1. Tipos básicos de resinas de intercambio iónico
(1)?Resinas catiónicas fuertemente ácidas
Este tipo de resina contiene una gran cantidad de grupos ácidos fuertes, como el sulfonato. El grupo ácido -SO3H se disocia fácilmente en H+ en la solución, por lo que es fuertemente ácido. Una vez disociada la resina, los grupos cargados negativamente contenidos en el cuerpo, como el SO3-, pueden adsorber y unirse a otros cationes en la solución. Estas dos reacciones intercambian H+ en la resina con cationes en la solución. La resina fuertemente ácida tiene una fuerte capacidad de disociación y puede disociarse y producir intercambio iónico en soluciones ácidas o alcalinas.
Después de que la resina se utiliza durante un período de tiempo, es necesario regenerarla, es decir, se utilizan productos químicos para hacer que la reacción de intercambio iónico transcurra en la dirección opuesta, de modo que los grupos funcionales de la resina volver a su estado original para su reutilización. Como se mencionó anteriormente, la resina catiónica se regenera con ácido fuerte. En este momento, la resina libera los cationes adsorbidos y luego se combina con H+ para restaurar su composición original.
(2)?Resina catiónica débilmente ácida
Este tipo de resina contiene grupos débilmente ácidos, como el carboxil-COOH, que pueden disociar el H+ en agua y volverse ácido. Los grupos cargados negativamente restantes después de la disociación de la resina, como R-COO- (R es un grupo hidrocarbonado), pueden adsorberse y combinarse con otros cationes en la solución para producir intercambio catiónico. La acidez de esta resina, es decir, la propiedad de disociación, es débil y es difícil disociar y realizar el intercambio iónico a pH bajo. Solo puede funcionar en soluciones alcalinas, neutras o ligeramente ácidas (como pH 5 a 14). . Este tipo de resina también se regenera con ácido (más fácil de regenerar que las resinas fuertemente ácidas).
(3) Resina aniónica fuertemente básica
Este tipo de resina contiene grupos básicos fuertes, como el grupo amino cuaternario (también conocido como grupo amino cuaternario)-NR3OH (R es carbono Hidrógeno grupo), puede disociarse en OH- en agua y volverse fuertemente alcalino. Los grupos cargados positivamente de esta resina pueden adsorberse y combinarse con los aniones en la solución, produciendo así intercambio aniónico.
Esta resina es altamente disociativa y puede funcionar normalmente en diferentes condiciones de pH. Se regenera con una base fuerte (como NaOH).
(4) Resina aniónica débilmente básica
Este tipo de resina contiene grupos débilmente básicos, como el grupo amino primario (también conocido como grupo amino primario)-NH2, el grupo amino secundario ( Grupo amina secundaria)-NHR, o grupo amina terciaria (grupo amina terciaria)-NR2, pueden disociarse en OH- en agua y volverse débilmente alcalinos. Los grupos cargados positivamente de esta resina pueden adsorberse y combinarse con los aniones en la solución, produciendo así intercambio aniónico. Esta resina en la mayoría de los casos adsorbe todas las demás moléculas de ácido en la solución. Sólo puede funcionar en condiciones neutras o ácidas (como pH 1 ~ 9). Se puede regenerar con Na2CO3 y NH4OH.
(5)? Transformación de resina iónica
Los anteriores son los cuatro tipos básicos de resina. En el uso real, estas resinas a menudo se convierten en otras formas iónicas para satisfacer diversas necesidades. Por ejemplo, las resinas catiónicas ácidas fuertes a menudo se hacen reaccionar con NaCl para convertirlas en resinas de tipo sodio para su reutilización. Al trabajar, la resina de sodio libera Na+ e intercambia adsorción con cationes como Ca2+ y Mg2+ en la solución para eliminar estos iones. No se libera H+ durante la reacción, lo que puede evitar la caída del pH de la solución y los efectos secundarios resultantes (como la conversión de sacarosa y la corrosión del equipo, etc.). Después de usar esta resina en forma de sodio, se puede regenerar con salmuera (no se usa ácido fuerte). Otro ejemplo es que la resina aniónica se puede convertir en cloro para su reutilización. Libera Cl- durante la operación y adsorbe e intercambia otros aniones. Su regeneración solo requiere una solución de agua salada. La resina de cloro también se puede convertir en carbonato de hidrógeno (HCO3-) para su funcionamiento. Después de convertirse en formas de sodio y cloro, las resinas fuertemente ácidas y las resinas fuertemente alcalinas ya no tienen una acidez fuerte ni una alcalinidad fuerte, pero aún tienen otras propiedades típicas de estas resinas, como una fuerte disociación y un amplio rango de pH de trabajo.
