Wyznaczanie całkowitej dynamicznej zdolności wymiany wymieniacza kationowego. Filtr jonowymienne zmiękczający wodę

Wymiana jonowa– proces wymiany jonów matrycy stałej ( jonit ) z jonami wody.

Wymiana jonowa jest jedną z głównych metod oczyszczania wody z zanieczyszczeń jonowych, głębokie odsalanie wody. Obecność różnorodnych materiałów jonowymiennych umożliwia rozwiązanie problemów oczyszczania wody o różnym składzie chemicznym z dużą wydajnością. Jest to jedyna metoda, która pozwala na selektywne wyodrębnienie z roztworu określonych składników, np. soli twardościowych i metali ciężkich.

Jonity – stałe, nierozpuszczalne substancje zawierające grupy funkcyjne (jonogenne), które są zdolne do jonizacji w roztworach i wymiany jonów z elektrolitami. Podczas jonizacji grup funkcyjnych pojawiają się dwa rodzaje jonów: niektóre są sztywno przymocowane do ramy (matrycy) wymieniacza jonowego R, inne mają przeciwny znak (przeciwjony), które mogą przejść do roztworu w zamian za równoważnik ilość innych jonów o tym samym znaku z roztworu.

Wymieniacze jonowe dzielą się według właściwości grup jonogennych na cztery główne typy:

• amfolity;
• selektywne wymieniacze jonowe.

Ze względu na charakter macierzy dzielimy je na:

• nieorganiczne wymieniacze jonowe;
• organiczne wymieniacze jonowe.

Wymienniki kationowe– wymieniacze jonowe z anionami lub grupami anionowymiennymi osadzonymi na matrycy, wymieniającymi kationy ze środowiskiem zewnętrznym.

Jeżeli wymieniacz kationowy był w postaci wodoru H+ -, wówczas ekstrahowane są wszystkie kationy obecne w wodzie. Oczyszczony roztwór jest kwaśny.

Gdy roztwór zawierający mieszaninę kationów takich jak Na, Ca, Mg, Fe (woda naturalna) przepływa przez wymieniacz kationowy, w jego warstwie tworzą się fronty sorpcyjne każdego kationu i następuje ich niejednoczesne przenikanie do filtratu. Oczyszczanie jest zakończone, gdy w przesączu pojawi się główny jon możliwy do ekstrakcji lub kontrolowany.

Wymienniki anionowe– wymieniacze jonowe z kationami lub grupami kationowymiennymi osadzonymi na matrycy, wymieniającymi aniony ze środowiskiem zewnętrznym.

Jeżeli wymieniacz anionowy występuje w postaci hydroksylowej OH – -, to z reguły dostarcza się roztwór do oczyszczania z anionów po kontakcie z kationitem w postaci H + -, która ma odczyn kwasowy.

W tym przypadku ekstrahowane są wszystkie aniony obecne w roztworze. Oczyszczony roztwór ma odczyn obojętny.

Kiedy przez wymieniacz anionowy przepuszcza się roztwór zawierający mieszaninę anionów, takich jak Cl, SO 4 , PO 4 , NO 3 , w jego warstwie tworzą się fronty sorpcyjne każdego jonu i następuje ich niejednoczesne przenikanie do filtratu. Oczyszczanie wody kończy się w momencie pojawienia się w filtracie ulegającego ekstrakcji jonu.

Amfolity zawierają stałe grupy kationowymienne i anionowymienne i pod pewnymi warunkami działają albo jako wymieniacz kationowy, albo jako wymieniacz anionowy. Stosowany do przetwarzania rozwiązań technologicznych.

Selektywne wymieniacze jonowe zawierają specjalnie wyselekcjonowane grupy jonogenne, które wykazują duże powinowactwo do jednego lub grupy jonów. Można je stosować do oczyszczania wody z określonych jonów, takich jak bor, metale ciężkie czy radionuklidy.

Główne cechy wymieniaczy jonowych to:

• zdolność wymiany;
• selektywność;
• wytrzymałość mechaniczna;
• stabilność osmotyczna;
• stabilność chemiczna;
• stabilność temperatury;
• skład granulometryczny (ułamkowy).

Pojemność wymiany

Do ilościowego scharakteryzowania właściwości jonowymiennych i sorpcyjnych wymieniaczy jonowych wykorzystuje się wielkości: całkowitą, dynamiczną i roboczą pojemność wymiany.

Całkowita pojemność wymiany(PO) określa się na podstawie liczby grup funkcyjnych zdolnych do wymiany jonowej na jednostkę masy suchego na powietrzu lub spęcznionego wymieniacza jonowego i wyraża się w mEq/g lub mEq/L. Jest to wartość stała, która jest wskazana w paszporcie jonitu i nie zależy od stężenia ani charakteru wymienianego jonu. POE może ulec zmianie (zmniejszeniu) w wyniku narażenia termicznego, chemicznego lub radiacyjnego. W rzeczywistych warunkach pracy POE zmniejsza się z czasem ze względu na starzenie się matrycy wymieniacza jonowego i nieodwracalną absorpcję trujących jonów (organicznych, żelaza itp.), które blokują grupy funkcyjne.

Równowagowa (statyczna) zdolność wymiany zależy od stężenia jonów w wodzie, pH i stosunku objętości wymieniacza jonowego do roztworu podczas pomiarów. Niezbędne do prowadzenia obliczeń procesów technologicznych.

