Iónomeniče sú pevné, nerozpustné polyelektrolyty, prírodné alebo umelé (syntetické) materiály široko používané na procesy čistenia vody: od katiónov vápnika a horčíka (zmäkčovanie), od aniónov organických kyselín, demineralizácia a niektoré ďalšie špeciálne aplikácie.

Chemickou povahou sú iónomeniče anorganické (minerálne) a organické.

Najtypickejšie prírodné anorganické iónomeniče sú zeolity. K iónomeničom možno pripísať aj íly, sľudu, oxidy grafitu, soli polykyselín titánu, vanádu a mnohé ďalšie zlúčeniny.

Iónomeničové živice

Syntetické, umelo získané iónomeniče sa nazývajú iónomeničové živice.

Iónomeničové živice sú zosieťované zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou, ktoré tvoria polymérnu matricu obsahujúcu funkčné skupiny kyslého alebo zásaditého typu, ktoré disociujú alebo sú schopné ionizovať vo vode.

• funkčné skupiny kyslého typu sú: -COOH; -S03H; -RO 4 H 2 atď.
• funkčné skupiny hlavného typu sú: ≡N; =NH; -NH2; -NR 3+ atď.

Autor: vzhľad iónomeničové živice sú guľovité materiály s priemerom 0,3 až 2,0 mm (hlavná veľkosť v rozmedzí 0,5 až 0,8 mm), od takmer bezfarebných po žltohnedé, spravidla mierne zlepené (pretože sú mokré) .

Podľa štruktúry môžu mať iónomeničové živice gélovú, makroporéznu a strednú štruktúru, ktorá je určená stupňom zosieťovania molekúl polyméru. Gél iónomeničová živica má schopnosť iónovej výmeny iba vtedy, keď je vlhká (napučiava), pretože jej chýba skutočná pórovitosť. Makroporézny iónomeničová živica sa vyznačuje prítomnosťou pórov s rozvinutým povrchom, takže je schopná iónovej výmeny v napučanom aj nenapučanom stave.

Schéma zŕn iónomeničovej živice, aniónomenič a katión, v tomto poradí, v všeobecný pohľad vyzerá takto:

1. polymérna matrica
2. iónové funkčné skupiny polymérnej matrice
3. protiióny

Vyššie uvedené funkčné skupiny sú schopné vstúpiť do iónomeničových reakcií s iónmi rozpustených látok (nečistoty - vo vzťahu k vode). Ak je matrica iónomeničovej živice označená ako R, potom reakcia takejto výmeny vyzerá takto:

a) R - - H + + Na + + Cl - → R - - Na + + H + + Cl -

b) R + - OH - + Na + + Cl - → R + - Cl - + Na + + OH -

Podľa takejto reakcie sa ľahko vymieňajú katióny solí tvrdosti, ióny železa a mangánu.

Z vyššie uvedených reakcií je zrejmé, že iónomeničové živice si môžu vymieňať katióny (a) - v tomto prípade sa nazývajú katexy, alebo výmenné anióny (b) - v tomto prípade sa nazývajú aniónomeniče. Okrem uvedených iónomeničových reakcií na iónomeničových živiciach je možná tvorba komplexov a redoxné reakcie, ako aj fyzikálna sorpcia.

Sorpčné vlastnosti ionomeničových živíc sú určené nielen povahou funkčných skupín, ale aj kyslosťou (hodnotou pH) upravovanej vody.

Klasifikácia iónomeničových živíc

V závislosti od funkčných skupín zavedených do polymérneho reťazca iónomeničovej živice existujú:

• -SO 3 H - silne kyslý katex,
• -COOH - slabo kyslý katex.

Silne kyslý katex vymieňa katióny akéhokoľvek stupňa disociácie v roztokoch pri všetkých možných hodnotách pH. Slabo kyslý katex vymieňa katióny z kyslých roztokov pri pH >5.

• -NH 2, \u003d NH, ≡N - slabo zásaditý menič aniónov,
• -NR 3 + Hal - - silne zásaditá aniónomeničová živica.