2. Composición de la matriz de resina de intercambio iónico
Las principales materias primas para la matriz de la resina de intercambio iónico son el estireno y el ácido acrílico (éster). El agente enlazante divinilbenceno sufre una reacción de polimerización. para formar un polímero con una estructura de esqueleto en red de largas cadenas moleculares y cadenas cruzadas entrecruzadas. Primero se utiliza resina estirénica y después resina acrílica.
Las propiedades de adsorción de estos dos tipos de resinas son muy buenas, pero tienen características diferentes. La resina acrílica puede intercambiar y adsorber la mayoría de los pigmentos iónicos, tiene una gran capacidad decolorante y los materiales adsorbidos son más fáciles de eluir y de regenerar. Puede usarse como principal resina decolorante en las fábricas de azúcar.
La resina de estireno es buena para adsorber sustancias aromáticas y pigmentos polifenólicos (incluidos los cargados negativamente o sin carga) en el jugo de azúcar; sin embargo, es difícil eluir durante la regeneración; Por lo tanto, la solución de azúcar primero se decolora en forma gruesa con resina acrílica y luego se decolora finamente con resina de estireno, lo que puede aprovechar al máximo las ventajas de ambos.
El grado de reticulación de la resina, es decir, el porcentaje de divinilbenceno utilizado en la polimerización de la matriz de la resina, tiene una gran influencia en las propiedades de la resina. Generalmente, las resinas con un alto grado de entrecruzamiento se polimerizan más estrechamente, son fuertes y duraderas, tienen una mayor densidad, tienen menos huecos internos y son más selectivas para los iones, mientras que las resinas con un bajo grado de entrecruzamiento tienen mayor; Poros y tienen capacidades de decoloración más fuertes, la velocidad de reacción es más rápida, pero la expansión es mayor durante el trabajo, la resistencia mecánica es ligeramente menor y es relativamente frágil y quebradiza. El grado de reticulación de las resinas iónicas para aplicaciones industriales generalmente no es inferior al 4%; el grado de reticulación de las resinas utilizadas para la decoloración generalmente no es superior al 8% del grado de reticulación de las resinas utilizadas únicamente para adsorber iones inorgánicos; puede ser mayor.
Además de las dos series anteriores de estireno y acrílico, la resina de intercambio iónico también se puede fabricar polimerizando otros monómeros orgánicos. Como la serie fenólica (FP), la serie epoxi (EPA), la serie vinilpiridina (VP), la serie urea-formaldehído (UA), etc.
3. Estructura física de la resina de intercambio iónico
Las resinas iónicas suelen dividirse en dos tipos: tipo gel y tipo macroporoso.
El esqueleto polimérico de la resina gel no presenta poros en su interior cuando está seco. Se hincha cuando absorbe agua, formando poros muy finos entre los enlaces de macromoléculas, a menudo llamados microporos. El diámetro medio de los poros de la resina húmeda es de 2 a 4 nm (2×10-6 a 4×10-6 mm).
Este tipo de resina es más adecuada para adsorber iones inorgánicos. Su diámetro es pequeño, generalmente de 0,3 a 0,6 nm. Este tipo de resina no puede adsorber sustancias orgánicas macromoleculares porque estas últimas son de mayor tamaño. Por ejemplo, las moléculas de proteínas tienen un diámetro de 5 a 20 nm y no pueden entrar en los poros microscópicos de este tipo de resina.
