Katyon değiştiricinin toplam dinamik değişim kapasitesinin belirlenmesi. İyon değiştirici su yumuşatma filtresi

İyon değişimi– katı matris iyonlarının değişim süreci ( iyonit ) su iyonları ile.

İyon değişimi, iyonik kirleticilerden su arıtmanın ana yöntemlerinden biridir, suyun derin tuzdan arındırılması. Çeşitli iyon değiştirici malzemelerin varlığı, çeşitli kimyasal bileşimlerin su arıtma problemlerini yüksek verimlilikle çözmeyi mümkün kılar. Bu, örneğin sertlik tuzları ve ağır metaller gibi belirli bileşenlerin bir çözeltiden seçici olarak çıkarılmasını mümkün kılan tek yöntemdir.

İyonitler –Çözeltilerde iyonlaşabilen ve iyonları elektrolitlerle değiştirebilen fonksiyonel (iyonojenik) gruplar içeren katı, çözünmeyen maddeler. Fonksiyonel grupların iyonizasyonu sırasında iki tür iyon ortaya çıkar: bazıları R iyon değiştiricinin çerçevesine (matris) sıkı bir şekilde bağlanır, diğerleri zıt işaretlidir (karşı iyonlar), eşdeğer bir iyon karşılığında çözeltiye geçebilmektedir. çözeltiden aynı işarete sahip diğer iyonların miktarı.

İyon değiştiriciler iyonojenik grupların özelliklerine göre dört ana tipe ayrılır:

• amfolitler;
• seçici iyon değiştiriciler

Matrisin doğası gereği aşağıdakilere ayrılırlar:

• inorganik iyon değiştiriciler;
• organik iyon değiştiriciler

Katyon değiştiriciler– matris üzerine sabitlenmiş anyonlara veya anyon değiştirme gruplarına sahip, dış ortamla katyon alışverişi yapan iyon değiştiriciler.

Katyon değiştirici hidrojen H+- formunda ise suda bulunan tüm katyonlar ekstrakte edilir. Saflaştırılmış çözelti asidiktir.

Na, Ca, Mg, Fe (doğal su) gibi katyonların bir karışımını içeren bir çözelti katyon değiştiriciden geçtiğinde, her katyonun kendi katmanında sorpsiyon cepheleri oluşur ve bunların eşzamanlı olmayan bir şekilde süzüntüye geçişi meydana gelir. Ana ekstrakte edilebilir veya kontrollü iyon filtratta göründüğünde saflaştırma tamamlanır.

Anyon değiştiriciler– matris üzerine sabitlenmiş katyonlara veya katyon değişim gruplarına sahip, dış ortamla anyon alışverişi yapan iyon değiştiriciler.

Anyon değiştirici hidroksil OH - - formundaysa, kural olarak, asidik reaksiyona sahip H + - formundaki katyon değiştirici ile temas ettikten sonra anyonlardan arındırmak için bir çözelti sağlanır.

Bu durumda çözeltide bulunan tüm anyonlar ekstrakte edilir. Saflaştırılmış çözelti nötr bir reaksiyona sahiptir.

Cl, S04, PO4, NO3 gibi anyonların bir karışımını içeren bir çözelti bir anyon değiştiriciden geçirildiğinde, her iyonun sorpsiyon cepheleri kendi katmanında oluşur ve bunların filtrata eşzamanlı olmayan nüfuzu meydana gelir. Suyun arıtılması, ekstrakte edilebilir iyonun filtratta görünmesiyle sona erer.

Amfolitler Sabit katyon değiştirici ve anyon değiştirici gruplar içerirler ve belirli koşullar altında katyon değiştirici veya anyon değiştirici olarak işlev görürler. Teknolojik çözümlerin işlenmesi için kullanılır.

Seçici iyon değiştiriciler Bir veya bir grup iyon için yüksek afiniteye sahip, özel olarak seçilmiş iyonojenik gruplar içerir. Suyu bor, ağır metaller veya radyonüklidler gibi belirli iyonlardan arındırmak için kullanılabilirler.

İyon değiştiricilerin temel özellikleri şunlardır:

• değişim kapasitesi;
• seçicilik;
• mekanik mukavemet;
• ozmotik stabilite;
• kimyasal stabilite;
• sıcaklık stabilitesi;
• granülometrik (kesirli) bileşim.

Değişim kapasitesi

İyon değiştiricilerin iyon değişimi ve sorpsiyon özelliklerini niceliksel olarak karakterize etmek için aşağıdaki miktarlar kullanılır: toplam, dinamik ve çalışma değişim kapasitesi.

Toplam değişim kapasitesi(POE) havayla kuru veya şişmiş iyon değiştiricinin birim kütlesi başına iyon değişimi yapabilen fonksiyonel grupların sayısıyla belirlenir ve mEq/g veya mEq/L cinsinden ifade edilir. İyon değiştirici pasaportunda belirtilen sabit bir değerdir ve değiştirilen iyonun konsantrasyonuna veya niteliğine bağlı değildir. POE termal, kimyasal veya radyasyona maruz kalma nedeniyle değişebilir (azalabilir). Gerçek çalışma koşulları altında, iyon değiştirici matrisinin yaşlanması ve fonksiyonel grupları bloke eden zehirli iyonların (organikler, demir vb.) geri döndürülemez emilimi nedeniyle POE zamanla azalır.

Denge (statik) değişim kapasitesi, sudaki iyon konsantrasyonuna, pH'a ve ölçümler sırasında iyon değiştirici ve çözelti hacimlerinin oranına bağlıdır. Teknolojik süreçlerin hesaplamalarını yapmak için gereklidir.

