмывка 10 мин;
регенерация H2SO4 20-30 мин;
насыщение из раствора С(1/2 CaCl2)0,0035М для определения ДОЕII 2-2,5 ч.
Итого: 5 ч и 1 ч для обработки результатов.
Самая длительная стадия 120 мин.
120 мин Wф/33 см3/мин (33-объемная скорость регламентируемая Wф 3600 см3 прототипом).
При этом фильтрат нужно собирать порциями по 100 см3 и каждую титровать для определения "проскока". 100 см3 при скорости 33 см3/мин набирается за 3 мин. Этого времени мало, чтобы оттитровать пробу. Удобное время 10 мин, а следовательно, скорость пропускания 10 см3/мин.
120 Wр/10, Wф 1200 см3.
При этом слой может поглотить 1200 х x0,0035 72 ммоль эквивалентов кальция. Объемная обменная емкость качественного КУ-2-8 равна 2,0 ммоль экв/см3.
В 1 см3 содержится 2,0 ммоль эквивалентов кальция, значит 7,2 ммоль эквивалентов кальция содержится в слое, объем которого равен 3,6 см3 ≈ 4 см3.
Отношение диаметра зерна ионита к высоте слоя ионита для эффективной работы колонки равно 1:100 или 1:200. Средний размер диаметра зерен ионитов различных марок составляет 0,5-0,63 мм. Следовательно, желательно иметь высоту слоя, равную 63 мм.
Vслоя Н х S, т.е. 3,6 см3 6,3 см ˙ S, где S площадь поперечного сечения равна 0,57 см3, а диаметр (внутренний) колонки должен быть равен 0,85 см.
Поскольку речь идет об аттестационном способе ускоренного определения показателей качества, средства измерения должны быть также аттестованные или стандартные. Ближе всего по диаметру стандартное устройство бюретка по ГОСТ 20292 тип 1, 2 исполнения 1-5. Класс точности 1,2 вместимостью 25 см3 (dвнут 0,89±0,01 см). Площадь поперечного сечения бюретки 0,636 см2.
Vслоя 6,3 х 0,636 4,01 см3.
Поэтому вначале проводили испытания с пробой 4 см3, но результаты испытаний для качественных продуктов (качество устанавливали по ГОСТ) не соответствовали нормам ГОСТ 20301-74 "Смолы ионообменные. Катиониты".
Хроматографические колонки для ионообменной хроматографии, состоящие из трубок разного диаметра, имеют в конце запирающий слой из стекловаты или впаянную пористую перегородку.
Запирающий слой поддерживает уровень гранул и не позволяет им попасть в выходное отверстие колонки, что нарушает процесс фильтрования с заданной скоростью. Кроме того, он обеспечивает горизонтальное расположение слоев сорбента (ионита) и способствует равномерному распределению удельной нагрузки в каждом участке слоя ионита.
Работающий слой в колонке можно уподобить ректификационной колонне, имеющей определенное число тарелок.
Исследование слоя гранул различного диаметра при различных скоростях фильтрования рабочего раствора позволяет оценить ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке).
Например, для КУ-2-8 с диаметром гранул 0,5-0,63 мм при скорости фильтрации раствора кальция 10 см3/мин.
hраб ВЭТТ 0,305 см, а число тарелок N в слое высотой Н 6,4 см равно 20.
С увеличением диаметра зерна число тарелок уменьшается, а hраб увеличивается. В товарном продукте КУ-2-8 (как и в других марках) около 15-20% фракции более 063-0,8 мм. При загрузке колонки крупные фракции оседают первыми, что приводит к размыванию фронта обмена в конце колонки и наступлению "проскока" раньше, чем исчерпается рабочая емкость ионита.
Увеличить N можно уменьшением скорости пропускания, причем для фракции 0,63-0,8 мм hраб 0,54 см, а N 11 при скорости фильтрации 10 см3/мин. Значит скорость нужно уменьшить в два раза, чтобы обеспечить то же N, а это увеличивает время испытания более одной рабочей смены и противоречит поставленной цели.
Число N можно увеличить также увеличением слоя при сохранении той же скорости. Исследования показали, что для получения нормируемых показателей достаточно 5 см3 ионита. Дальнейшее повышение объема пробы ионита возможно, но при этом увеличивается время испытания.
В таблице приведены условия и время испытания по прототипу и предлагаемому способу.