La resina macroporosa se fabrica añadiendo un porógeno durante la reacción de polimerización para formar una estructura porosa similar a una esponja con una gran cantidad de microporos permanentes en su interior, y luego introduciendo grupos de intercambio. Tiene microporos y macroporos, y el diámetro de los poros de la resina humedecida alcanza de 100 a 500 nm. Su tamaño y número se pueden controlar durante la fabricación. La superficie de los canales se puede incrementar hasta superar los 1000m2/g. Esto no solo proporciona buenas condiciones de contacto para el intercambio iónico, acorta la distancia de difusión de iones, sino que también agrega muchos centros activos de eslabones de cadena, lo que genera adsorción molecular a través de la fuerza de Van de Waal entre las moléculas y puede adsorber como carbón activado varios no iónicos. sustancias para ampliar sus funciones. Algunas resinas macroporosas sin grupos funcionales de intercambio también pueden adsorber y separar una variedad de sustancias, como los fenoles en las aguas residuales de las plantas químicas.
Los poros internos de la resina macroporosa son muchos y grandes, el área de superficie es grande, hay muchos centros activos, la velocidad de difusión de iones es rápida y la velocidad de intercambio iónico también es mucho más rápida, aproximadamente diez veces más rápido que la resina en gel. Es rápido y eficiente cuando se utiliza, y se acorta el tiempo de procesamiento requerido. La resina macroporosa también tiene muchas ventajas: resistencia a la hinchazón, no es fácil de romper, resistencia a la oxidación, resistencia al desgaste, resistencia al calor y al cambio de temperatura, y una adsorción e intercambio más fácil de macromoléculas orgánicas, por lo que tiene una fuerte resistencia a la contaminación y es relativamente fácil. para regenerarse.
4. Capacidad de intercambio iónico de la resina de intercambio iónico
El rendimiento de la resina de intercambio iónico en la reacción de intercambio iónico se refleja en su "capacidad de intercambio iónico", es decir, por gramo de seco. resina o por El número de miliequivalentes de iones que pueden intercambiarse por mililitros de resina húmeda, meq/g (seco) o meq/mL (húmedo) cuando el ion es monovalente, el número de miliequivalentes es el número de milimoléculas (para); iones divalentes o multivalentes, el primero es el segundo multiplicado por la valencia del ion). También cuenta con tres métodos de expresión: "capacidad de conmutación total", "capacidad de conmutación de trabajo" y "capacidad de conmutación de regeneración".
1. La capacidad de intercambio total representa la cantidad total de grupos químicos que pueden realizar reacciones de intercambio iónico por unidad de cantidad (peso o volumen) de la resina.
2. La capacidad de intercambio de trabajo indica la capacidad de intercambio iónico de la resina bajo ciertas condiciones. Está relacionada con el tipo de resina y la capacidad de intercambio total, así como con las condiciones de trabajo específicas como la composición de la solución, el caudal. temperatura y otros factores.
3. La capacidad de intercambio de regeneración representa la capacidad de intercambio de la resina regenerada obtenida bajo una determinada condición de dosis de regeneración, lo que indica el grado de regeneración y restauración de los grupos químicos originales en la resina.
Normalmente, la capacidad de intercambio de regeneración es del 50-90% de la capacidad de intercambio total (generalmente controlada al 70-80%), mientras que la capacidad de intercambio de trabajo es del 30-90% de la capacidad de intercambio de regeneración (por ejemplo). resina reciclada), esta última relación también se denomina tasa de utilización de resina.
En el uso real, la capacidad de intercambio de la resina de intercambio iónico incluye la capacidad de adsorción, pero la proporción de esta última varía dependiendo de la estructura de la resina. Todavía no es posible calcular por separado en el diseño específico, es necesario corregirlo en función de datos empíricos y revisarlo durante la operación real.
La medición de la capacidad de intercambio de las resinas iónicas se realiza generalmente utilizando iones inorgánicos. Estos iones son de tamaño pequeño y pueden difundirse libremente en el cuerpo de resina y reaccionar con todos los grupos de intercambio en su interior. En aplicaciones prácticas, la solución suele contener materia orgánica de alto peso molecular. Su tamaño es grande y es difícil entrar en los poros microscópicos de la resina. Por lo tanto, la capacidad de intercambio real será menor que el valor medido con iones inorgánicos. Esta situación está relacionada con el tipo de resina, el tamaño estructural de los poros y el material a procesar.