Silný zásaditý anión vymieňa anióny akéhokoľvek stupňa disociácie v roztokoch pri všetkých možných hodnotách pH. Slabo zásaditý aniónový menič vymieňa anióny z alkalických roztokov pri hodnotách pH<8..9.

Charakteristika iónomeničov a iónomeničových živíc

Najdôležitejšie vlastnosti iónomeničov sú:

• celková (celková) výmenná kapacita- ide o maximálny počet miligramových ekvivalentov (mg-ekviv.) iónov látky absorbovaných jednotkou hmotnosti alebo objemu iónomeniča v rovnováhe s roztokom elektrolytu,
• dynamická (pracovná) výmenná kapacita- toto je maximálny počet mEq iónov absorbovaných jednotkou hmotnosti alebo objemu za podmienok filtrácie roztoku cez vrstvu iónomeniča, kým ióny „nepreniknú“ do filtrátu.

Hodnoty celkovej výmennej kapacity väčšiny ionomeničových živíc sa pohybujú v rozmedzí 2..5 meq/g (1..2.5 g-eq/dm3). Postup pri určovaní výmennej kapacity je štandardizovaný.

Dynamická (pracovná) výmenná kapacita je vždy menšia ako statická, pretože závisí od nasledujúcich faktorov:

• povaha iónomeničovej živice,
• jeho granulometrické zloženie,
• kvalita zdrojovej vody, pričom závislosť je určená nielen celkovým počtom zachytených iónov, ale aj ich vzájomným pomerom, prítomnosťou železa, mangánu, organických nečistôt v zdrojovej vode,
• hodnota pH zdrojovej vody, jej teplota a teplota regeneračného roztoku,
• rovnomernosť prechodu vyčistenej vody cez vrstvu iónomeniča,
• povaha regenerantu, jeho čistota, koncentrácia, merná spotreba,
• požadované ukazovatele kvality výslednej vody po prefiltrovaní cez iónomeničovú živicu,
• výška vrstvy iónomeniča, rýchlosť práce, regenerácia a kyprenie filtrácie,
• špecifická spotreba pracej vody,
• filtračná plocha (plocha vodorovnej časti filtra),
• pridanie komplexotvorných činidiel a iných faktorov do regeneračného roztoku.

Všeobecné pojmy

Vo všeobecnosti sa kapacita iónomeničovej živice vzťahuje na množstvo iónov, ktoré môže absorbovať určitý objem živice. Okrem toho môžu byť jednotky merania kapacity živice rôzne. Napríklad meq/ml (meq/ml), g-eq/l (ekv./l) alebo kilohran na kubickú stopu (Kgr/ft3). Keď poznáte ekvivalentnú hmotnosť látky, môžete vypočítať kapacitu živice. Ekvivalentná hmotnosť látky je definovaná ako pomer molárnej hmotnosti látky k jej valencii (presnejšie povedané k číslu ekvivalencie látky). Napríklad molárna hmotnosť vápnika je 40 g / mol a valencia je 2, potom je ekvivalentná hmotnosť 20 g / mol (40/2 \u003d 20). Iónomeničová živica s výmennou kapacitou 1,95 g-ekv / l je schopná extrahovať 1,95 H 20 \u003d 39 gramov na 1 liter živice z roztoku.

V praxi sa výmenná kapacita živice zisťuje v laboratóriách titráciou. Roztok hydroxidu sodného (NaOH) prechádza cez kolónu, do ktorej je umiestnená vzorka katexu vo vodíkovej forme (H-forma). Niektoré ióny Na+ sa vymenia za vodíkové ióny. Hydroxid sodný, ktorý nezreagoval s iónovou skupinou živice, sa titruje kyselinou. Odčítaním zvyškovej koncentrácie od počiatočnej koncentrácie hydroxidu sodného je možné určiť kapacitu katexu. Ďalším spôsobom stanovenia výmennej kapacity iónomeniča je prechod roztoku chloridu vápenatého cez vrstvu živice. Podobne sa stanoví kapacita aniónomeničovej živice (vo forme OH), cez ktorú prechádza roztok kyseliny.