Dynamiczna zdolność wymiany (DEC) najważniejszy wskaźnik w procesach uzdatniania wody. W rzeczywistych warunkach wielokrotnego użytkowania wymiennika jonowego w cyklu sorpcja-regeneracja, zdolność wymiany nie jest wykorzystywana w pełni, a jedynie częściowo. O stopniu wykorzystania decyduje sposób regeneracji i zużycie środka regenerującego, czas kontaktu wymieniacza jonowego z wodą i środkiem regenerującym, stężenie soli, pH, konstrukcja i hydrodynamika zastosowanej aparatury. Rysunek to pokazuje proces oczyszczania wody zostaje zatrzymanyut przy pewnym stężeniu jonu ograniczającego z reguły na długo przed całkowitym nasyceniem wymieniacza jonowego. Liczba zaabsorbowanych jonów w tym przypadku, odpowiadająca powierzchni prostokąta A, podzielona przez objętość wymieniacza jonowego, będzie DOE. Liczba zaabsorbowanych jonów odpowiadająca całkowitemu nasyceniu, gdy przebicie wynosi 1, co odpowiada sumie DEC i powierzchni zacienionej figury nad krzywą w kształcie litery S, nazywana jest całkowitą dynamiczną zdolnością wymiany (TDEC). W typowych procesach uzdatniania wody DFU zwykle nie przekracza 0,4–0,7 PFU.

Selektywność. Selektywność rozumiana jest jako zdolność do selektywnej sorpcji jonów z roztworów o złożonym składzie. Selektywność zależy od rodzaju grup jonogennych, liczby wiązań poprzecznych matrycy wymieniacza jonowego, wielkości porów i składu roztworu. W przypadku większości wymieniaczy jonowych selektywność jest niska, ale opracowano specjalne próbki, które mają wysoką zdolność ekstrakcji niektórych jonów.

Wytrzymałość mechaniczna pokazuje zdolność wymieniacza jonowego do wytrzymywania naprężeń mechanicznych. Wymienniki jonowe badane są na ścieranie w specjalnych młynach lub pod ciężarem ładunku niszczącego określoną liczbę cząstek. Wszystkie polimeryzacyjne wymieniacze jonowe mają wysoką wytrzymałość. W przypadku polikondensacyjnych jest on znacznie niższy. Zwiększanie stopnia usieciowania polimeru zwiększa jego wytrzymałość, ale pogarsza szybkość wymiany jonowej.

Stabilność osmotyczna. Największe zniszczenie cząstek wymieniaczy jonowych następuje, gdy zmieniają się właściwości środowiska, w którym się znajdują. Ponieważ wszystkie wymieniacze jonowe są żelami strukturalnymi, ich objętość zależy od zawartości soli, pH ośrodka i postaci jonowej wymieniacza jonowego. Kiedy te cechy się zmieniają, zmienia się objętość ziarna. Ze względu na efekt osmotyczny objętość ziarna w roztworach stężonych jest mniejsza niż w roztworach rozcieńczonych. Zmiana ta nie następuje jednak jednocześnie, lecz w miarę wyrównywania się stężeń „nowego” roztworu w całej objętości ziarna. Dlatego warstwa zewnętrzna kurczy się lub rozszerza szybciej niż rdzeń cząstki; Powstają duże naprężenia wewnętrzne i następuje pęknięcie wierzchniej warstwy lub rozszczepienie całego ziarna. Zjawisko to nazywane jest „szokiem osmotycznym”. Każdy wymieniacz jonowy jest w stanie wytrzymać pewną liczbę cykli takich zmian właściwości środowiskowych. Nazywa się to jego siłą osmotyczną lub stabilnością. Największa zmiana objętości zachodzi w słabo kwaśnych wymieniaczach kationowych. Obecność makroporów w strukturze ziaren jonitu zwiększa jego powierzchnię roboczą, przyspiesza pęcznienie i umożliwia „oddychanie” poszczególnym warstwom. Dlatego silnie kwaśne kationity o makroporowatej strukturze są najbardziej stabilne osmotycznie, a słabo kwaśne kationity są najmniej osmotycznie stabilne. Stabilność osmotyczną definiuje się jako liczbę pełnych ziaren podzieloną przez ich całkowitą liczbę początkową po wielokrotnym (150-krotnym) traktowaniu próbki wymieniacza jonowego na przemian w roztworze kwasu i zasady z pośrednim przemywaniem wodą demineralizowaną.

Stabilność chemiczna. Wszystkie wymieniacze jonowe mają pewną odporność na roztwory kwasów, zasad i środków utleniających. Wszystkie polimeryzacyjne wymieniacze jonowe charakteryzują się większą odpornością chemiczną niż polikondensacyjne. Wymieniacze kationowe są bardziej odporne niż wymieniacze anionowe. Wśród anionitów słabo zasadowe są bardziej odporne na kwasy, zasady i utleniacze niż silnie zasadowe.

Stabilność temperatury wymieniacze kationowe są wyższe niż wymieniacze anionowe. Kationity słabo kwasowe pracują w temperaturze do 130°C, mocne kwasy typu KU-2-8 – do 100–120°C, a większość anionitów – nie wyższej niż 60, maksymalnie 80°C. z reguły H- lub
Formy OH wymieniaczy jonowych są mniej stabilne niż formy soli.

Skład frakcyjny. Syntetyczne wymieniacze jonowe typu polimeryzacji produkowane są w postaci kulistych cząstek o wielkości od 0,3 do 2,0 mm. Jonity polikondensacyjne produkowane są w postaci rozdrobnionych cząstek o nieregularnym kształcie i wielkości 0,4–2,0 mm. Standardowe wymieniacze jonowe typu polimeryzacyjnego mają rozmiary od 0,3 do 1,2 mm. Średnia wielkość polimeryzacyjnych wymieniaczy jonowych wynosi od 0,5 do 0,7 mm (ryc.). Współczynnik heterogeniczności nie przekracza 1,9. Zapewnia to akceptowalny opór hydrauliczny warstwy. Do procesów, w których stosowano wymieniacze jonowe w złożu fluidalnym, w ZSRR produkowano je w postaci 2 klas wielkości: klasy A o wielkości 0,6–2,0 mm i klasy B o wielkości 0,3–1,2 mm.

Za granicą, stosując specjalne technologie, produkują jonity typu monosferycznego Purofine, Amberjet, Marathon, które posiadają cząstki o bardzo małym zakresie wielkości: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (ryc.). Takie wymieniacze jonowe charakteryzują się większą pojemnością wymienną, stabilnością osmotyczną i mechaniczną. Warstwy monosferycznych wymieniaczy jonowych mają niższy opór hydrauliczny, mieszane warstwy takich kationitów i anionitów są znacznie lepiej rozdzielone.