5. Selectividad de adsorción de la resina de intercambio iónico
La resina de intercambio iónico tiene diferentes afinidades por diferentes iones en la solución y es selectiva en su adsorción. Existen reglas generales sobre la fuerza con la que las resinas intercambian y adsorben diversos iones, pero diferentes resinas pueden tener ligeras diferencias. Las reglas principales son las siguientes:
(1)? Adsorción de cationes
Los iones de alta valencia generalmente se adsorben preferentemente, mientras que los iones de baja valencia se adsorben débilmente. Entre iones del mismo tipo con la misma valencia, los iones con diámetros mayores se adsorben con mayor fuerza. El orden en el que se adsorben algunos cationes es el siguiente:
Fe3+?>Al3+?>Pb2+?>Ca2+?>Mg2+?>K+?>Na+?>H+
(2 )? Para aniones El orden general de adsorción de radicales de ácidos inorgánicos por resina aniónica básica fuerte es:
SO42->NO3->Cl->HCO3->OH-
El general El orden de adsorción de aniones por una resina aniónica débilmente básica es el siguiente:
OH－> Citrato 3－ > SO42－ > Tartrato 2－ > Oxalato 2－ > PO43－ >NO2－ > Cl- >Acetato- > HCO3-
(3)?Adsorción de sustancias coloreadas
Las resinas aniónicas fuertemente básicas se utilizan a menudo para decolorar líquidos azucarados La adsorción de productos de reacción con aminoácidos) y productos de descomposición alcalinos. de azúcares reductores es fuerte, pero la adsorción de pigmentos de caramelo es débil. Se cree que esto se debe al hecho de que los dos primeros generalmente tienen carga negativa, mientras que el caramelo tiene una carga débil.
Generalmente, las resinas con un alto grado de reticulación tienen una mayor selectividad iónica y las resinas de estructura macroporosa tienen una selectividad menor que las resinas tipo gel. Esta selectividad es mayor en soluciones diluidas y menor en soluciones concentradas.
6. Propiedades físicas de la resina de intercambio iónico
El tamaño de partícula y las propiedades físicas relacionadas de la resina de intercambio iónico tienen un gran impacto en su trabajo y rendimiento.
(1) Tamaño de las partículas de resina
La resina de intercambio iónico generalmente se convierte en pequeñas partículas en forma de cuentas, y su tamaño también es importante. Las que tienen partículas de resina más finas tienen una velocidad de reacción más rápida, pero las partículas finas tienen una mayor resistencia al paso del líquido y requieren una mayor presión de trabajo, especialmente cuando la viscosidad del azúcar líquido concentrado es alta, este efecto es más significativo; Por lo tanto, el tamaño de las partículas de resina debe seleccionarse apropiadamente. Si el tamaño de las partículas de resina es inferior a 0,2 mm (aproximadamente 70 mallas), aumentará significativamente la resistencia al paso del fluido y reducirá el caudal y la capacidad de producción.
El método de tamizado húmedo se utiliza generalmente para medir el tamaño de las partículas de resina. La resina se tamiza después de que ha absorbido completamente el agua y se ha hinchado, y la cantidad acumulada se retiene en los días 20, 30, 40, 50. .. los tamices de malla se calculan ya que el 90 % de las partículas pueden pasar a través de su diámetro de malla correspondiente, lo que se denomina "tamaño de partícula efectivo" de la resina. El tamaño de partícula efectivo de los productos de resina más comunes está entre 0,4 y 0,6 mm.
La uniformidad de las partículas de resina se expresa mediante el coeficiente de uniformidad. Se basa en la medición del gráfico de coordenadas del "tamaño de partícula efectivo" de la resina, tomando la cantidad de retención acumulada como el 40% de las partículas y la relación correspondiente entre el diámetro del orificio del tamiz y el tamaño de partícula efectivo.
Por ejemplo, el tamaño de partícula efectivo de una resina (IR-120) es de 0,4 a 0,6 mm, y las partículas retenidas en el tamiz de malla 20, el tamiz de malla 30 y el tamiz de malla 40 son: 18,3%, 41,1%, y 31,3% respectivamente, entonces el cálculo es El coeficiente de uniformidad es 2,0.