Kapacita živice sa môže merať v meq/ml (objem) alebo meq/g (w/w). Ak je určená kapacita vyjadrená v mg-ekv / g (a to znamená hmotnosť suchého iónomeniča), potom, keď poznáme obsah vlhkosti živice, je ľahké prejsť na mg-ekv / ml.

Na obrázku je výmenná kapacita živice graficky znázornená žltou oblasťou umiestnenou medzi vertikálnymi priamkami AN a CL. Šedá oblasť pod krivkou predstavuje koncentráciu iónov vo vyčistenej vode. Na začiatku cyklu je koncentrácia iónov vo filtráte veľmi nízka a zostáva konštantná počas celého filtračného cyklu, v momente, keď čelo filtrácie dosiahne koniec iónomeničovej vrstvy, ióny skĺznu do filtrátu (bod P na obrázku). Toto je signál na regeneráciu živice. Typicky sa regenerácia filtra vykonáva pred prerazením. Napríklad v priemysle môže koncentrácia iónov tvrdosti, pri ktorej sa filter regeneruje, dosiahnuť hodnotu menšiu ako 0,05 0L av domácich zmäkčovacích systémoch - menej ako 0,5 0L. Dĺžka segmentu x - y zodpovedá objemu vyčistenej vody v litroch alebo galónoch. Plocha obrázku ANLB je celková absorpcia iónov živicou a plocha obrázku ANMB je počet absorbovaných iónov pred tým, než dôjde k prelomu.

Keď hovoríme o kapacite, často máme na mysli pracovnú, a nie plnú výmennú kapacitu. Pracovná kapacita nie je konštantná hodnota, závisí od mnohých faktorov: značka iónomeniča, koncentrácia a typ absorbovaných iónov, pH roztoku, požiadavky na čistenú vodu, prietok, výška vrstva iónomeniča a ďalšie požiadavky.

Dosiahnutie vysokého stupňa extrakcie iónov z vodného roztoku vyžaduje zvýšenie dávky regeneračného roztoku (červená čiara). Je však nemožné donekonečna zvyšovať koncentráciu regeneračného roztoku (zelená čiara je teoretický vzťah medzi stupňom obnovenia kapacity živice a spotrebou regeneračného roztoku). V praxi je na dosiahnutie vysokej kapacity potrebné zvýšiť množstvo živice. Počas prvého filtračného cyklu môže stupeň obnovenia iónomeničových vlastností dosiahnuť 100 %, ale táto hodnota sa bude časom znižovať. Napríklad. väčšina výrobcov systémov na zmäkčovanie vody odporúča použiť roztok NaCl s koncentráciou 100 - 125 g / l na obnovenie kapacity katexu na 50 - 55 % plnej výmennej kapacity.

Pri stanovení kapacity je potrebné poznať iónovú formu živice (soľ, kyselina, zásada). Počas regenerácie alebo v procese prevádzky sa objem naliatej živice mení, prebieha proces nazývaný „dýchanie“ živice. Tabuľka ukazuje, ako sa živice správajú v rôznych procesoch.

Existujú katexové a anexové. Reakcie, na ktorých sa zúčastňujú iónomeniče, sú uvedené v tabuľke.

titrácia reakcie iónomeničovej živice

Okrem toho v anglickej literatúre symbol SAC označuje silne kyslý katex, SBA - silne zásaditý aniónomenič, WAC - slabo kyslý katex a WBA - slabo zásaditý aniónomenič. Schopnosť iónovej výmeny je určená prítomnosťou funkčnej skupiny, silne kyslé katexy obsahujú sulfoskupinu - SO3H a slabo kyslé katexy obsahujú karboxylovú skupinu - COOH. Silne kyslé katexy vymieňajú katióny pri akomkoľvek pH roztoku, to znamená, že sa v roztoku správajú ako silné kyseliny. A slabo kyslé katexy sú podobné slabým kyselinám a vstupujú do iónomeničovej reakcie iba pri hodnotách pH nad 7. Aniónomeniče obsahujú funkčné skupiny piatich typov: (-NH2, NH =, N?, - N (CH3) 3OH, -N(CH3)2C2H4OH). Prvé tri skupiny dávajú anionitu slabo zásadité vlastnosti a skupiny - N (CH3) 3OH, - N (CH3) 2С2H4OH - silne zásadité. Slabo zásadité aniónomeniče reagujú s aniónmi silných kyselín (SO, Cl-, NO) a silne zásadité s aniónmi silných a slabých (HCO, HSiO) v rozsahu pH od 1 do 14. Keď už hovoríme o kapacite silnej zásady aniónomeničov, mali by ste venovať pozornosť skutočnosti, že živica obsahuje funkčné skupiny vlastné slabo zásaditým aniónomeničom. Starnutím silne zásaditého aniónomeniča alebo pôsobením vysokých teplôt dochádza k poklesu zásaditosti a čiastočnej deštrukcii funkčných skupín.