Ryż. Krzywe rozkładu wielkości cząstek dla standardu ( 1 ) i monosferyczny ( 2 ) jonity ( A) i fotografie takich wymienników jonowych ( B)

Całkowitą (całkowitą) pojemność wymienną wymieniacza kationowego określa się poprzez zobojętnienie roztworem NaOH lub KOH w warunkach statycznych lub dynamicznych i wyraża się w ekwiwalentach na 1 g suchego wymieniacza kationowego lub 1 dm 3 spęcznionego wymieniacza kationowego.

Reakcje wymiany kationowej (K-kationit) mają postać:

Substancje, które nie dysocjują w roztworach, są adsorbowane przez wymieniacze jonowe, podobnie jak na węglu aktywnym, zgodnie z prawami adsorpcji molekularnej.

Całkowita pojemność wymienna różnych marek silnie kwasowych kationitów stosowanych w przemyśle cukrowniczym waha się od 4 do 6 mEq/g. Na przykład krajowy wymieniacz kationowy KU-2-8/N, forma jonowa Na/ ma całkowitą zdolność wymiany 5,1 /N/mg-eq/g.

Cel analizy - ocenić jakość i przydatność żywicy kationowymiennej do oczyszczania roztworów cukru.

Zasada metody analizy opiera się na miareczkowaniu 0,1 N kwasu powstałego w wyniku reakcji wymiany jonowej. Roztwór NaOH w obecności oranżu metylowego jako wskaźnika.

Odczynniki:

5% roztwór NaCl;

0,1 n. roztwór NaOH;

Wskaźnik - oranż metylowy.

Urządzenia i materiały:

Kolumna szklana o średnicy 18 mm, wysokości 250 cm z przedłużonym końcem;

Lejek kroplowy;

Kolba miarowa o pojemności 200 cm 3 ;

Cylinder miarowy o pojemności 100 cm 3 ;

Biureta miareczkowa;

Zlewka;

Żywica kationowymienna.

Postęp determinacji

5 g przygotowanego do analizy kationitu w formie H przenosi się na szklaną kolumnę o średnicy 18 mm za pomocą wody destylowanej, nadmiar wody odprowadza się przez gumową rurkę z zaciskiem umieszczonym na przedłużonym końcu dolnej części kolumna. Aby zapobiec przedostawaniu się wymieniacza kationowego, na szklaną kratkę kolumny umieszcza się wacik z waty szklanej.

Następnie przez wkraplacz zainstalowany nad kolumną z kationem równomiernie przepuszcza się 100 cm3 5% roztworu chemicznie czystego NaCl przez 30 minut, utrzymując następnie poziom roztworu nad warstwą kationitu równy 1 cm wymieniacz kationowy przemywa się dwukrotną objętością wody. Przesącz i wodę płuczącą zbiera się w kolbie miarowej, w której doprowadza się ich objętość do 200 cm 3 . Z tej objętości 50 cm3 przenosi się do oddzielnego szkła i miareczkuje 0,1 N. Roztwór NaOH w obecności oranżu metylowego jako wskaźnika.

Obliczenia:

1. Aby uzyskać porównywalne wyniki, pojemność wymienną wymieniacza kationowego wyraża się w miligramowych równoważnikach jonów / lub liczbie grup aktywnych / na 1 g suchego wymieniacza jonowego. Dlatego jeśli natężenie przepływu wynosi 0,1 N. Roztwór NaOH do zobojętnienia kwasu wydzielonego przez 1 g całkowicie suchego wymieniacza kationowego można wyrazić wzorem

,

i w 1 cm 3 1 n. Roztwór NaOH zawiera 0,1 mEq, wówczas całkowitą pojemność wymienną kationitu można obliczyć ze wzoru

Gdzie Ek- całkowita zdolność wymiany, w mEq/g całkowicie suchego wymieniacza kationowego;

B- całkowita ilość filtratu, cm 3;

V- ilość 0,1 szt. Roztwór NaOH zastosowany do miareczkowania przesączu, cm3;

A – ilość filtratu wybrana do miareczkowania, cm3;

G – ilość suchego wymieniacza kationowego pobrana do określenia jego całkowitej pojemności wymiennej, g;

W– wilgotność kationitu, %. Ustalono przez suszenie przez 3 godziny w temperaturze 95-100°С.

2. Zdolność wymienną wymieniacza kationowego można również wyrazić w przeliczeniu na sód. W takim przypadku obliczenia przeprowadza się zgodnie ze wzorem

lub od 1 cm 3 0,1 n. Roztwór NaOH zawiera zatem 0,0023 g sodu
.

Zmiękczanie wody- proces mający na celu usunięcie z niego kationów wapnia i magnezu, tj. zmniejszając jego sztywność.

Według wymagań SANPiN twardość wody pitnej nie powinna przekraczać 7 mEq/l, a wymagania dotyczące głębokiego zmiękczania stawiane są wodzie biorącej udział w procesach wymiany ciepła, tj. do 0,05...0,01 mEq/l. Twardość wody zasilającej kotły bębnowe elektrowni cieplnych nie powinna przekraczać 0,005 mEq/l, czyli 5 mcg-eq/l.

Obniżenie całkowitego stężenia kationów i anionów Mg(II), Ca(II), z którymi w pewnych warunkach mogą tworzyć gęste, nierozpuszczalne osady na ściankach rur i aparatury, następuje w instalacjach oczyszczania i uzdatniania wody różnymi metodami, m.in. o wyborze której decyduje jakość wody źródłowej, wymagania dotyczące jej oczyszczania oraz względy techniczne i ekonomiczne.

Metoda wymiany jonowej.

Metoda ta opiera się na zdolności niektórych materiałów (kationitów i anionitów) do absorbowania jonów (kationów i anionów) z wody w zamian za równoważną ilość jonów (kationów i anionów).

