Застосування іонообмінних смол для регенерації трансформаторних масел - Регенерація трансформаторних масел
Іонообмінні смоли (іоніти) є типовими твердими гігроскопічними гелями, практично нерозчинними у воді та звичайних розчинниках. Вони відносяться до класу високомолекулярних сполук, отриманих шляхом поліконденсації та полімеризації органічних речовин [42-44]. Підвищена сорбційна ємність смол обумовлює іонний обмін, що протікає між іонітом та розчином електроліту у разі їх контакту. Іонообмін обумовлений в основному електростатичними силами, проте не виключається вплив структури самого іоніту та властивостей розчинника. Кожен іоніт складається з високомолекулярної просторової сітки вуглеводневих ланцюгів — «каркаса» (інакше «матриці»), «пошитого» поперечними валентними силами, або силами решітки, що перешкоджає його роз'єднанню. Таким чином, зерно іоніту - це як би одна гігантська молекула. Для утворення поперечних зв'язків найбільше часто застосовують дивінілбензол і ступінь «зшивання» іоніту виражають у відсотках дивінілбензолу, доданого в процесі полімеризації іонообмінної смоли. Залежно від числа поперечних зв'язків середній розмір пір іоніту змінюється від кількох ангстремів до величин, більших на два порядки (для іоніту в набряклому стані).
Мал. 28. Схематичне зображення структури синтетичної іонообмінної смоли. На противагу цеолітам, матриця більшості синтетичних іонообмінних смол не має правильної періодичної структури, а являє собою безладну тривимірну систему з неоднаковими розмірами пір. Внаслідок цього іоніти відносяться до гетерокапілярних систем. На рис. 28 наведено схематичне зображення структури синтетичної іонообмінної смоли. У матрицізакріплені функціональні, хімічно активні (іоногенні) групи, що несуть електронегативні або електропозитивні заряди (фіксовані іони). Вони надають іоніту кислого або лужного характеру. Заряд каркаса компенсується протизарядженими іонами (протиіони), внаслідок чого тверда речовина зберігає електронейтральність. Протиіони рухомі всередині каркаса і здатні до обміну з іонами розчину електроліту. Відповідно до хімічної природи всі іонообмінні смоли поділяються на два види. Іоніти, що містять активні кислотні групи та здатні до обміну катіони, за загальноприйнятою термінологією називають катіонітами, а іоніти, що містять активні групи основного характеру та рухливі аніони, – аніоніти. У катіонітах як активні групи найчастіше зустрічаються сульфогрупа, карбоксильна, фосфорнокислотна і гідроксильна групи. Катіоніти, всі рухомі іони яких є іони водню, позначаються як Н-катіоніти (або Н-форма катіоніту). Якщо іони водню заміщені іншими катіонами (Na+ або Са2+), то застосовуються відповідні позначення: Na- або Са-катіоніт, Са(№а)-форма катіоніту, або загальний термін - сольова форма катіоніту. Аніоніти з однотипними іоногенними групами містять як активні групи аліфатичні або ароматичні первинні та вторинні (рідше третинні) аміни, четвертинні амонієві та сульфонієві основи. Для аніонітів аналогічно катіонітам вводять наступні умовні позначення: ОН-аніоніту або ОН-форма аніоніту, Cl-аніоніту або Cl-форма аніоніту і т. д., а також узагальнений термін - сольова форма аніоніту. За рівнем іонізації аніоніти поділяють на сильно-і слабоосновні. Перші — з четвертинними амонієвими або сульфонієвими основами як ноногенні групи — вступають у реакцію обмінуу нейтральному та слабокислому середовищі. Другі (аміносмоли) беруть участь в іонообміні лише в кислих середовищах, причому повнота обміну збільшується із зростанням кислотності середовища. Процес іонного обміну складається з дифузії іонів розчиненого електроліту до поверхні зерен сорбенту, дифузії їх усередину сорбенту, витіснення рухомих іонів сорбенту зі сфери впливу аніонного (або катіонного) комплексу та дифузії витіснених рухомих іонів з фази сорбенту в розчин. Іонний обмін має деяку схожість з адсорбцією. Але, незважаючи на істотні відмінності, часто ні на практиці важко провести кордон між названими процесами, оскільки обмін протиіонів майже завжди супроводжується адсорбцією, а більшість звичайних адсорбентів, наприклад окис алюмінію, активоване