Pozrime sa podrobnejšie na reakcie, ktoré prebiehajú za účasti iónomeničových živíc. Reakcia 1 - zmäkčenie vody na silne kyslom katexe vo forme soli (Na), 2 - odstránenie dusičnanových iónov na silne zásaditom aniónomeniči v Cl-forme. Použitie chloridu sodného a chloridu draselného ako regeneračného roztoku prispieva k širokému použitiu tohto typu živice v každodennom živote, priemysle a čistení odpadových vôd. Katiónomeniče možno redukovať aj kyslými roztokmi (napríklad kyselinou chlorovodíkovou) a aniónomeniče roztokom hydroxidu sodného (NaOH). Iónomeniče vo forme H a OH sa používajú v okruhoch prípravy demineralizovanej vody (reakcie 3 a 4). Slabo kyslý katex vykazuje vlastnosti iónovej výmeny pri vysokých hodnotách pH (reakcia 5) a slabo zásaditý aniónomenič pri nízkych hodnotách pH (reakcia 6). Reakcia 5 - súčasné zmäkčenie a zníženie alkality vody. Treba poznamenať, že živica WBA v dôsledku regenerácie alkalickým roztokom neprechádza do OH formy, ale do takzvanej FB formy (voľná báza).

Slabo kyslé katex majú oproti silne kyslým vyššiu výmennú kapacitu, vyznačujú sa vysokou afinitou k vodíkovým iónom, takže regenerácia je jednoduchšia a rýchlejšia. Je dôležité, aby WAC, rovnako ako WBA, nepoužívali na regeneráciu roztoky chloridu sodného alebo draselného. Výber jednej alebo druhej značky iónomeničovej živice závisí od mnohých podmienok. Napríklad existujú dva typy silne zásaditých aniónomeničov: typ I (funkčná skupina - N(CH3) 3OH) a typ II (-N(CH3) 2С2H4OH). Aniónomeniče typu I absorbujú ióny HSiO lepšie ako aniónomeniče typu II, ale tieto sa vyznačujú vyššou výmennou kapacitou a lepšie sa regenerujú.

Na záver poznamenávame, že v literatúre, ako aj v produktovom pase je uvedená celková hmotnosť a výmenná kapacita živice, ktoré sú stanovené v laboratóriu. Pracovná kapacita živice je nižšia ako kapacita deklarovaná výrobcom a závisí od mnohých faktorov, ktoré nie je možné vziať do úvahy v laboratórnych podmienkach (geometrické charakteristiky vrstvy živice, špecifické podmienky procesu: prietoky, koncentrácie rozpustených látok, stupeň regenerácia atď.).

výmenná kapacita

Na kvantitatívnu charakterizáciu iónovo-výmenných a sorpčných vlastností iónomeničov sa používajú tieto veličiny: celková, dynamická a pracovná výmenná kapacita.

Plná výmenná kapacita(POE) je určený počtom funkčných skupín schopných výmeny iónov na jednotku hmotnosti vzduchom vysušeného alebo napučaného iónomeniča a vyjadruje sa v mg-ekv/g alebo mg-ekv/l. Je to konštantná hodnota, ktorá je uvedená v pase iónomeniča a nezávisí od koncentrácie alebo povahy vymieňaného iónu. POE sa môže zmeniť (znížiť) v dôsledku tepelnej, chemickej alebo radiačnej expozície. V skutočných prevádzkových podmienkach sa POE časom znižuje v dôsledku starnutia matrice iónomeniča, nevratnej absorpcie jedovatých iónov (organických látok, železa atď.), ktoré blokujú funkčné skupiny.