Proces kationizacji to proces, w którym następuje wymiana kationów. W uzdatnianiu wody podczas zmiękczania - z kationitami kationowymi dla jonów Ca 2+ i Mg 2+ z wody.

Proces anionizacji - odpowiednio z anionami, głównie podczas odsalania i głębokiego odsalania.

Magnetyczne uzdatnianie wody.

W przypadku dużej twardości węglanowo-wapniowej wskazane jest zastosowanie magnetycznego uzdatniania wody.

Gdy woda przepływa przez pole magnetyczne, tworzą się w niej centra krystalizacji, które powiększają się i opadają w nieprzywierający osad, który jest usuwany podczas dmuchania. Te. Opady nie zachodzą na ściankach powierzchni grzewczej, ale w objętości wody.

Na efekt antyskalowy wpływają takie czynniki jak skład jakościowy i ilościowy wody, prędkość przemieszczania się cieczy przez linie pola magnetycznego, siła pola magnetycznego i czas przebywania w nim wody.

Warunkiem skutecznego magnetycznego uzdatniania wody musi być wysoka zawartość węglanu i siarczanu wapnia, a stężenie wolnego tlenku węgla IV musi być mniejsze od równowagowego. Zanieczyszczenia w postaci tlenków żelaza i innych zawarte w wodzie również zwiększają działanie przeciw kamieniowi.

Magnetyczne urządzenia do uzdatniania wody działają zarówno w oparciu o magnesy trwałe, jak i elektromagnesy. Wadą urządzeń z magnesami trwałymi jest to, że co jakiś czas trzeba je oczyścić z zanieczyszczeń ferromagnetycznych. Elektromagnesy oczyszcza się z tlenków żelaza poprzez odłączenie ich od sieci.

Prędkość wody w polu magnetycznym podczas jej przetwarzania nie powinna przekraczać 1 m/s. Aby zwiększyć objętość uzdatnionej wody na jednostkę czasu, stosuje się urządzenia z obróbką magnetyczną warstwa po warstwie.

Metoda obróbki magnetycznej znalazła zastosowanie w sieciach ciepłowniczych dostarczających ciepłą wodę, w elektrowniach cieplnych oraz w wymiennikach ciepła.

Wybór tej metody przy rozwiązywaniu problemu zmiękczania wody powinien opierać się przede wszystkim na jej skuteczności w oczyszczaniu wody o danej jakości – stosowanej jako etap główny, kolejny lub jako dodatkowy.

Odwrócona osmoza.

Obecnie najczęściej stosowaną metodą uzdatniania wody jest odwrócona osmoza.

Istota tej metody polega na tym, że pod wysokim ciśnieniem, od 10 do 25 atmosfer, do membran dostarczana jest woda. Membrany, będąc materiałem selektywnym w stosunku do przechodzących przez nie zanieczyszczeń, przepuszczają cząsteczki wody i nie przepuszczają jonów rozpuszczonych w wodzie.

Tym samym na wyjściu po instalacji odwróconej osmozy otrzymujemy dwa strumienie – pierwszy strumień czystej wody, który przeszedł przez membranę, tzw. permeat, oraz drugi strumień wody z zanieczyszczeniami, który nie przeszedł przez membranę, zwany koncentratem.

Permeat przesyłany jest do odbiorcy i stanowi od 50 do 80% objętości dostarczanej wody. Jego ilość zależy od właściwości membrany i jej stanu, jakości wody źródłowej i pożądanego rezultatu czyszczenia. Najczęściej jest to około 70%.

Koncentrat odpowiednio od 50 do 20%.

Gdy obciążenie membrany wzrasta, tj. zwiększając procentowy stosunek przepuszczanej wody do wody z domieszkami, selektywność membrany maleje i osiąga minimum w przypadku braku koncentratu, tj. gdy cała woda dostarczana do instalacji odwróconej osmozy przejdzie przez membranę.

Membrany do odwróconej osmozy wykonane są z kompozytowego materiału polimerowego o specjalnej strukturze, która umożliwia przepływ wody pod wysokim ciśnieniem i nie przepuszcza jonów i innych rozpuszczonych w niej zanieczyszczeń. Wraz ze wzrostem obciążenia membrany zmniejsza się jej żywotność, a po osiągnięciu parametrów krytycznych, przy których uwolniona ciecz wraz z zanieczyszczeniami całkowicie przechodzi przez membranę, ulega zniszczeniu. Średni okres użytkowania membrany wynosi 5 lat.

Z biegiem czasu powierzchnia membrany może zarosnąć mikroorganizmami i pokryć się warstwą słabo rozpuszczalnych związków. Do czyszczenia membran odwróconej osmozy stosuje się roztwory kwasów i zasad z dodatkiem środków biobójczych.

Podczas mycia odwróconej osmozy nie możemy zapominać, że półprzepuszczalna membrana nie jest filtrem. Płukanie należy przeprowadzać wyłącznie w kierunku ruchu cieczy. Odwrotny przepływ roztworu wodnego spowoduje uszkodzenie membrany.

Odczynowe metody uzdatniania wody.

Odczynowe metody uzdatniania wody służą głównie do płytkiego zmiękczania wody poprzez dodanie odczynników i przekształcenie soli twardościowych w związki słabo rozpuszczalne z ich późniejszym wytrąceniem.

Wapno, soda, soda kaustyczna itp. Są stosowane jako odczynniki W tej chwili stosuje się je w kilku miejscach, ale dla ogólnego zrozumienia procesów przekształcania wapnia i magnezu w słabo rozpuszczalne związki i ich dalszego wytrącania, rozważmy je. .

Usuwanie kamienia poprzez wapnowanie.

Metodę można stosować do wody o dużej twardości węglanowej i niskiej twardości niewęglanowej.

Po dodaniu mleka wapiennego pH wody wzrasta, co prowadzi do przejścia rozpuszczonego dwutlenku węgla i jonu wodorowęglanowego w jon węglanowy:
CO 2 + OH - = CO 3 2- + H 2 O,
HCO 3- + OH - = CO 3 2- + H 2 O.

