Ионообменные смолы

Федеральное агентство по образованию

      ГОУ ВПО «Сибирский государственный  индустриальный университет» 
 
 
 

Кафедра металлургии цветных металлов

 и  химической технологии 
 
 

КНИР  по дисциплине «Организация научных  исследований» 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. МЦМ-09

Алексеева Е.А.

Проверил: профессор

Руднева В. В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1.1 Ионообменные смолы и их применение  в цветной металлургии 

        Ионообменные смолы, синтетические  высокомолекулярные (полимерные) органические  иониты. В соответствии с общей  классификацией ионитов Ионообменные смолы делят на катионообменные (поликислоты), анионообменные (полиоснования) и амфотерные, или биполярные (полиамфолиты). Катионообменные смолы бывают сильно и слабокислотные, анионообменные — сильно и слабоосновные. Если носителями электрических зарядов молекулярного каркаса ионообменной смолы являются фиксированные ионы только одного типа, то такие ионообменные смолы называются монофункциональными. Если же смолы содержат разнотипные ионогенные группы, они называются полифункциональными. По структурному признаку различают микропористые, или гелевидные, и макропористые ионообменные смолы

        Широкое использование ионитов  в гидрометаллургии, химической  технологии и других областях  началось после создания ионообменных  синтетических смол. Выпускаемые  в настоящее время ионообменные смолы, обладающие высокой емкостью, химической стойкостью и механической прочностью, вытеснили другие ионообменные материалы.

        Ионообменные смолы применяют  в гидрометаллургии для: 

       1)для селективного извлечения  металла из бедного раствора и получения более концентрированного раствора извлекаемого металла;

       2)разделения близких по свойствам  элементов: Zr и Hf и др.;

       3)получения высокочистой и умягченной  воды;

       4) очистки от примесей различных  производственных растворов и  обезвреживания сточных вод;

       5)окисления ионов в растворах  с одновременной сорбцией, для  восстановления металлов с их  сорбцией из разбавленных растворов  и в других случаях.  
 
 

      1.2 Состав, структура и синтез ионообменных  смол 

        Ионообменные смолы, как правило, ионообменные полимеры - синтетические органические иониты, представляющие собой нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты, способные обменивать подвижные ионы при контакте с растворами электролитов.

        В зависимости от типа ионогенной группы ионообменные смолы разделяют на катионообменные и анионообменные. Катионообменные смолы, или полимерные катиониты, содержат кислотные группы: сульфогруппы, фосфиновокислые, карбоксильные, мышьяковокислые, селеновокислые и др. Анионообменные смолы, или полимерные аниониты (высокомолекулярные нерастворимые полиоснования), включают группы основного характера, четвертичные аммониевые, третичные сульфониевые, четвертичные фосфониевые основания, третичные, вторичные и первичные амины. Известны также амфотерные ионообменные смолы (амфолиты), содержащие одновременно кислотные и основные группы. К специфичным ионообменным смолам относят комплексообразующие ионообменные смолы, обладающие ярко выраженными селективными свойствами, и окислительно-восстановительные ионообменные смолы, включающие в свой состав системы типа Cu+2/Cu, Fe+3/Fe+2 и др., способные к обратимому окислению или восстановлению.

        Получают ионообменные смолы  полимеризацией, поликонденсацией  или путём полимер аналогичных превращений, так называемой химической обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами ионита. Среди промышленных ионообменные смолы широкое распространение получили смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные катиониты, сильно и слабоосновные аниониты. Основным сырьём для промышленного синтеза слабокислотных катионообменных смол служат акриловая и метакриловая кислоты и их эфиры. В больших количествах производят также Ионообменные смолы на основе феноло-альдегидных полимеров, полиаминов и другие. Направленный синтез ионообменных смол позволяет создавать материалы с заданными технологическими характеристиками. Чаще всего синтез производят:

       1) полимеризацией или поликонденсацией  мономеров, содержащих ионогенные  группы;

       2) присоединением ионогенных групп  к отдельным звеньям ранее  синтезированного полимера;

       3) присоединением ионогенных групп к звеньям синтетического линейного полимера с превращением его в сетчатый полимер.

        Ионообменные смолы имеют каркас, состоящий из высокополимерной  пространственной сетки углеводородных  цепей, в которых закреплены  фиксированные ионы. Иониты представляют собой трехмерные полимерные или кристаллические сетки, несущие ионогенные группы. Ионогенные группы состоят из прочно связанных с сеткой фиксированных ионов и способных к обмену противоионов, заряд которых противоположен по знаку заряду фиксированных ионов.

       

      Ионообменные  смолы бывают гетеропористые, макропористые  и изопористые.

      Гетеропористые  ионообменные смолы в качестве основы используется дивинилбензол, и характеризуются  гетерогенным характером гелевидной структуры  и небольшими размерами пор.

      Макропористые ионообменные смолы имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного  размера.

      Изопористые ионообменные смолы имеют однородную структуру и полностью состоят  из смолы, поэтому их обменная способность  выше, чем у предыдущих смол.

      1.3 Характеристика ионообменных смол

        Набухание. Воздушно-сухие иониты, выпускаемые промышленностью, состоят  из твердых гранул или бусин  размером от 0,5 до 3-4 мм. При погружение  в воду иониты набухают вследствие  поглощения определенного количества  воды. Набухание сопровождается растяжением пространственной сетки смолы и увеличением ее объема. Способность к набуханию зависит от числа ионогенных групп и поперечных связок. С увеличением числа поперечных связок набухаемость уменьшается.

        Полная обменная емкость. Она характеризует максимальное количество ионов, которое может быть поглощено смолой при ее насыщении.

        Статистическая (равновесная) обменная емкость. Это емкость смолы при достижении равновесия в статистических условиях с раствором определенного объема и состава.

        Динамическая (рабочая) обменная емкость. Это количество ионов, поглощенных смолой при фильтрации раствора через слой ее до достижения проскока сорбируемого иона.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2 Экспериментальная  часть

      2.1 Метод анализа  раствора CuSO₄

      Концентрацию CuSO₄ в растворах определяем йодометрический методом. К анализируемому раствору содержащему 0.1-0.3г меди, добавляют 3г иодида калия и несколько капель  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Подготовка  катионита КУ2-8 к работе

      Подготовка  катионита КУ2-8 к работе, заключается в переводе смолы в Н+ форму, смолу выдерживаем в растворе НСl при pH=3, затем раствор декантируют, а смолу выдерживают до воздушно-сухого состава.

      Рассчитываем  концентрацию

      Произведение  нормальности (N)-количество грамм-эквивалент содержится в 1 литре раствора. N * V=const

      N ^CuSO4= 0.1*V^{тиосул.}

                       V^CuSO4

                       2Cu²⁺+4J= 2 СuJ +J₂

      Гр/экв=

       К аналитическому раствору, содержащему 0.1-0.3г Cu, добавляют 3г. Иодида К и титруют раствором титросульфида прибавляя к концу титрования 3 мл. раствора крахмала. 
 
 
 
 
 

Таблица №1  Анализ раствора сульфата меди

 

      N^CuSO=