Dinamik değişim kapasitesi (DEC) su arıtma proseslerinde en önemli göstergedir. Bir iyon değiştiricinin sorpsiyon-rejenerasyon döngüsünde tekrar tekrar kullanıldığı gerçek koşullarda, değişim kapasitesi tam olarak kullanılmaz, sadece kısmen kullanılır. Kullanım derecesi, rejenerasyon yöntemi ve yenileyici maddenin tüketimi, iyon değiştiricinin suyla ve yenileyici madde ile temas süresi, tuz konsantrasyonu, pH, kullanılan cihazın tasarımı ve hidrodinamiği ile belirlenir. Şekil şunu gösteriyor su arıtma işlemi dururdışarı sınırlayıcı iyonun belirli bir konsantrasyonunda, kural olarak, iyon değiştirici tamamen doymadan çok önce. Bu durumda emilen iyonların sayısı, A dikdörtgeninin alanına karşılık gelen, iyon değiştiricinin hacmine bölünen DOE olacaktır. Atılım 1 olduğunda, DEC'nin toplamına ve S şeklindeki eğrinin üzerindeki gölgeli şeklin alanına karşılık gelen, tam doygunluğa karşılık gelen emilen iyonların sayısına toplam dinamik değişim kapasitesi (TDEC) denir. Tipik su arıtma proseslerinde DFU genellikle 0,4-0,7 PFU'yu aşmaz.

Seçicilik. Seçicilik, karmaşık bileşimdeki çözeltilerden iyonları seçici olarak absorbe etme yeteneği olarak anlaşılmaktadır. Seçicilik, iyonojenik grupların türüne, iyon değiştirici matrisindeki çapraz bağların sayısına, gözenek boyutuna ve çözelti bileşimine göre belirlenir. Çoğu iyon değiştirici için seçicilik düşüktür, ancak belirli iyonları çıkarma yeteneği yüksek olan özel numuneler geliştirilmiştir.

Mekanik dayanımİyon değiştiricinin mekanik strese dayanma yeteneğini gösterir. İyon değiştiriciler, özel değirmenlerde aşınmaya karşı veya belirli sayıda parçacığı yok eden bir yükün ağırlığına göre test edilir. Tüm polimerizasyon iyon değiştiricileri yüksek mukavemete sahiptir. Polikondensasyonlu olanlar için bu önemli ölçüde daha düşüktür. Polimerin çapraz bağlanma derecesinin arttırılması mukavemetini arttırır, ancak iyon değişim hızını kötüleştirir.

Ozmotik stabilite. İyon değiştirici parçacıklarının en büyük tahribatı, bulundukları ortamın özellikleri değiştiğinde meydana gelir. Tüm iyon değiştiriciler yapılandırılmış jel olduğundan hacimleri tuz içeriğine, ortamın pH'ına ve iyon değiştiricinin iyonik formuna bağlıdır. Bu özellikler değiştiğinde tane hacmi de değişir. Ozmotik etki nedeniyle konsantre çözeltilerdeki tane hacmi seyreltik olanlardan daha azdır. Ancak bu değişiklik aynı anda gerçekleşmiyor, "yeni" çözeltinin konsantrasyonları tane hacmi boyunca eşitlendikçe meydana geliyor. Bu nedenle dış katman, parçacığın çekirdeğinden daha hızlı büzülür veya genişler; Büyük iç gerilimler ortaya çıkar ve üst katman kırılır veya damarın tamamı bölünür. Bu olaya "ozmotik şok" denir. Her iyon değiştirici, çevresel özelliklerdeki bu tür değişikliklerin belirli sayıda döngüsüne dayanma kapasitesine sahiptir. Buna ozmotik gücü veya stabilitesi denir. En büyük hacim değişikliği zayıf asidik katyon değiştiricilerde meydana gelir. İyon değiştirici taneciklerinin yapısında makro gözeneklerin varlığı, çalışma yüzeyini arttırır, aşırı şişmeyi hızlandırır ve bireysel katmanların "nefes almasını" mümkün kılar. Bu nedenle, makro gözenekli yapıya sahip kuvvetli asidik katyon değiştiriciler ozmotik açıdan en kararlı olanlardır ve zayıf asidik katyon değiştiriciler ise ozmotik açıdan en az kararlı olanlardır. Ozmotik stabilite, bir iyon değiştirici örneğinin dönüşümlü olarak bir asit ve alkali çözeltisi içinde demineralize su ile ara yıkama ile tekrarlanan (150 kez) işleminden sonra tam tanelerin sayısının toplam başlangıç ​​sayılarına bölünmesiyle tanımlanır.

Kimyasal stabilite. Tüm iyon değiştiricilerin asit, alkali ve oksitleyici ajanların çözeltilerine karşı belirli bir direnci vardır. Tüm polimerizasyon iyon değiştiricileri, polikondensasyon iyon değiştiricilerinden daha yüksek kimyasal dirence sahiptir. Katyon değiştiriciler anyon değiştiricilere göre daha dayanıklıdır. Anyon değiştiriciler arasında zayıf bazik olanlar asitlere, alkalilere ve oksitleyici maddelere karşı kuvvetli bazik olanlara göre daha dayanıklıdır.

Sıcaklık kararlılığı Katyon değiştiriciler anyon değiştiricilerden daha yüksektir. Zayıf asit katyon değiştiriciler 130 °C'ye kadar sıcaklıklarda, güçlü asit tipi KU-2-8 - 100–120 °C'ye kadar ve çoğu anyon değiştirici - 60'tan yüksek olmayan, maksimum 80 °C'de çalışır. kural olarak H- veya
İyon değiştiricilerin OH formları tuz formlarından daha az stabildir.

Fraksiyonel kompozisyon. Sentetik polimerizasyon tipi iyon değiştiriciler boyutları 0,3 ile 2,0 mm arasında değişen küresel parçacıklar halinde üretilmektedir. Polikondensasyon iyon değiştiricileri, 0,4-2,0 mm boyutunda, düzensiz şekilli ezilmiş parçacıklar formunda üretilir. Standart polimerizasyon tipi iyon değiştiricilerin boyutları 0,3 ila 1,2 mm arasındadır. Polimerizasyon iyon değiştiricilerinin ortalama boyutu 0,5 ila 0,7 mm arasındadır (Şekil). Heterojenlik katsayısı 1,9'dan fazla değildir. Bu, katmanın kabul edilebilir hidrolik direncini sağlar. Akışkan yatakta iyon değiştiricilerin kullanıldığı işlemler için, SSCB'de 2 sınıf boyutunda üretildi: 0,6-2,0 mm boyutunda A sınıfı ve 0,3-1,2 mm boyutunda B sınıfı.