Gdy woda zostanie nasycona jonami węglanowymi, wapń wytrąca się:
Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 ↓.

Ponadto wraz ze wzrostem pH magnez również wytrąca się:
Mg 2+ + OH - = Mg(OH) 2 ↓.

Jeżeli nadmiar twardości węglanowej jest nieznaczny, wówczas dozuje się sodę razem z wapnem, którego obecność zmniejsza twardość niewęglanową:

CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4.

Aby uzyskać pełniejsze wytrącenie kationów magnezu i wapnia, zaleca się podgrzanie wody do temperatury 30–40 stopni. Wraz ze wzrostem rozpuszczalność CaCO 3 i Mg(OH) 2 maleje. Umożliwia to zmniejszenie twardości wody do 1 mEq/L lub mniej.

Sodowo-sodowa metoda zmiękczania wody.

Dodanie sody jest konieczne, jeśli twardość niewęglanowa jest większa od twardości węglanowej. Jeśli te parametry są równe, dodanie sody może w ogóle nie być konieczne.

Wodorowęglany wapnia i magnezu reagują z zasadami tworząc słabo rozpuszczalne związki wapnia i magnezu, sodę, wodę i dwutlenek węgla:
Ca(HCO 3) 2 + 2NaOH = CaCO 3 ↓ + Na 2 CO 3 + 2H 2 O,
Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2.

Dwutlenek węgla powstały w wyniku reakcji wodorowęglanu magnezu z zasadą ponownie reaguje z zasadą, tworząc sodę i wodę:
CO 2 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O.

Twardość niewęglanowa.
Siarczan i chlorek wapnia reagują z sodą powstałą w reakcjach twardości węglanowej i zasadą oraz dodaną sodą, tworząc węglan wapnia, który nie klei się w warunkach zasadowych:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2 NaCl,
CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

Siarczan i chlorek magnezu reagują z zasadami, tworząc wytrącony wodorotlenek magnezu:
MgSO 4 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4,
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl.

Ze względu na fakt, że w reakcjach wodorowęglanu z zasadą powstaje soda, która następnie reaguje z twardością niewęglanową, jej ilość musi być skorelowana ze stosunkiem twardości węglanowej i niewęglanowej: jeśli są one równe, soda nie może dodać, pod warunkiem, że J do > Jn, powstaje nadmiar sody przy odwrotnym stosunku J do

Metody łączone.

Łączenie różnych metod uzdatniania wody w celu zmniejszenia jej twardości daje czasami dość wysokie rezultaty. Wynika to zazwyczaj z wysokich wymagań co do jakości wody i pary.

Przykładem może być połączenie odwróconej osmozy z kationizacją sodu. Twardość zasadniczą wody zmniejsza się za pomocą filtrów kationitowych, do jej odsalania stosuje się odwróconą osmozę.

W innym przypadku dodatkowym stopniem oczyszczania może być magnetyczne uzdatnianie wody – instalacja zlokalizowana jest za układem zmiękczającym na rurociągu cyrkulacyjnym ciepłej wody.

Znacząca liczba procesów zachodzących w przyrodzie i praktyce to wymiana jonowa. Wymiana jonowa leży u podstaw migracji pierwiastków w glebie oraz w organizmie zwierząt i roślin. W przemyśle stosuje się go do separacji i produkcji substancji, odsalania wody, oczyszczania ścieków, zatężania roztworów itp. Wymiana jonowa może zachodzić zarówno w roztworze jednorodnym, jak i w układzie niejednorodnym. W tym przypadku pod wymiana jonowa zrozumieć heterogeniczny proces wymiany pomiędzy jonami w roztworze i fazie stałej, tzw wymieniacz jonowy lub wymieniacz jonowy. Wymieniacz jonowy absorbuje jony z roztworu i w zamian oddaje do roztworu jony zawarte w jego strukturze.

3.5.1. Klasyfikacja i właściwości fizykochemiczne wymieniaczy jonowych

Sorbenty jonowymienne, wymieniacze jonowe Są to polielektrolity składające się z matryce– stacjonarne grupy atomów lub cząsteczek (łańcuchy wielkocząsteczkowe) z dołączonymi do nich grupami aktywnymi grupy jonogenne atomy zapewniające jej zdolność wymiany jonowej. Grupy jonowe z kolei składają się z nieruchomych jonów związanych z matrycą siłami oddziaływania chemicznego oraz równoważnej liczby ruchomych jonów o przeciwnych ładunkach - przeciwjony. Przeciwjony mogą poruszać się pod wpływem gradientu stężeń i można je wymienić na jony z roztworu o tym samym ładunku. W układzie wymieniacz jonowy – roztwór elektrolitu wraz z rozkładem wymienianych jonów następuje także redystrybucja cząsteczek rozpuszczalnika pomiędzy tymi fazami. Wraz z rozpuszczalnikiem pewna ilość przedostaje się do wymieniacza jonowego. koiony(jony o tym samym znaku ładunku i jony stałe). Ponieważ zachowana jest neutralność elektryczna układu, do wymieniacza jonowego dodatkowo przechodzi równoważna ilość przeciwjonów wraz z kojonami.

W zależności od tego, które jony są ruchliwe, wymieniacze jonowe dzielą się na wymieniacze kationowe i wymieniacze anionowe.

Wymienniki kationowe zawierają nieruchome aniony i wymieniają kationy, charakteryzują się właściwościami kwasowymi - mobilnym jonem wodoru lub metalu. Na przykład wymieniacz kationowy R / SO 3 - H + (tutaj R jest podstawą strukturalną ze stałą grupą funkcyjną SO 3 - i przeciwjonem H +). W zależności od rodzaju kationów zawartych w wymieniaczu kationowym nazywa się go wymiennikiem kationowym H, jeśli wszystkie jego ruchome kationy są reprezentowane tylko przez wodór, lub wymiennik kationowy Na, wymiennik kationowy Ca itp. Są one oznaczone jako RH, RNa, R2Ca, gdzie R jest ramką ze stałą częścią grupy aktywnej żywicy kationowymiennej. Powszechnie stosowane są kationity ze stałymi grupami funkcyjnymi –SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2- itp.