Rovnovážna (statická) výmenná kapacita závisí od koncentrácie iónov vo vode, pH a pomeru objemov iónomeniča a roztoku počas meraní. Je to potrebné na vykonávanie výpočtov technologických procesov.

Dynamická výmenná kapacita(laň) - najdôležitejší ukazovateľ v procesoch úpravy vody. V reálnych podmienkach opakovaného použitia iónomeniča v sorpčno-regeneračnom cykle nie je výmenná kapacita využitá plne, ale len čiastočne.

Miera použitia je určená spôsobom regenerácie a spotrebou regeneračného prostriedku, dobou kontaktu iónomeniča s vodou a regeneračným prostriedkom, koncentráciou soli, pH, konštrukciou a hydrodynamikou použitej aparatúry. Obrázok ukazuje, že proces čistenia vody sa zastaví pri určitej koncentrácii limitného iónu spravidla dlho pred úplným nasýtením iónomeniča. Počet absorbovaných iónov v tomto prípade, zodpovedajúci ploche obdĺžnika A, vo vzťahu k objemu iónomeniča, bude DOE.

Počet absorbovaných iónov zodpovedajúcich plnej saturácii, keď je prielom 1, zodpovedajúci súčtu DOE a plochy tieňovaného obrázku nad krivkou v tvare S, sa nazýva celková dynamická výmenná kapacita (PDEC). V typických procesoch úpravy vody DOE zvyčajne nepresahuje 0,4-0,7 PFU.

Ryža. jeden

experimentálna časť

Činidlá a roztoky: MgCl2*6H2O soli v destilovanej vode v odmernej banke s objemom 250 cm3

Roztok 1 dusičnanu vápenatého (0,02 M) sa pripravil rozpustením vzorky (1,18 g) Ca(N03)2 4H20 soli. Po rozpustení vzorky sa roztok zriedil v destilovanej vode v odmernej banke s objemom 250 cm3.

Roztok dusičnanu vápenatého 2 (О.1М) bol pripravený rozpustením vzorky (5,09 g) Ca(NO3)2 4H20 soli. Po rozpustení vzorky sa roztok zriedil v destilovanej vode v odmernej banke s objemom 250 cm3.

Počiatočné riešenie komplexu III pripravený z fixanalu. Štandardizácia sa uskutočnila pre síran horečnatý.

Tlmiace roztoky boli pripravené z NH4Cl „analytickej kvality“. a NH40H.

Reziduálna koncentrácia Mg 2+ iónov bola stanovená komplexometricky s indikátorom eriochrómová čierna T.

Reziduálna koncentrácia iónov Ca 2+ bola stanovená komplexometricky s indikátorom murexid.

Koncentrácia sorbátu bola zistená rozdielom medzi počiatočnou a zvyškovou hodnotou.

Ako sorbent sa použila hornina obsahujúca zeolit ​​Atyashevského prejavu.

Príprava sorbentu.

CSP Atyashevsky prejav bol rozdrvený, preosiaty, zozbierané frakcie granúl s veľkosťou 1 - 2 - 3 mm a vysušené v sušiarni.

Kapacita výmeny iónov v statickom režime. Do 20 cm3 roztoku obsahujúceho ióny Ca 2+, v inom prípade Mg 2+, so známou koncentráciou resp.

Pri určitej hodnote pH sa pridalo 5,0 g sorbentu, pretrepával sa špecifikovaný čas a tuhá fáza sa oddelila filtráciou. AT

Selektivitu chelatometrickej titrácie vzhľadom na vápnik je možné zvýšiť vykonaním stanovenia v silne alkalickom prostredí (filtrát horečnatý určil zvyškovú koncentráciu iónov Ca 2+, v inom prípade Mg 2+. Koncentrácia sorbovanej látky bola zistená rozdielom medzi počiatočným a zvyškovým.

Kovovo-chrómový indikátor je murexid.

EDTA, 0,05 M roztok; zmes amoniakového pufra pH=9; NaOH, 2M roztok; indikátory - eriochrómová čerň T a murexid - tuhý (zmes s NaCl v pomere 1:100).