Yurt dışında özel teknolojiler kullanarak çok küçük boyut aralığına sahip parçacıklara sahip monosfer tipi iyon değiştiriciler Purofine, Amberjet, Marathon üretiyorlar: 0,35 ± 0,05; 0,5 ± 0,05; 0,6 ± 0,05 (Şek.). Bu tür iyon değiştiriciler daha yüksek bir değişim kapasitesine, ozmotik ve mekanik stabiliteye sahiptir. Monosferik iyon değiştiricilerin katmanları daha düşük hidrolik dirence sahiptir; bu tür katyon ve anyon değiştiricilerin karışık katmanları çok daha iyi ayrılır.

Pirinç. Standart için parçacık boyutu dağılım eğrileri ( 1 ) ve monosferik ( 2 ) iyonitler ( A) ve bu tür iyon değiştiricilerin fotoğrafları ( B)

Katyon değiştiricinin toplam (toplam) değişim kapasitesi, statik veya dinamik koşullar altında bir NaOH veya KOH çözeltisi ile nötralizasyon yoluyla belirlenir ve 1 g kuru veya 1 dm3 şişmiş katyon değiştirici başına eşdeğer olarak ifade edilir.

Katyon değişim reaksiyonları (K-katyonit) şu şekildedir:

Çözeltilerde ayrışmayan maddeler, aktif karbonda olduğu gibi, moleküler adsorpsiyon yasalarına göre iyon değiştiriciler tarafından adsorbe edilir.

Şeker endüstrisinde kullanılan çeşitli markalardaki güçlü asit katyon değiştiricilerin toplam değişim kapasitesi 4 ila 6 mEq/g arasında değişmektedir. Örneğin yerli katyon değiştirici KU-2-8/N, Na iyon formunun toplam değişim kapasitesi 5,1 /N/mg-eq/g'dir.

Analizin amacı - şeker çözeltilerinin saflaştırılmasında katyon değişim reçinesinin kalitesini ve uygunluğunu değerlendirmek.

Analiz yönteminin prensibi iyon değiştirme reaksiyonu sonucunda oluşan 0,1 N asidin titrasyonu esasına dayanır. İndikatör olarak metil oranjın varlığında NaOH çözeltisi.

Reaktifler:

%5 NaCl çözeltisi;

0,1 n. NaOH çözeltisi;

Gösterge - metil turuncu.

Cihazlar ve malzemeler:

18 mm çapında, 250 cm yüksekliğinde uzatılmış uçlu cam kolon;

Damlama hunisi;

200 cm3 kapasiteli hacimsel şişe;

100 cm3 kapasiteli ölçüm silindiri;

Titrasyon büreti;

Beher;

Katyon değişim reçinesi.

Kararlılığın ilerlemesi

Analiz için hazırlanan H-form katyon değiştiriciden 5 g, distile su kullanılarak 18 mm çapındaki cam kolona aktarılır, alt kısmının uzatılmış ucuna yerleştirilen kelepçe yardımıyla fazla su kauçuk bir tüp içinden boşaltılır. sütun. Katyon değiştiricinin taşınmasını önlemek için kolonun cam ızgarası üzerine cam yünü çubuk yerleştirilir.

Bundan sonra, 100 cm3'lük kimyasal olarak saf NaCl çözeltisi, 30 dakika boyunca katyonlu kolonun üzerine yerleştirilen bir damlatma hunisinden eşit şekilde geçirilir ve çözeltinin katyon değiştirici katmanının üzerindeki seviyesi 1 cm'ye eşit tutulur. katyon değiştirici hacminin iki katı su ile yıkanır. Süzüntü ve yıkama suyu hacimsel bir şişede toplanır ve burada hacimleri 200 cm3'e ayarlanır. Bu hacimden 50 cm3 ayrı bir bardağa alınarak 0,1 N ile titre edilir. İndikatör olarak metil oranjın varlığında NaOH çözeltisi.

Hesaplamalar:

1. Karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için, katyon değiştiricinin değişim kapasitesi, 1 g kuru iyon değiştirici başına iyonların miligram eşdeğeri / veya aktif grup sayısı / ile ifade edilir. Bu nedenle akış hızı 0,1N ise. 1 g mutlak kuru katyon değiştiricinin açığa çıkardığı asidi nötralize eden NaOH çözeltisi aşağıdaki formülle ifade edilebilir:

,

ve 1 cm3 1 n'de. NaOH çözeltisi 0,1 mEq içeriyorsa katyon değiştiricinin toplam değişim kapasitesi aşağıdaki formülden hesaplanabilir.

Nerede Ek- mutlak kuru katyon değiştiricinin mEq/g cinsinden toplam değişim kapasitesi;

B- toplam süzüntü miktarı, cm3;

V- miktar 0,1 n. Süzüntünün titrasyonu için kullanılan NaOH çözeltisi, cm3;

A – titrasyon için seçilen filtrat miktarı, cm3;

G - Toplam değişim kapasitesini belirlemek için alınan kuru katyon değiştirici miktarı, g;

W– katyon değiştirici nemi, %. 95-100ºС sıcaklıkta 3 saat kurutularak belirlenir.

2. Katyon değiştiricinin değişim kapasitesi aynı zamanda sodyum cinsinden de ifade edilebilir. Bu durumda hesaplama aşağıdaki formüle göre yapılır.

veya 1 cm3 0,1 n'den beri. NaOH çözeltisi 0,0023 g sodyum içerir, bu durumda
.

Su yumuşatma- kalsiyum ve magnezyum katyonlarının uzaklaştırılmasını amaçlayan bir işlem; sertliğini azaltır.

SANPiN gerekliliklerine göre, içme suyunun sertliği 7 mEq/l'yi geçmemelidir ve derin yumuşatma gereklilikleri, ısı değişim süreçlerine katılan su için belirlenir; 0,05...0,01 mEq/l'ye kadar. Termik santrallerin tambur kazanlarını beslemek için kullanılan suyun sertliği 0,005 mEq/l yani 5 mcg-eq/l'yi geçmemelidir.

Su arıtma ve su arıtma sistemlerinde, belirli koşullar altında boru ve aparatların duvarlarında yoğun çözünmeyen birikintiler oluşturabilen Mg(II), Ca(II) katyonları ve anyonlarının toplam konsantrasyonlarının çeşitli yöntemler kullanılarak azaltılması, seçimi kaynak suyunun kalitesine, arıtma gerekliliklerine ve teknik ve ekonomik hususlara göre belirlenir.

İyon değiştirme yöntemi.