(2)? Densidad de la resina
La densidad de la resina cuando está seca se llama densidad verdadera. El peso de la resina húmeda por unidad de volumen (incluidos los espacios entre partículas) se denomina densidad aparente. La densidad de la resina está relacionada con su grado de reticulación y la naturaleza de los grupos de intercambio. Generalmente, las resinas con un alto grado de reticulación tienen una mayor densidad. Las resinas fuertemente ácidas o fuertemente alcalinas tienen una mayor densidad que las resinas débilmente ácidas o débilmente alcalinas, mientras que las resinas macroporosas tienen una densidad menor. Por ejemplo, la densidad real de la resina catiónica de ácido fuerte de tipo gel de estireno es 1,26 g/ml y la densidad aparente es de 0,85 g/ml, mientras que la densidad real de la resina catiónica de ácido débil de tipo gel acrílico es de 1,19 g/ml; la densidad aparente es 0,75 g/ml.
(3)? Solubilidad de la resina
La resina de intercambio iónico debe ser una sustancia insoluble. Sin embargo, las sustancias con un bajo grado de polimerización mezcladas en la resina durante el proceso de síntesis, así como las sustancias generadas por la descomposición de la resina, se disolverán durante la operación. Las resinas con menor grado de reticulación y grupos más activos tienen mayor tendencia a disolverse.
(4)? Grado de hinchazón
La resina de intercambio iónico contiene una gran cantidad de grupos hidrófilos, que absorben agua y se hinchan al entrar en contacto con el agua. Cuando los iones en la resina cambian, como la resina catiónica cambia de H+ a Na+, y la resina aniónica cambia de Cl- a OH-, todos se expanden debido al aumento en el diámetro del ión, aumentando el volumen de la resina. Generalmente, las resinas con un bajo grado de reticulación tendrán un mayor grado de expansión. Al diseñar una unidad de intercambio iónico, se debe considerar la expansión de la resina para adaptarse a los cambios en el volumen de la resina que ocurren como resultado de la conversión iónica en la resina durante un ciclo de producción.
(5) Durabilidad
Las partículas de resina sufren cambios como transferencia, fricción, expansión y contracción durante el uso. Habrá una pequeña cantidad de pérdida y rotura después de un uso prolongado. por lo que la resina debe ser relativamente estable. Alta resistencia mecánica y resistencia al desgaste. Generalmente, las resinas con un bajo grado de reticulación son más fáciles de romper, pero la durabilidad de la resina depende principalmente de la uniformidad y resistencia de la estructura reticulada. Por ejemplo, las resinas macroporosas con mayor grado de reticulación tienen una estructura estable y pueden soportar una regeneración repetida.
7. Tipos de resinas de intercambio iónico
Existen muchos fabricantes y variedades de resinas de intercambio iónico en el país y en el extranjero. Hay docenas de plantas de fabricación nacionales, las principales incluyen la Fábrica de Resinas de Shanghai, la Fábrica de Productos Químicos de la Universidad de Nankai, la Fábrica de Resinas del Instituto de Investigación Química de Chenguang, la Fábrica de Resinas de Nanjing, etc.; las extranjeras más famosas incluyen la serie Amberlite producida por la estadounidense Rohm &; Hass Company, serie Dow Chemical Company Dowex, serie francesa Duolite y serie Asmit, serie japonesa Diaion, serie Ionac, serie Allassion, etc. La mayoría de los grados de resina los determina cada fabricante o país. Algunos productos extranjeros usan la letra C para representar resina catiónica (C es la primera letra del catión) y A representa la resina aniónica (A es la primera letra del anión). Por ejemplo, IRC e IRA de Amberlite son resina catiónica y resina aniónica respectivamente. Representan resina catiónica y resina aniónica respectivamente. El Ministerio de Industria Química de mi país estipula (HG2-884-76) que el número de modelo de resina de intercambio iónico consta de tres números arábigos. El primer número representa la clasificación del producto: 0 representa acidez fuerte, 1 representa acidez débil, 2 representa alcalino fuerte, 3 representa alcalino débil, 4 representa quelante, 5 representa anfótero y 6 representa redox. El segundo dígito representa diferentes estructuras esqueléticas: 0 representa el sistema de estireno, 1 representa el sistema acrílico, 2 representa el sistema fenólico, 3 representa el sistema epoxi, etc. El tercer dígito es el número de secuencia, que se utiliza para distinguir diferencias en la matriz, grupos de entrecruzamiento, etc. Además, se añade la letra D antes del número para resina macroporosa. Por tanto, D001 es una resina estirénica macroporosa fuertemente ácida.