Wymienniki anionowe zawierają nieruchome kationy i wymieniają aniony; charakteryzują się podstawowymi właściwościami mobilnego jonu wodorotlenkowego lub jonu reszty kwasowej. Na przykład wymieniacz anionowy R / N(CH 3) 3 + OH - z grupą funkcyjną -N(CH 3) 3 + i przeciwjonem OH -. Wymieniacz anionowy może występować w różnych postaciach, np. wymieniacz kationowy: OH-anionit lub ROH, SO 4 -anionit lub RSO 4, gdzie R jest ramką ze stałą częścią grupy aktywnej wymieniacza anionowego. Najczęściej stosowane są wymieniacze anionowe ze stałymi grupami – +, - +, NH3+, NH+ itp.

W zależności od stopnia dysocjacji grupy aktywnej wymieniacza kationowego i w związku z tym od zdolności do wymiany jonowej, wymieniacze kationowe dzielą się na mocny kwas i słaby kwas. Tym samym grupa aktywna –SO3H ulega całkowitej dysocjacji, dlatego wymiana jonowa możliwa jest w szerokim zakresie pH; kationity zawierające grupy sulfonowe zaliczane są do silnie kwaśnych. Do wymieniaczy kationowych średniej mocy zaliczają się żywice z grupami kwasu fosforowego. Ponadto w przypadku grup dwuzasadowych zdolnych do stopniowej dysocjacji tylko jedna z grup ma właściwości kwasu o średniej mocy, druga zachowuje się jak słaby kwas. Ponieważ grupa ta praktycznie nie dysocjuje w środowisku silnie kwaśnym, dlatego wskazane jest stosowanie tych jonitów w środowisku lekko kwaśnym lub zasadowym, przy pH ~4. Słabo kwaśne wymieniacze kationowe zawierają grupy karboksylowe, które nawet w słabo kwaśnych roztworach ulegają lekkiej dysocjacji; ich zakres działania mieści się w pH ~5. Istnieją również dwufunkcyjne wymieniacze kationowe zawierające zarówno grupy sulfo, jak i karboksylowe lub grupy sulfo i fenolowe. Żywice te pracują w roztworach silnie kwaśnych, a przy wysokiej zasadowości radykalnie zwiększają swoją pojemność.

Podobnie jak wymieniacze kationowe, wymieniacze anionowe dzielą się na wysokozasadowy i niskozasadowy. Wysoce zasadowe wymieniacze anionowe zawierają dobrze zdysocjowane czwartorzędowe zasady amoniowe lub pirydynowe jako grupy aktywne. Takie wymieniacze anionowe są zdolne do wymiany anionów nie tylko w roztworach kwaśnych, ale także zasadowych. Średnio i niskozasadowe anionity zawierają pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe grupy aminowe, które są słabymi zasadami, a ich zakres roboczy wynosi pH ~89.

Stosowane są również amfoteryczne wymieniacze jonowe - amfolity, które obejmują grupy funkcyjne o właściwościach zarówno kwasów, jak i zasad, na przykład grupy kwasów organicznych w połączeniu z grupami aminowymi. Niektóre wymieniacze jonowe, oprócz właściwości jonowymiennych, mają właściwości kompleksujące lub redoks. Na przykład wymieniacze jonowe zawierające jonogenne grupy aminowe dają kompleksy z metalami ciężkimi, których powstawanie następuje jednocześnie z wymianą jonową. Wymianie jonowej może towarzyszyć kompleksowanie w fazie ciekłej poprzez dostosowanie jej wartości pH, co pozwala na separację jonów. Wymienniki elektronowo-jonowe stosowane są w hydrometalurgii do utleniania lub redukcji jonów w roztworach z jednoczesną ich sorpcją z roztworów rozcieńczonych.

Nazywa się proces desorpcji jonu zaabsorbowanego na wymieniaczu jonowym elucja w tym przypadku wymieniacz jonowy jest regenerowany i przywracany do postaci wyjściowej. W wyniku wymywania zaabsorbowanych jonów, pod warunkiem odpowiedniego „obciążenia wymiennika jonowego”, otrzymuje się eluaty o stężeniu jonów 100 razy większym niż w roztworach pierwotnych.

Niektóre naturalne materiały mają właściwości jonowymienne: zeolity, drewno, celuloza, węgiel sulfonowany, torf itp., Ale prawie nigdy nie są one wykorzystywane do celów praktycznych, ponieważ nie mają wystarczająco dużej zdolności wymiany ani stabilności w przetwarzanych środowiskach. Najpowszechniej stosowanymi organicznymi wymieniaczami jonowymi są syntetyczne żywice jonowymienne, które są stałymi wielkocząsteczkowymi związkami polimerowymi zawierającymi grupy funkcyjne zdolne do dysocjacji elektrolitycznej, dlatego nazywane są polielektrolitami. Syntezuje się je poprzez polikondensację i polimeryzację monomerów zawierających niezbędne grupy jonowe lub przez dodanie grup jonowych do poszczególnych jednostek wcześniej zsyntetyzowanego polimeru. Grupy polimerów są ze sobą połączone chemicznie i zszyte w ramę, czyli w trójwymiarową przestrzenną sieć zwaną matrycą, przy użyciu wchodzącej z nimi substancji - rzeżuchy. Jako środek sieciujący często stosuje się diwinylobenzen. Dostosowując ilość diwinylobenzenu, można zmieniać wielkość ogniw żywicznych, co pozwala na otrzymanie wymieniaczy jonowych, które selektywnie absorbują dowolny kation lub anion na skutek „efektu sita” jonów o rozmiarze większym niż ogniwo; rozmiar nie jest wchłaniany przez żywicę. Aby zwiększyć rozmiar komórki, stosuje się odczynniki o większych cząsteczkach niż winylobenzen, na przykład dimetakrylany glikoli etylenowych i bifenoli. Dzięki zastosowaniu telogenów, substancji zapobiegających tworzeniu się długich łańcuchów liniowych, osiąga się zwiększoną przepuszczalność wymieniaczy jonowych. W miejscach zerwania łańcuchów pojawiają się pory, dzięki czemu wymieniacze jonowe uzyskują bardziej mobilną ramę i silniej pęcznieją w kontakcie z roztworem wodnym. Jako telogeny stosuje się czterochlorek węgla, alkilobenzeny, alkohole itp. Otrzymane w ten sposób żywice mają żel strukturze lub mikroporowaty. Aby otrzymać makroporowaty Do mieszaniny reakcyjnej dodaje się rozpuszczalniki organiczne, takie jak wyższe węglowodory, na przykład izooktan i alkohole. Rozpuszczalnik jest wychwytywany przez masę polimeryzującą i po zakończeniu tworzenia szkieletu jest oddestylowywany, pozostawiając w polimerze duże pory. Zatem, zgodnie z ich budową, wymieniacze jonowe dzielą się na makroporowate i żelowe.