Bu yöntem, belirli malzemelerin (katyon değiştiriciler ve anyon değiştiriciler), eşdeğer miktarda iyon (katyonlar ve anyonlar) karşılığında sudan iyonları (katyonlar ve anyonlar) absorbe etme yeteneğine dayanmaktadır.

Katyonizasyon süreci katyonların değiştirildiği süreçtir. Yumuşatma sırasında su arıtımında - sudan Ca 2+ ve Mg 2+ iyonları için katyon değiştirici katyonlarla.

Anyonizasyon işlemi - sırasıyla anyonlarla, esas olarak tuzdan arındırma ve derin tuzdan arındırma sırasında.

Manyetik su arıtma.

Yüksek kalsiyum karbonat sertliği durumunda manyetik su arıtmasının kullanılması tavsiye edilir.

Su manyetik alandan geçerken, içinde genişleyen ve üfleme sırasında uzaklaştırılan yapışmaz çamurun içine düşen kristalleşme merkezleri oluşur. Onlar. Yağış, ısıtma yüzeyinin duvarlarında değil, su hacminde meydana gelir.

Kireç önleyici etki, suyun niteliksel ve niceliksel bileşimi, sıvının manyetik alan çizgileri boyunca hareket hızı, manyetik alanın gücü ve suyun içinde kalma süresi gibi faktörlerden etkilenir.

Suyun başarılı manyetik arıtımı için koşullar, yüksek miktarda kalsiyum karbonat ve sülfat içeriği olmalı ve serbest karbon oksit IV konsantrasyonu denge seviyesinden daha az olmalıdır. Suda bulunan demir oksitlerin ve diğerlerinin safsızlıkları da kireç önleyici etkiyi arttırır.

Manyetik su arıtma cihazları hem kalıcı mıknatıslar hem de elektromıknatıslar temelinde çalışır. Kalıcı mıknatıslı cihazların dezavantajı, zaman zaman ferromanyetik yabancı maddelerden arındırılmalarının gerekmesidir. Elektromıknatıslar ağdan ayrılarak demir oksitlerden arındırılır.

Suyun işlenmesi sırasında manyetik alandaki hızı 1 m/s'yi geçmemelidir. Birim zaman başına arıtılmış su hacmini arttırmak için katman katman manyetik işleme sahip cihazlar kullanılır.

Manyetik işleme yöntemi, sıcak su temini ısıtma ağlarında, termik santrallerde ve ısı eşanjörlerinde uygulama bulmuştur.

Su yumuşatma problemini çözerken bu yöntemin seçimi, esas olarak, ana, sonraki aşama veya ek olarak kullanılan belirli bir kalitedeki suyun arıtılmasındaki etkinliğine dayanmalıdır.

Ters osmoz.

Günümüzde su arıtımında en yaygın kullanılan yöntem ters ozmozdur.

Yöntemin özü, yüksek basınç altında, 10 ila 25 atmosfer arasında suyun membranlara sağlanmasıdır. Membranlar, içinden geçen yabancı maddelere göre seçici bir malzeme olduğundan, su moleküllerinin geçmesine izin verir, suda çözünmüş iyonların geçmesine izin vermez.

Böylece, ters ozmoz kurulumundan sonraki çıkışta iki akış alıyoruz - membrandan geçen ilk saf su akışı, sözde süzüntü ve membrandan geçmeyen yabancı maddeler içeren ikinci su akışı, konsantre denir.

Sızıntı tüketiciye gönderilir ve tedarik edilen su hacminin %50 ila %80'ini oluşturur. Miktarı, membranın özelliklerine ve durumuna, kaynak suyunun kalitesine ve istenen temizleme sonucuna bağlıdır. Çoğu zaman yaklaşık% 70'tir.

Sırasıyla% 50 ila 20 arasında konsantre olun.

Membran üzerindeki yük arttığında; Geçen su ile safsızlık içeren su arasındaki yüzde oranı arttıkça, membranın seçiciliği azalır ve konsantre olmadığında minimuma ulaşır; Ters ozmoz tesisatına verilen suyun tamamı membrandan geçtiğinde.

Ters ozmoz membranları, suyun yüksek basınçlarda geçmesine izin veren ve içinde çözünmüş iyonların ve diğer yabancı maddelerin geçmesine izin vermeyen özel yapıya sahip kompozit polimer malzemeden yapılmıştır. Membran üzerindeki yük arttıkça servis ömrü kısalır ve salınan sıvının safsızlıklarla birlikte membrandan tamamen geçtiği kritik parametrelere ulaşıldığında yok edilir. Membranın ortalama servis ömrü 5 yıldır.

Zamanla, membranın yüzeyi mikroorganizmalarla büyüyebilir ve az çözünen bileşiklerden oluşan bir tabaka ile kaplanabilir. Ters ozmoz membranlarını temizlemek için biyosit ilaveli asit ve alkali çözeltileri kullanılır.

Ters ozmoz yıkarken yarı geçirgen membranın filtre olmadığını unutmamalıyız. Yıkama yalnızca sıvı hareketi yönünde yapılmalıdır. Su çözeltisinin ters akışı membranın bozulmasına neden olur.

Su arıtmanın reaktif yöntemleri.

Reaktif su arıtma yöntemleri, esas olarak reaktiflerin eklenmesi ve sertlik tuzlarının daha sonra çökeltilmesiyle az çözünen bileşiklere dönüştürülmesi yoluyla suyun sığ yumuşatılmasına hizmet eder.

Reaktif olarak kireç, soda, kostik soda vb. Kullanılıyor Şu anda birkaç yerde kullanılıyorlar, ancak kalsiyum ve magnezyumun zayıf çözünen bileşiklere dönüştürülmesi ve bunların daha fazla çökeltilmesi işlemlerinin genel olarak anlaşılması için bunları ele alalım. .

Kireçleme yoluyla ölçeğin azaltılması.

Yöntem yüksek karbonatlı ve düşük karbonatsız sertliğe sahip suya uygulanabilir.

Kireç sütü eklendiğinde suyun pH'ı artar, bu da çözünmüş karbondioksit ve bikarbonat iyonunun karbonat iyonuna geçişine yol açar:
C02 + OH - = C032- + H20,
HCO3- + OH - = C032- + H20.

Su karbonat iyonlarıyla doyduğunda kalsiyum çöker:
Ca2+ + C032- = CaC03 ↓.

