Kapazität. Die Ionenaustauschkapazität kann auf verschiedene Arten ausgedrückt werden. Die Gesamtkapazität, dh die Gesamtzahl der für den Austausch verfügbaren Stellen, wird normalerweise nach der Umwandlung des Harzes durch chemische Regenerationstechniken in eine bestimmte ionische Form bestimmt. Das Ion wird dann chemisch aus einer abgemessenen Menge des Harzes entfernt und in Lösung mit herkömmlichen Analysemethoden quantitativ bestimmt. Die Gesamtkapazität wird als Trockengewicht, Nassgewicht oder Nassvolumen ausgedrückt. Abbildung 1. Schematische Darstellung des Kationenaustauschharzes mit negativ geladener Matrix und austauschbaren positiven Ionen. Die Wasseraufnahme eines Harzes und damit sein Nassgewicht und seine Nassvolumenkapazität hängen von der Beschaffenheit des Polymerrückgrats sowie von der Umgebung ab, in der die Probe platziert wird.
Die Betriebskapazität ist ein Maß für die nützliche Leistung, die mit dem Ionenaustauschermaterial erzielt wird, wenn es in einer Säule unter vorgeschriebenen Bedingungen betrieben wird. Sie hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter der inhärenten (Gesamt-)Kapazität des Harzes, dem Regenerationsgrad, der Zusammensetzung der behandelten Lösung, den Durchflussraten durch die Säule, der Temperatur, der Partikelgröße und -verteilung. Ein Beispiel ist in Abbildung 3 für den Fall der Wasserenthärtung mit einem Standard-Sulfonharz bei mehreren Regeneriermittelniveaus dargestellt. Schwellung.
Die Wasserquellung eines Ionenaustauschers ist in erster Linie eine Hydratisierung der fixierten ionischen Gruppen und nimmt mit zunehmender Kapazität bis zu den durch das Polymernetzwerk vorgegebenen Grenzen zu. Das Harzvolumen ändert sich mit der Umwandlung in ionische Formen mit unterschiedlichem Hydratationsgrad; Für einen Kationenaustauscher gibt es also eine Volumenänderung mit der einwertigen Ionenart Li + > Na + > K + > Cs + > Ag + . Bei mehrwertigen Ionen wird die Hydratation durch die Vernetzungswirkung verringert; daher ist Na + > Ca2 + > Al 3+ . In konzentrierteren Lösungen wird aufgrund des höheren osmotischen Drucks weniger Wasser aufgenommen. Selektivität. Ionenaustauschreaktionen sind reversibel. Durch Kontakt eines Harzes mit einem Überschuss an Elektrolyt (B + in der folgenden Reaktion) kann das Harz vollständig in die gewünschte Salzform umgewandelt werden: RA + + B + ! RB + +A + Allerdings stellt sich bei einer begrenzten Menge an B + im Chargenkontakt ein reproduzierbares Gleichgewicht ein, das von den Anteilen von A + und B + und von der Selektivität der Abbildung 2 abhängt. Gesamtkapazität vs. Kreuz- Bindung (Prozent DVB) Polystyrol-Sulfonsäureharz, H +-Form Abbildung 3. Betriebskapazität vs. Regeneriermittelniveau für Natriumkreislaufbetrieb, Sulfonsäureharzharz. Der Selektivitätskoeffizient KBA für diese Reaktion wird wie folgt angegeben: wobei m und sich auf die Ionenkonzentrationen in der Lösung bzw. in der Harzphase beziehen. Harzselektivitätskoeffizienten wurden für eine Reihe ionischer Spezies bestimmt und mit H + für Kationen und OH – für Anionen in Beziehung gesetzt, denen Selektivitätswerte von 1.00 zugeordnet werden. Kinetik. Die Geschwindigkeit, mit der der Ionenaustausch stattfindet. Der Ionenaustauschprozess umfasst die Diffusion durch den Lösungsfilm, der in engem Kontakt mit den Harzen steht, und die Diffusion innerhalb des Harzpartikels. Die Filmdiffusion ist bei niedrigen Konzentrationen geschwindigkeitskontrollierend und die Partikeldiffusion ist bei hohen Konzentrationen geschwindigkeitskontrollierend. Unabhängig davon, ob Filmdiffusion oder Partikeldiffusion der geschwindigkeitskontrollierende Mechanismus ist, ist auch die Partikelgröße des Harzes ein entscheidender Faktor. Harze mit einheitlicher Partikelgröße weisen im Vergleich zu herkömmlichen polydispersen Harzen eine verbesserte kinetische Leistung auf, da keine kinetisch langsameren größeren Perlen vorhanden sind.