П р и м е р 1. Пробу товарного сильнокислотного катионита а Н-форме объемом 5,0±0,1 см3 помещают в колонку с внутренним диаметром 0,85±0,05 см и пропускают 250 см3 0,1 М (1/2 CaCl2) раствора с удельной нагрузкой 60 дм3/дм3˙ч. Фильтрат собирают порциями в мерные колбы вместимостью 50 см3, и каждую порцию анализируют на содержание ионов кальция, устанавливая объем, когда произошел проскок ионов. По величине этого объема рассчитывают ДОЕI, а по сумме поглощенных слоем ионов кальция ПОЕ. После этого слой регенерируют расчетным ограниченным количеством 1%-ного раствора серной кислоты с той же удельной нагрузкой. При расчете расхода кислоты учитывается количество функциональных групп в слое катионита (ПОЕ слоя). После регенерации и отмывки водой слоя в фильтрате определяют количество десорбированных ионов кальция. Через частично отрегенерированный слой пропускают раствор 0,0035 М (1/2 СaCl2) с удельной нагрузкой 120 дм3/дм3˙ч, собирая фильтрат в мерную колбу 500 см3 и далее 100 см3 до проскока в фильтрат ионов кальция. По сумме поглощенных ионов кальция рассчитывают ДОЕII.
ДОЕI 1709±48 ммоль-экв/дм3;
ПОЕ 1,99±0,03 ммоль-экв/см3;
ДОЕII 585±25 ммоль-экв/дм3.
П р и м е р 2. Объем товарного сильноосновного анионита 5,0±0,1 см3 в Сl-форме в колонке с внутренним диаметром 0,85±0,05 см регенерируют 550 см3 2,5% -ного раствора едкого натра с удельной нагрузкой 60 дм3/дм3˙ч, собирая фильтрат в мерную колбу. Для расчета ПОЕ определяют общее количество десорбированных хлорид-ионов. Далее отрегенерированный слой насыщают 0,1 М (NaCl) раствором с той же удельной нагрузкой, собирая фильтрат порциями по 50 см3 и анализируя каждую на содержание гидроксил-ионов. Насыщение заканчивают при выравнивании концентрации последних в порциях фильтрата. По сумме десорбированных гидроксил-ионов рассчитывают РОЕ. Слой регенерируют второй раз, но уже ограниченным заданным расходом едкого натра, при расчете объема которого учитывается количество функциональных групп в слое. Регенерацию ведут с удельной нагрузкой 9,6 дм3/дм3˙ч, в фильтрате регенерации определяют количество десорбированных хлорид-ионов. Затем через слой пропускают 0,01М (NaCl) с удельной нагрузкой 30 дм3/дм3˙ч, собирая фильтрат порциями для определения проскока хлорид-ионов, после чего насыщение прекращают. По объему фильтрата до проскока определяют ДОЕII. ПОЕ 1,58±0,06 ммоль-экв/см3; РОЕ 1,1±0,2 ммоль-экв/см3; ДОЕII 737±41 ммоль-экв/дм3.
Формула изобретения: 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ ЕМКОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИОНИТА в динамических условиях, включающий операции насыщения, отмывки и регенерации, отличающийся тем, что, с целью сокращения продолжительности процесса определения показателей, определение проводят на одной пробе ионита объемом 5,0 ± 0,1 см3, помещенной в колонку с внутренним диаметром 0,85 ± 0,05 см.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворы пропускают с удельной нагрузкой:
для сильнокислотных катионитов:
Регенерация HCl, H2SO4 60 дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,1 М (1/2 Ca2+) 60 дм3/дм3 · ч;
0,01 М (1/2 Ca2+) 60 дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,0035 М (1/2 Ca2+) 120 дм3/дм3 · ч;
для сильноосновных анионитов:
Регенерация 2,5% NaOH 60 для ПОЕ и 9,6 для ДОЕII дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,1 М HCl 60 дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,01 М NaCl 30 дм3/дм3 · ч;
для слабоосновных анионитов полимеризационного типа:
Регенерация 2,5% NaOH 30 дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,1 М HCl 30 дм3/дм3 · ч;
для слабоосновных анионитов поликонденсационного типа:
Регенерация 2,5% NaOH 60 для ПОЕ и 9,6 дм3/дм3 · ч для ДОЕII;
Насыщение 0,1 М H2SO4 30 дм3/дм3 · ч;
Насыщение 0,01 М HCl 30 дм3/дм3 · ч.