Ayrıca pH'ın artmasıyla birlikte magnezyum da çöker:
Mg2+ + OH - = Mg(OH)2 ↓.

Aşırı karbonat sertliği önemsizse, varlığı karbonat olmayan sertliği azaltan kireç ile birlikte soda dozlanır:

CaS04 + Na2C03 = CaC03 ↓ + Na2S04.

Magnezyum ve kalsiyum katyonlarının daha eksiksiz çökelmesi için suyun 30-40 dereceye kadar ısıtılması önerilir. Arttıkça CaCO 3 ve Mg(OH) 2'nin çözünürlüğü azalır. Bu, su sertliğini 1 mEq/L veya altına düşürmeyi mümkün kılar.

Suyu yumuşatmak için soda-sodyum yöntemi.

Karbonatsız sertliğin karbonat sertliğinden büyük olması durumunda soda eklenmesi gerekir. Bu parametreler eşitse soda eklenmesine hiç gerek kalmayabilir.

Kalsiyum ve magnezyum bikarbonatlar alkali ile reaksiyona girerek az çözünen kalsiyum ve magnezyum bileşikleri, soda, su ve karbondioksit oluşturur:
Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaC03 ↓ + Na2C03 + 2H2O,
Mg(HCO3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2C03 + H20 + C02.

Magnezyum bikarbonatın alkali ile reaksiyonu sonucu oluşan karbondioksit, alkali ile tekrar reaksiyona girerek soda ve su oluşturur:
C02 + NaOH = Na2C03 + H20.

Karbonat olmayan sertlik.
Kalsiyum sülfat ve klorür, karbonat sertliği ve alkali reaksiyonlarında oluşan soda ile reaksiyona girer ve alkali koşullar altında yapışmayan kalsiyum karbonat oluşturmak üzere soda eklenir:
CaCl2 + Na2C03 = CaC03 ↓ + 2NaCl,
CaS04 + Na2C03 = CaCO3 ↓ + Na2S04

Magnezyum sülfat ve klorür alkali ile reaksiyona girerek çökelmiş magnezyum hidroksit oluşturur:
MgS04 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + Na2S04,
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl.

Bikarbonatın alkali ile reaksiyonlarında, daha sonra karbonat olmayan sertlik ile reaksiyona giren soda oluşması nedeniyle, miktarının karbonat ve karbonat olmayan sertlik oranıyla ilişkilendirilmesi gerekir: eşitse soda olamaz J ila > Jn koşulu altında eklendiğinde, J'nin ters oranıyla bir soda fazlası oluşur.

Kombine yöntemler.

Sertliğini azaltmak için çeşitli su arıtma yöntemlerinin kombinasyonu bazen oldukça yüksek sonuçlar verir. Bunun nedeni genellikle su ve buhar kalitesine yönelik yüksek gereksinimlerdir.

Bir örnek, ters ozmozun sodyum katyonizasyonu ile kombinasyonu olabilir. Katyon değiştirici filtreler kullanılarak suyun ana sertliği azaltılır; tuzdan arındırmak için ters ozmoz kullanılır.

Başka bir durumda, manyetik su arıtımı ek bir arıtma aşaması olarak hizmet edebilir - kurulum, sıcak su sirkülasyon boru hattındaki yumuşatma sisteminden sonra bulunur.

Doğada ve pratikte meydana gelen önemli sayıda süreç iyon değişimidir. İyon değişimi, topraktaki ve hayvanların ve bitkilerin vücudundaki elementlerin göçünün temelini oluşturur. Endüstride maddelerin ayrılması ve üretimi, suyun tuzdan arındırılması, atık su arıtımı, çözeltilerin konsantrasyonu vb. için kullanılır. İyon değişimi hem homojen bir çözeltide hem de heterojen bir sistemde meydana gelebilir. Bu durumda, altında iyon değişimiÇözeltideki ve katı fazdaki iyonlar arasında değişimin meydana geldiği heterojen süreci anlamak iyon değiştirici veya iyon değiştirici. İyon değiştirici çözeltiden iyonları çeker ve karşılığında yapısında bulunan iyonları çözeltiye bırakır.

3.5.1. İyon değiştiricilerin sınıflandırılması ve fiziksel ve kimyasal özellikleri

İyon değiştirici sorbentler, iyon değiştiriciler Bunlar aşağıdakilerden oluşan polielektrolitlerdir matrisler– kendilerine aktif olanların bağlı olduğu sabit atom veya molekül grupları (yüksek moleküler zincirler) iyonojenik gruplarİyon değiştirme yeteneğini sağlayan atomlar. İyonik gruplar ise kimyasal etkileşim kuvvetleriyle matrisle ilişkili hareketsiz iyonlardan ve zıt yüklere sahip eşdeğer sayıda hareketli iyondan oluşur. karşı iyonlar. Karşı iyonlar bir konsantrasyon gradyanının etkisi altında hareket edebilir ve aynı yüke sahip çözeltideki iyonlarla değiştirilebilir. İyon değiştirici - elektrolit çözeltisi sisteminde, değiştirilen iyonların dağılımının yanı sıra, bu fazlar arasında solvent moleküllerinin yeniden dağılımı da vardır. Çözücüyle birlikte belirli bir miktar iyon değiştiriciye nüfuz eder. koionlar(sabit olanlarla aynı yük işaretli iyonlar). Sistemin elektriksel nötrlüğü korunduğundan, iyon değiştiriciye koiyonlarla birlikte eşdeğer miktarda karşı iyon da geçer.

Hangi iyonların hareketli olduğuna bağlı olarak iyon değiştiriciler katyon değiştiricilere ve anyon değiştiricilere ayrılır.