вугілля, можуть діяти як іоніти. Розглянутий процес може здійснюватися в статичних та динамічних умовах. У першому випадку випробуваний розчин приводять у дотик з іонітом і ретельно перемішують. Відбувається іонообмін, в результаті якого активна група іоніту виявляється у стабільній сольовій формі, що не піддається гідролізу при промиванні (зміна об'єму іоніту невелика). У виробничих та аналітичних роботах найчастіше використовують іонообмін у динамічних умовах. В цьому випадку обмін проводять у колонках, наповнених необхідною кількістю підготовленого іоніту. Випробуваний розчин дуже повільно фільтрують через шар іоніту; при цьому іоніт насичується іонами з розчину в обмін на протиіони. Процес супроводжується дуже малим тепловим ефектом (1 ккал/моль); Швидкості обміну високі як для іонітів у кислій та основній формах, так і в сольовій (при регенерації). У В/К «Реготмас» було проведено експериментально-дослідницьку роботу з виявлення можливості використанняіонітів для регенерації трансформаторних олій. Для цього в основному застосовували різні аніоніти вітчизняного виробництва, характеристика яких наведено в табл. 28. Зниження кислотного числа олії при очищенні аніонітом може відбуватися в результаті наступної реакції: де КЮН" - гідроксильна форма аніоніту (іоніт активований - в робочому положенні): Н+Ап - кислота в олії: KtAn і НаО - продукти іонообміну. Була розроблена технологія активації аніоніту, тобто переведення його з сольової форми в гідроксильну.Методика активації полягає в наступному.Аніоніт протягом 1 год набухає в дистильованій воді, яку потім відсмоктують з колонки за допомогою вакуум-насоса Набряклий аніоніт переводять в активну форму обробкою його 5% розчином NaOH, потім промивають дистильованою водою до нейтральної реакції промивних вод і відсмоктують промивні води до повітряно-сухого стану іонообмінної смоли.
Таблиця 28. Основні показники аніонітів
Насипна щільність товарного продукту, т/мз, щонайменше
Обмінна ємність, мг-екв/г, не менше
Розмір вірний, мм
Вологість товарного продукту, %, трохи більше
Світло-коричневі зерна неправильної форми
Жовті зерна правильної кулястої форми
Коричневі зерна неправильної форми, злам склоподібний
Корич неві зерна непра вільної форми
Непроз ракові білі зерна непра вільної форми
Досвідченим шляхом було встановлено, що для регенерації олії слід використовувати свіжоприготований іоніт, оскільки навіть незначний зіткнення з повітрям знижує його іонообмінну здатність (після 3 діб практично до нуля). Було також визначено, що збільшення витрати NaOH практично не змінює обмінної ємностіаніоніту. Для активації 100 г аніоніту достатньо 0,5-1,0 л 5%-ного розчину NaOH. Експериментально було знайдено оптимальну температуру контактування масла з іонітом 40° С. При цій температурі досягається порівняно висока ефективність використання іоніту для зниження кислотного числа трансформаторного масла. Оптимальна тривалість контактування олії з іонітом АВ-16Г (витрата іоніту 10%, температура олії 40° С) видно з таких даних: В/К «Реготмас» була розроблена методика регенерації відпрацьованого іоніту. Його спочатку промивали бензином (типу БР-1) до безбарвного фільтрату, потім протягом доби сушили на повітрі. Повітряно-суху відпрацьовану смолу з сольової форми переводили в гідроксильну (активну), обробляючи 5%-ним розчином NaOH за прийнятою технологією. Ефективність зниження кислотного числа трансформаторної олії зменшується при повторних регенераціях іоніту. Наприклад, свіжий іоніт АВ-17 знижує кислотне число олії з 0,11 до 0,015 мг КОН/г (при витраті 10%), а регенерований іоніт - до 0,018 після першої регенерації і до 0,023 мг КОН/г після другої. Регенерацію трансформаторних масел проводили у порівнянних умовах. У табл. 29 наведено результати контактного очищення відпрацьованого трансформаторного масла з кислотним числом 0,12 мг КОН/г активованими (у гідроксильній формі) іонітами різних марок. Тривалість контактування становила 20 хв. Таблиця 29. Результати випробувань аніонітів щодо зниження кислотного числа трансформаторної олії
Витрата • іонітів, вага. %
Кислотне число олії (мг КОН/г) після регенерації іонітами