Stabilität. Starke Oxidationsmittel wie Salpeter- oder Chromsäure zersetzen Ionenaustauscherharze schnell. Ein langsamerer Abbau mit Sauerstoff und Chlor kann katalytisch induziert werden. Aus diesem Grund sollten bestimmte Metallionen, beispielsweise Eisen, Mangan und Kupfer, in einer oxidierenden Lösung minimiert werden. Bei Kationenaustauschern erfolgt der Angriff hauptsächlich am Polymerrückgrat. Hochvernetzte Kationenharze haben eine längere Nutzungsdauer, da eine große Anzahl an Stellen angegriffen werden muss, bevor das Quellen die nutzbare volumenbasierte Kapazität verringert und inakzeptable physikalische Eigenschaften erzeugt, beispielsweise eine Verringerung der Druckfestigkeit und einen Anstieg des Druckabfalls. Bei Anionenaustauschern erfolgt der Angriff zunächst auf die anfälligeren funktionellen Gruppen, was zum Verlust der Gesamtkapazität und/oder zur Umwandlung einer starken Basenkapazität in eine schwache Basenkapazität führt. Die Grenzen der thermischen Stabilität werden bei Anionenharzen durch die Stärke der Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung vorgegeben. Diese Stärke ist pH-empfindlich und ein niedriger pH-Wert erhöht die Stabilität. Für Hydroxidkreislaufvorgänge wird eine Temperaturbegrenzung von 60 °C (140 °F) empfohlen. Die Stabilität des Kationenharzes hängt auch vom pH-Wert ab; Die Hydrolysestabilität der Kohlenstoff-Schwefel-Bindung nimmt mit sinkendem pH-Wert ab. Sie sind jedoch viel stabiler als Anionen und können bis zu 150 °C (300 °F) betrieben werden. Harzstruktur und Herstellung Die Herstellung von Ionenaustauschharzen umfasst die Herstellung eines vernetzten Perlencopolymers, gefolgt von der Sulfonierung im Fall von stark sauren Kationenharzen oder der Chlormethylierung und Aminierung des Copolymers im Fall von Anionenharzen. Kationenaustauscherharze.
Schwach saure Kationenaustauscherharze basieren hauptsächlich auf Acryl- oder Methacrylsäure, die mit einem difunktionellen Monomer (normalerweise Divinylbenzol [DVB]) vernetzt wurde. Der Herstellungsprozess kann mit der Suspensionspolymerisation des Esters der Säure beginnen, gefolgt von der Hydrolyse des resultierenden Produkts, um die funktionelle Säuregruppe zu erzeugen. Schwach saure Harze haben eine hohe Affinität zum Wasserstoffion und lassen sich daher leicht mit starken Säuren regenerieren. Das säureregenerierte Harz weist eine hohe Kapazität für die mit Alkalinität verbundenen Erdalkalimetalle und eine begrenztere Kapazität für die Alkalimetalle mit Alkalinität auf. Bei Neutralsalzen kommt es zu keiner nennenswerten Salzspaltung. Wenn das Harz jedoch nicht protoniert ist (z. B. wenn es mit Natriumhydroxid neutralisiert wurde), kann eine Erweichung auch in Gegenwart eines hohen Salzhintergrunds durchgeführt werden. Stark saure Harze sind sulfonierte Copolymere aus Styrol und DVB. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zum Kationenaustausch oder zur Spaltung neutraler Salze aus und sind im gesamten pH-Bereich einsetzbar. Anionenaustauscherharze. Schwachbasische Harze enthalten keine austauschbaren ionischen Stellen und fungieren als Säureadsorber. Diese Harze sind in der Lage, starke Säuren mit hoher Kapazität zu sorbieren und lassen sich leicht mit Lauge regenerieren. Sie sind daher besonders effektiv, wenn sie in Kombination mit einem starken Basisanion verwendet werden, da sie eine insgesamt hohe Betriebskapazität und Regenerationseffizienz bieten.
Ionic Systems PC-200 Resin wurde von der WQA unter Pure Resin Company, LTD getestet und zertifiziert. gegen NSF/ANSI 44 und 61.