Katyon değiştiriciler hareketsiz anyonlar ve değişim katyonları içerirler; asidik özelliklerle karakterize edilirler - hareketli bir hidrojen veya metal iyonu. Örneğin, katyon değiştirici R / SO3 - H + (burada R, sabit bir fonksiyonel grup SO3 - ve bir karşı iyon H + ile yapısal bir temeldir). Katyon değiştiricide bulunan katyonların türüne bağlı olarak, tüm hareketli katyonları yalnızca hidrojen veya Na-katyon değiştirici, Ca-katyon değiştirici vb. ile temsil ediliyorsa buna H-katyon değiştirici denir. Bunlar RH, RNa, R2Ca olarak adlandırılır; burada R, katyon değişim reçinesinin aktif grubunun sabit kısmına sahip çerçevedir. Sabit fonksiyonel gruplara (SO 3 -, -PO 3 2-, -COO -, -AsO 3 2- vb.) sahip katyon değiştiriciler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Anyon değiştiriciler hareketsiz katyonlar ve değişim anyonları içerirler; hareketli bir hidroksit iyonunun veya bir asit kalıntı iyonunun temel özellikleriyle karakterize edilirler. Örneğin, -N(CH3)3+ fonksiyonel grubuna ve OH- karşı iyonuna sahip anyon değiştirici R / N(CH3)3 + OH-. Anyon değiştirici, katyon değiştirici gibi farklı formlarda olabilir: OH-anyon değiştirici veya ROH, SO4-anyon değiştirici veya RSO4, burada R, anyon değiştiricinin aktif grubunun sabit bir kısmına sahip bir çerçevedir. En yaygın olarak kullanılanlar – +, - +, NH3 +, NH + vb. sabit gruplara sahip anyon değiştiricilerdir.

Katyon değiştirme reçinesinin aktif grubunun ayrışma derecesine ve buna göre iyon değiştirme yeteneğine bağlı olarak, katyon değiştirme reçineleri ikiye ayrılır: kuvvetli asit ve zayıf asit. Böylece aktif grup –SO3H tamamen ayrışır, bu nedenle geniş bir pH aralığında iyon değişimi mümkündür; sülfonik gruplar içeren katyon değiştiriciler güçlü asidik olarak sınıflandırılır. Orta mukavemetli katyon değiştiriciler arasında fosforik asit gruplarına sahip reçineler bulunur. Ayrıca, adım adım ayrışma yeteneğine sahip dibazik gruplar için, gruplardan yalnızca biri orta kuvvette asit özelliklerine sahiptir, ikincisi ise zayıf asit gibi davranır. Bu grup pratik olarak güçlü asidik bir ortamda ayrışmadığından, bu iyon değiştiricilerin hafif asidik veya alkali ortamlarda, pH 4'te kullanılması tavsiye edilir. Zayıf asidik katyon değiştiriciler, zayıf asidik çözeltilerde bile hafifçe ayrışan karboksil grupları içerir; çalışma aralıkları pH5'tir. Hem sülfo gruplarını hem de karboksil gruplarını veya sülfo ve fenolik grupları içeren iki işlevli katyon değiştiriciler de vardır. Bu reçineler kuvvetli asidik çözeltilerde çalışır ve yüksek alkalilikte kapasitelerini önemli ölçüde artırırlar.

Katyon değiştiricilere benzer şekilde anyon değiştiriciler de ikiye ayrılır: yüksek temel ve düşük temel. Yüksek bazik anyon değiştiriciler, aktif gruplar olarak iyi ayrışmış kuaterner amonyum veya piridin bazları içerir. Bu tür anyon değiştiriciler, anyonları yalnızca asidik değil aynı zamanda alkali çözeltilerde de değiştirebilmektedir. Orta ve düşük bazik anyon değiştiriciler zayıf bazlar olan primer, sekonder ve tersiyer amino gruplarını içerirler, çalışma aralıkları pH89'dur.

Amfoterik iyon değiştiriciler de kullanılır - amfolitler hem asitlerin hem de bazların özelliklerine sahip fonksiyonel grupları, örneğin amino gruplarıyla kombinasyon halinde organik asit gruplarını içerir. Bazı iyon değiştiriciler, iyon değiştirme özelliklerine ek olarak kompleks oluşturma veya redoks özelliklerine de sahiptir. Örneğin iyonojenik amino grupları içeren iyon değiştiriciler, oluşumu iyon değişimi ile aynı anda meydana gelen ağır metallerle kompleksler verir. İyon değişimine, iyonların ayrılmasına izin veren pH değerinin ayarlanmasıyla sıvı fazda kompleksleşme eşlik edebilir. Elektron iyon değiştiriciler, hidrometalurjide, seyreltik çözeltilerden eşzamanlı olarak emilmeleri ile çözeltilerdeki iyonların oksidasyonu veya indirgenmesi için kullanılır.

İyon değiştirici tarafından emilen iyonun desorpsiyon işlemine ne ad verilir? elüsyon Bu durumda iyon değiştirici rejenere edilir ve ilk haline aktarılır. Emilen iyonların elüsyonu sonucunda, iyon değiştiricinin yeterince "yüklü" olması koşuluyla, orijinal çözeltilerden 100 kat daha yüksek iyon konsantrasyonuna sahip elüatlar elde edilir.

Bazı doğal malzemeler iyon değiştirme özelliklerine sahiptir: zeolitler, ahşap, selüloz, sülfonatlı kömür, turba vb., ancak işlenmiş ortamlarda yeterince yüksek bir değişim kapasitesine veya stabiliteye sahip olmadıkları için neredeyse hiçbir zaman pratik amaçlar için kullanılmazlar. En yaygın kullanılan organik iyon değiştiriciler, elektrolitik ayrışma yeteneğine sahip fonksiyonel gruplar içeren katı yüksek moleküllü polimer bileşikleri olan sentetik iyon değiştirme reçineleridir, bu nedenle bunlara polielektrolitler denir. Gerekli iyonik grupları içeren monomerlerin polikondansasyonu ve polimerizasyonu yoluyla veya önceden sentezlenmiş bir polimerin ayrı ayrı birimlerine iyonik grupların eklenmesiyle sentezlenirler. Polimer grupları kimyasal olarak birbirine bağlanır, bir çerçeveye, yani onlarla etkileşime giren bir maddenin - bir tere maddesinin yardımıyla matris adı verilen üç boyutlu bir uzamsal ağa dikilir. Divinilbenzen sıklıkla çapraz bağlayıcı olarak kullanılır. Divinilbenzen miktarını ayarlayarak, reçine hücrelerinin boyutunu değiştirmek mümkündür; bu, hücreden daha büyük bir boyuta sahip iyonlar nedeniyle herhangi bir katyonu veya anyonu seçici olarak emen iyon değiştiricilerin elde edilmesini mümkün kılar; boyut reçine tarafından emilmez. Hücre boyutunu arttırmak için, vinilbenzenden daha büyük moleküllere sahip reaktifler, örneğin etilen glikollerin ve bifenollerin dimetakrilatları kullanılır. Uzun doğrusal zincirlerin oluşumunu engelleyen telojenlerin kullanımı nedeniyle iyon değiştiricilerin geçirgenliğinin arttırılması sağlanır. Zincirlerin kırıldığı yerlerde gözenekler oluşur, bu sayede iyon değiştiriciler daha hareketli bir çerçeve kazanır ve sulu çözeltiyle temas ettiğinde daha güçlü şişer. Telojen olarak karbon tetraklorür, alkilbenzenler, alkoller vb. kullanılır. Bu şekilde elde edilen reçineler jel yapı veya mikro gözenekli. Almak için makro gözenekli Reaksiyon karışımına izooktan ve alkoller gibi daha yüksek hidrokarbonlar gibi organik çözücüler eklenir. Çözücü, polimerizasyon kütlesi tarafından yakalanır ve çerçevenin oluşumu tamamlandıktan sonra polimerde büyük gözenekler bırakarak damıtılır. Böylece iyon değiştiriciler yapılarına göre makro gözenekli ve jel olarak ikiye ayrılır.