Makroporowate wymieniacze jonowe mają lepszą charakterystykę wymiany kinetycznej w porównaniu do żelowych, ponieważ mają rozwiniętą powierzchnię właściwą 20-130 m 2 /g (w przeciwieństwie do żelowych, które mają powierzchnię właściwą 5 m 2 /g) oraz duże pory – 20-100 nm, co ułatwia niejednorodną wymianę jonów zachodzącą na powierzchni porów. Kurs wymiany zależy w dużym stopniu od porowatości ziaren, chociaż zwykle nie wpływa na ich zdolność wymiany. Im większa objętość i wielkość ziaren, tym szybsza dyfuzja wewnętrzna.

Żelowe żywice jonowymienne składają się z jednorodnych ziaren, które po wyschnięciu nie mają porów i są nieprzepuszczalne dla jonów i cząsteczek. Stają się przepuszczalne po spęcznieniu w wodzie lub roztworach wodnych.

Obrzęk wymienników jonowych

Obrzęk to proces stopniowego zwiększania objętości wymieniacza jonowego umieszczonego w ciekłym rozpuszczalniku w wyniku wnikania cząsteczek rozpuszczalnika w głąb struktury węglowodorowej. Im bardziej wymieniacz jonowy pęcznieje, tym szybciej zachodzi wymiana jonowa. Obrzęk scharakteryzowany obrzęk wagi- ilość wchłoniętej wody na 1 g suchego wymieniacza jonowego lub współczynnik pęcznienia- stosunek objętości właściwych spęcznionego i suchego wymieniacza jonowego. Często objętość żywicy podczas procesu pęcznienia może wzrosnąć 10-15 razy. Pęcznienie żywicy wielkocząsteczkowej jest tym większe, im niższy jest stopień usieciowania jej jednostek składowych, to znaczy im mniej sztywna jest jej sieć makrocząsteczkowa. Większość standardowych wymieniaczy jonowych zawiera 6-10% diwinylobenzenu (czasami 20%) w kopolimerach. Gdy do sieciowania zamiast diwinylobenzenu stosuje się środki długołańcuchowe, otrzymuje się wysoce przepuszczalne makromeshowe wymieniacze jonowe, na których wymiana jonowa zachodzi z dużą szybkością. Oprócz struktury matrycy na pęcznienie wymieniacza jonowego wpływa obecność w nim hydrofilowych grup funkcyjnych: im więcej jest grup hydrofilowych, tym bardziej pęcznieje wymieniacz jonowy. Ponadto jony zawierające pojedynczo naładowane przeciwjony pęcznieją silniej, w przeciwieństwie do podwójnie i potrójnie naładowanych. W roztworach stężonych pęcznienie występuje w mniejszym stopniu niż w roztworach rozcieńczonych. Większość nieorganicznych wymieniaczy jonowych w ogóle lub prawie nie pęcznieje, chociaż pochłaniają wodę.

Pojemność wymiennika jonowego

Zdolność wymiany jonowej sorbentów charakteryzuje się ich zdolność wymiany, w zależności od liczby funkcjonalnych grup jonogennych na jednostkę masy lub objętości wymieniacza jonowego. Wyraża się ją w miliekwiwalentach na 1 g suchego wymieniacza jonowego lub w ekwiwalentach na 1 m 3 wymieniacza jonowego i dla większości przemysłowych wymienników jonowych mieści się w przedziale 2-10 meq/g. Całkowita pojemność wymiany(POE) – maksymalna liczba jonów, jaką może wchłonąć wymieniacz jonowy w stanie nasycenia. Jest to wartość stała dla danego wymieniacza jonowego, którą można wyznaczyć zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych.

W warunkach statycznych, po kontakcie z określoną objętością roztworu elektrolitu, oznaczyć całkowita statyczna pojemność wymiany(PSOE) i równowaga statyczna zdolność wymiany(PCOE), który zmienia się w zależności od czynników wpływających na równowagę (objętość roztworu, jego skład, stężenie itp.). Równowaga między jonitem a roztworem odpowiada równości ich potencjałów chemicznych.

W warunkach dynamicznych, przy ciągłej filtracji roztworu przez pewną ilość wymieniacza jonowego, dynamiczna zdolność wymiany– liczba jonów pochłoniętych przez wymiennik jonowy przed przebiciem zaadsorbowanych jonów (DOE), pełna dynamiczna zdolność wymiany aż do całkowitego wyczerpania się wymieniacza jonowego (PDOE). Pojemność przed przebiciem (pojemność robocza) zależy nie tylko od właściwości wymieniacza jonowego, ale także zależy od składu roztworu początkowego, prędkości jego przejścia przez warstwę jonitu, wysokości (długości) jonu warstwę wymiennika, stopień jej regeneracji oraz wielkość ziaren.

Wydajność roboczą określa krzywa wyjściowa pokazana na ryc. 3.5.1

S 1 – czynna zdolność wymiany, S 1 + S 2 – całkowita dynamiczna zdolność wymiany.