Büyük gözenekli iyon değiştiriciler, 20-130 m2 /g gelişmiş spesifik yüzey alanına sahip olduklarından (5 m2 /g yüzey alanına sahip jel olanlardan farklı olarak) jel olanlara kıyasla daha iyi kinetik değişim özelliklerine sahiptirler. ve büyük gözenekler - 20-100 nm, bu, gözeneklerin yüzeyinde meydana gelen iyonların heterojen değişimini kolaylaştırır. Döviz kuru önemli ölçüde tahılların gözenekliliğine bağlıdır, ancak genellikle değişim kapasitelerini etkilemez. Hacim ve tane boyutu ne kadar büyük olursa, iç difüzyon da o kadar hızlı olur.

Jel iyon değiştirme reçineleri, kuruduğunda gözenekleri olmayan ve iyon ve moleküllere karşı geçirimsiz olan homojen tanelerden oluşur. Suda veya sulu çözeltilerde şiştikten sonra geçirgen hale gelirler.

İyon değiştiricilerin şişmesi

Şişme sıvı solvent içerisine yerleştirilen iyon değiştiricinin, solvent moleküllerinin hidrokarbon çerçevesinin derinliklerine nüfuz etmesi nedeniyle hacminin kademeli olarak arttırılması işlemidir. İyon değiştirici ne kadar şişerse iyon değişimi o kadar hızlı gerçekleşir. Şişme karakterize edilmiş ağırlık şişmesi- 1 g kuru iyon değiştirici başına emilen su miktarı veya şişme katsayısı- şişmiş iyon değiştiricinin spesifik hacimlerinin kuru olana oranı. Çoğunlukla şişme işlemi sırasında reçinenin hacmi 10-15 kat artabilir. Yüksek moleküllü bir reçinenin şişmesi daha büyüktür, onu oluşturan birimlerin çapraz bağlanma derecesi ne kadar düşükse, yani makromoleküler ağı o kadar az katıdır. Çoğu standart iyon değiştirici, kopolimerlerde %6-10 divinilbenzen (bazen %20) içerir. Çapraz bağlanma için divinilbenzen yerine uzun zincirli ajanlar kullanıldığında, üzerinde iyon değişiminin yüksek oranda gerçekleştiği, yüksek geçirgenliğe sahip makromesh iyon değiştiriciler elde edilir. Matrisin yapısına ek olarak, iyon değiştiricinin şişmesi, içindeki hidrofilik fonksiyonel grupların varlığından da etkilenir: hidrofilik gruplar ne kadar fazlaysa, iyon değiştirici de o kadar fazla şişer. Ayrıca tek yüklü karşıt iyonlar içeren iyon değiştiriciler, çift ve üçlü yüklü olanların aksine daha kuvvetli şişer. Konsantre çözeltilerde şişme, seyreltik olanlara göre daha az meydana gelir. Çoğu inorganik iyon değiştirici, suyu emmelerine rağmen hiç şişmez veya neredeyse hiç şişmez.

İyon değiştirici kapasitesi

Sorbentlerin iyon değiştirme yeteneği, değişim kapasitesiİyon değiştiricinin birim kütlesi veya hacmi başına fonksiyonel iyonojenik grupların sayısına bağlı olarak. 1 g kuru iyon değiştirici başına mili eşdeğer veya 1 m3 iyon değiştirici başına eşdeğer cinsinden ifade edilir ve çoğu endüstriyel iyon değiştirici için 2-10 meq/g aralığındadır. Toplam değişim kapasitesi(POE) – iyon değiştirici doyduğunda emilebilecek maksimum iyon sayısı. Bu, belirli bir iyon değiştirici için hem statik hem de dinamik koşullar altında belirlenebilen sabit bir değerdir.

Statik koşullar altında, belirli bir hacimdeki elektrolit çözeltisi ile temas ettiğinde, toplam statik değişim kapasitesi(PSOE) ve denge statik değişim kapasitesi(PCOE), dengeyi etkileyen faktörlere (çözeltinin hacmi, bileşimi, konsantrasyonu vb.) bağlı olarak değişir. İyonit ve çözelti arasındaki denge, kimyasal potansiyellerinin eşitliğine karşılık gelir.

Dinamik koşullar altında, çözeltinin belirli miktarda iyon değiştiriciden sürekli olarak filtrelenmesiyle, dinamik değişim kapasitesi– emilen iyonların geçişinden önce iyon değiştirici tarafından emilen iyonların sayısı (DOE), tam dinamik değişim kapasitesi iyon değiştirici tamamen tükenene kadar (PDOE). Atılımdan önceki kapasite (çalışma kapasitesi) yalnızca iyon değiştiricinin özelliklerine göre değil, aynı zamanda ilk çözeltinin bileşimine, iyon değiştirici katmanından iletim hızına, iyonun yüksekliğine (uzunluğuna) da bağlıdır. değiştirici katman, yenilenme derecesi ve tanelerin boyutu.

Çalışma kapasitesi, Şekil 1'deki çıktı eğrisi ile belirlenir. 3.5.1

S 1 – çalışma değişim kapasitesi, S 1 + S 2 – toplam dinamik değişim kapasitesi.

Dinamik koşullar altında elüsyon gerçekleştirilirken elüsyon eğrisi Şekil 2'de gösterilen eğriye benzer. 3.5.2

Tipik olarak DOE, güçlü asidik ve güçlü bazik iyon değiştiriciler için PDOE'nin %50'sini ve zayıf asidik ve zayıf bazik iyon değiştiriciler için %80'i aşar. Güçlü asidik ve güçlü bazik iyon değiştiricilerin kapasitesi, geniş bir pH solüsyonu aralığında neredeyse hiç değişmeden kalır. Zayıf asidik ve zayıf bazik iyon değiştiricilerin kapasitesi büyük ölçüde pH'a bağlıdır.

İyon değiştiricinin değişim kapasitesinin kullanım derecesi tanelerin boyutuna ve şekline bağlıdır. Tipik olarak tane boyutları 0,5-1 mm aralığındadır. Tanelerin şekli iyon değiştiricinin hazırlanma yöntemine bağlıdır. Şekilleri küresel veya düzensiz olabilir. Küresel taneler tercih edilir; daha iyi hidrodinamik koşullar ve daha yüksek işlem hızı sağlarlar. Silindirik taneli, lifli ve diğer iyon değiştiriciler de kullanılır. Tanecikler ne kadar ince olursa iyon değiştiricinin değişim kapasitesi de o kadar iyi olur, ancak aynı zamanda kullanılan ekipmana bağlı olarak sorbent katmanının hidrolik direnci veya iyon değiştiricinin küçük taneciklerinin çözelti tarafından sürüklenmesi de artar. artışlar. Ferromanyetik katkı maddesi içeren iyon değiştiriciler kullanılarak sürüklenme önlenebilir. Bu, ince taneli malzemenin, çözeltinin hareket ettiği manyetik alan bölgesinde süspansiyon halinde tutulmasına olanak tanır.

İyon değiştiricilerin mekanik dayanıma ve kimyasal stabiliteye sahip olması, yani sulu çözeltilerde şişme ve çalışma sonucu bozulmaması gerekir. Ayrıca kolayca yenilenmeleri, böylece aktif özelliklerini uzun süre korumaları ve birkaç yıl değiştirilmeden çalışabilmeleri gerekir.

Bazı filtre malzemeleri ( iyon değiştiriciler) eşdeğer miktarda katyon değiştirici iyon karşılığında sudan pozitif iyonları (katyonları) absorbe etme kapasitesine sahiptir.

Katyonla suyun yumuşatılması, iyon değişim filtre malzemelerinin (iyon değiştiriciler - katyon değiştiriciler) eşdeğer miktarda su karşılığında pozitif iyonları sudan emebilme yeteneği olan iyon değişimi (iyon değişim teknolojileri) olgusuna dayanmaktadır. katyon değiştirici iyonlar.

Katyon değiştiricinin ana çalışma parametresi, filtre döngüsü sırasında katyon değiştiricinin değiştirebileceği katyon sayısına göre belirlenen iyon değiştiricinin değişim kapasitesidir. Değişim kapasitesi, suya girdikten sonra şişmiş (çalışır) durumda olan katyon değiştiricinin 1 m3'ü başına tutulan katyonların gram eşdeğerleri cinsinden ölçülür; bir durumda katyonit filtratta bulunur.

Katyon değiştiricinin tam ve çalışan (dinamik) bir değişim kapasitesi bulunmaktadır. Katyon değiştiricinin toplam değişim kapasitesi, filtratın sertliği kaynağın sertliği ile karşılaştırılıncaya kadar katyon değiştiricinin 1 m3'ünü çalışma durumunda tutabilen kalsiyum katyonları Ca +2 ve magnezyum katyonları Mg +2 miktarıdır. su. Katyon değiştiricinin çalışma değişim kapasitesi, sertlik tuzu katyonları filtrata "geçene" kadar katyon değiştiricinin 1 m3'ünü tutan Ca +2 ve Mg +2 katyonlarının miktarıdır.

Filtreye yüklenen katyon değiştiricinin hacminin tamamına ilişkin değişim kapasitesine su yumuşatma filtresinin emme kapasitesi denir.

Yumuşatıcıda arıtılan su, yukarıdan aşağıya doğru bir katyon değiştirici tabakasından geçer. Aynı zamanda filtre katmanının belirli bir derinliğinde suyun maksimum yumuşaması (sertlik tuzlarından) meydana gelir. Katyon değiştirici katmanı su yumuşatma yumuşama bölgesi (katyon değiştiricinin çalışma katmanı) olarak adlandırılır. Suyun daha da yumuşamasıyla katyon değiştiricinin üst katmanları tükenir ve iyon değiştirme yeteneklerini kaybeder. Katyon değiştiricinin alt katmanları iyon değişimine girer ve yumuşama bölgesi yavaş yavaş alçalır. Bir süre sonra üç bölge gözlemlenir: çalışan, tükenmiş ve taze katyon değiştirici. Filtratın sertliği, yumuşama bölgesinin alt sınırı katyon değişim reçinesinin alt katmanıyla çakışıncaya kadar sabit kalacaktır. Birleşme anında, Ca +2 ve Mg +2 katyonlarında bir "çıkış" başlar ve kalan sertlik, kaynak suyun sertliğine eşit olana kadar artar; bu, katyon değiştiricinin tamamen tükendiğini gösterir.

Su yumuşatma sisteminin () çalışma parametreleri aşağıdaki formüllerle belirlenir:

E p = QL u (g-eşd/m3)
E p = e p V k,
Vk = ahk
e p = QJ ve / ah k
Q = v ila aT ila = e p ah ila / Ж и
T k = e p h k /v k Zh ben.

Nerede:
e p – katyon değiştiricinin çalışma kapasitesi, m-eq/m 3
V c - yumuşatıcıya şişmiş halde yüklenen katyon değiştiricinin hacmi, m3
h k – katyon değiştirici katmanının yüksekliği, m
F ve – kaynak suyunun sertliği, g-eq/m3
Q – yumuşatılmış su miktarı, m3
a – su yumuşatıcı filtresinin kesit alanı, m 2
v к – katyon değişim filtresinde su filtreleme hızı
Tk – su yumuşatma tesisinin çalışma süresi (nesillerarası dönem)