Podczas przeprowadzania elucji w warunkach dynamicznych krzywa elucji wygląda jak krzywa pokazana na ryc. 3.5.2

Zazwyczaj DOE przekracza 50% PDOE dla silnie kwaśnych i silnie zasadowych wymieniaczy jonowych oraz 80% dla słabo kwaśnych i słabo zasadowych wymieniaczy jonowych. Pojemność silnie kwaśnych i silnie zasadowych wymieniaczy jonowych pozostaje praktycznie niezmieniona w szerokim zakresie roztworów pH. Wydajność słabo kwaśnych i słabo zasadowych wymieniaczy jonowych zależy w dużej mierze od pH.

Stopień wykorzystania zdolności wymiennej wymieniacza jonowego zależy od wielkości i kształtu ziaren. Zazwyczaj wielkość ziaren mieści się w zakresie 0,5-1 mm. Kształt ziaren zależy od sposobu przygotowania wymieniacza jonowego. Mogą mieć kształt kulisty lub nieregularny. Preferowane są ziarna kuliste – zapewniają lepsze warunki hydrodynamiczne i większą prędkość procesu. Stosuje się również wymieniacze jonowe o ziarnach cylindrycznych, włóknistych i innych. Im drobniejsze ziarna, tym lepiej wykorzystywana jest zdolność wymienna wymieniacza jonowego, ale jednocześnie, w zależności od zastosowanego sprzętu, albo opór hydrauliczny warstwy sorbentu, albo porywanie drobnych ziaren wymieniacza jonowego przez roztwór wzrasta. Porywania można uniknąć, stosując wymieniacze jonowe zawierające dodatek ferromagnetyczny. Pozwala to na utrzymanie drobnoziarnistego materiału w zawieszeniu w strefie pola magnetycznego, przez które przemieszcza się roztwór.

Wymieniacze jonowe muszą charakteryzować się wytrzymałością mechaniczną i stabilnością chemiczną, to znaczy nie ulegać zniszczeniu w wyniku pęcznienia i pracy w roztworach wodnych. Ponadto powinny łatwo ulegać regeneracji, dzięki czemu przez długi czas zachowują swoje właściwości aktywne i mogą pracować bez wymiany przez kilka lat.

Niektóre materiały filtracyjne ( wymienniki jonowe) są w stanie absorbować jony dodatnie (kationy) z wody w zamian za równoważną ilość jonów kationitu.

Zmiękczanie wody kationem opiera się na zjawisku wymiany jonowej (technologie wymiany jonowej), którego istotą jest zdolność materiałów filtracyjnych jonowymiennych (jonitory – kationitniki) do pochłaniania jonów dodatnich z wody w zamian za równoważną ilość jony wymieniacza kationowego.

Głównym parametrem pracy wymieniacza kationowego jest zdolność wymienna wymieniacza jonowego, która jest określona liczbą kationów, które wymieniacz kationowy może wymienić w trakcie cyklu filtracyjnego. Pojemność wymienną mierzy się w gramowych odpowiednikach zatrzymanych kationów na 1 m 3 wymieniacza kationowego, który po przebywaniu w wodzie znajduje się w stanie napęczniałym (roboczym), tj. w stanie, w którym kationit jest w filtracie.

Wymiennik kationowy ma pełną i działającą (dynamiczną) zdolność wymienną. Całkowita pojemność wymienna kationitu to ilość kationów wapnia Ca +2 i kationów magnezu Mg +2, która może utrzymać 1 m 3 wymieniacza kationowego w stanie roboczym do czasu porównania twardości filtratu z twardością źródła woda. Robocza pojemność wymienna wymieniacza kationowego to ilość kationów Ca +2 i Mg +2, która zatrzymuje 1 m 3 wymieniacza kationowego do czasu, aż kationy soli twardości „przebiją się” do filtratu.

Zdolność wymienna odnosząca się do całej objętości kationitu załadowanego do filtra nazywana jest zdolnością absorpcyjną filtra zmiękczającego wodę.

W zmiękczaczu oczyszczona woda przechodzi przez warstwę kationitu z góry na dół. Jednocześnie na pewnej głębokości warstwy filtracyjnej następuje maksymalne zmiękczenie wody (z soli twardościowych). Warstwa kationitu biorąca udział w zmiękczanie wody, nazywana jest strefą mięknienia (warstwa robocza wymieniacza kationowego). Wraz z dalszym zmiękczaniem wody górne warstwy wymieniacza kationowego ulegają wyczerpaniu i tracą zdolność wymiany jonowej. Dolne warstwy wymieniacza kationowego wchodzą w wymianę jonową i strefa mięknienia stopniowo opada. Po pewnym czasie obserwuje się trzy strefy: pracującą, wyczerpaną i świeżą kationit. Twardość filtratu będzie stała do momentu, gdy dolna granica strefy mięknienia zbiegnie się z dolną warstwą żywicy kationowymiennej. W momencie połączenia rozpoczyna się „przełom” kationów Ca +2 i Mg +2 i twardość resztkowa wzrasta aż do zrównania się z twardością wody źródłowej, co wskazuje na całkowite wyczerpanie wymieniacza kationowego.

Parametry pracy układu zmiękczania wody () określają wzory:

E p = QL u (g-eq/m 3)
mi p = mi p V k,
V k = ah k
e p = QJ i / ah k
Q = v do aT do = e p ah do / Ж и
T k = mi p godz k /v k Zh ja.

Gdzie:
e p – pojemność robocza wymieniacza kationowego, m-eq/m 3
V c – objętość wymieniacza kationowego załadowanego do zmiękczacza w stanie spęcznionym, m 3
h k – wysokość warstwy kationitu, m
F i – twardość wody źródłowej, g-eq/m3
Q – ilość wody zmiękczonej, m 3
a – powierzchnia przekroju filtra zmiękczającego wodę, m 2
v к – prędkość filtracji wody w filtrze kationowymiennym
Tk – czas pracy instalacji zmiękczania wody (okres międzypokoleniowy)