Spôsob stanovenia

1. Vzorka analyzovaného roztoku sa preniesla do titračnej banky, pridalo sa 10 cm 3 tlmivej zmesi amoniaku (pH 9), 25 cm 3 destilovanej vody, na špičke sa pridalo 30–40 mg eriochrómovej černe T. špachtle a systém sa vážil, kým sa indikátor úplne nerozpustil. Roztok získal vínovo červenú farbu. Titrácia roztokom EDTA sa uskutočňovala po kvapkách z byrety za stáleho miešania, kým sa farba nezmenila na jasne modrú.

2. Vzorka analyzovaného roztoku sa preniesla do titračnej banky, pridalo sa 5 cm3 2M roztoku NaOH, 30 cm3 destilovanej vody a 30 mg murexidu na špičke špachtle. Roztok sa zafarbil na červeno. Titrácia sa uskutočňovala s roztokom EDTA, kým sa farba nezmenila na fialovú.

Výpočet štatistických pojmov vzhľadom na ióny vápnika a horčíka.

Stanovenie výmennej kapacity pre horčík

Do 20 cm3 roztoku chloridu horečnatého s molárnym koncentračným ekvivalentom 0,02 mol/l sa pridalo 5,0 g sorbentu, predsušeného pri 105 °C počas 1 hodiny a pretrepávania počas daného času (0,5 hodiny). V opačnom prípade 1 hodinu a tak ďalej. Po čase sa roztok prefiltroval. Na analýzu sa odobralo 5 cm3 filtrátu a komplexometrickou metódou sa stanovila zvyšková koncentrácia Mg2+ iónov.

2. Do 20 cm3 roztoku chloridu vápenatého s molárnym koncentračným ekvivalentom 0,1 mol/l sa pridalo 5,0 g sorbentu predbežne vysušeného pri 105 °C počas 1 hodiny a pretrepávalo sa určený čas (0,5 hodiny). V opačnom prípade 1 hodinu a tak ďalej. Po čase sa roztok prefiltroval. Na analýzu sme odobrali 5 cm3 filtrátu a komplexometrickou metódou sme stanovili zvyškovú koncentráciu iónov Ca2+.

Vplyv doby kontaktu CSP a roztoku CaCl2 * 4H2O na výmennú kapacitu CSP za statických podmienok.

(С(Са2+)ref = 0,1 mol/l; mcsp = 5,0 g.)

So zvýšením času kontaktu fáz sa pozoruje zvýšenie rovnovážnej koncentrácie. A po 3 hodinách sa vytvorí dynamická mobilná rovnováha.

Úvod

Celková výmenná kapacita aniónomeničovej živice sa určuje jej neutralizáciou roztokom HCl alebo H2SO4 za statických alebo dynamických podmienok a vyjadruje sa v ekvivalentoch na 1 g suchej alebo napučanej aniónomeničovej živice.

Aniónomeničové reakcie /A-anionomeničová živica/ majú tvar:

A. /OH/+H/Cl = A.OH.Cl + HO;

A. /OH/ + H/SO = A.SO + 2HO.

Okrem výmennej kapacity medzi hlavné ukazovatele vhodnosti aniónomeniča patria: zmena farby, stupeň napučania, schopnosť starnutia, nerozpustnosť vo vode a organických rozpúšťadlách, ľahká regenerácia, tepelná a mechanická pevnosť.

Celková výmenná kapacita rôznych tried aniónomeničov používaných v cukrovarníckom priemysle môže byť 1–10 meq/g. Domáca makroporézna aniónomeničová živica AV-17-2P používaná na bielenie cukrových roztokov má celkovú výmennú kapacitu 0,1 N. HCl roztok 3,8 mg-ekv./g, a 0,1 n. roztok NaCl 3,4 mg-ekv./g.

Účel analýzy - hodnotiť kvalitu aniónomeničovej živice na odfarbovanie cukrových roztokov.

Princíp analytickej metódy je založená na titrácii 0,1 N roztoku kyseliny neabsorbovaného aniónomeničom. roztok NaOH.

Činidlá:

0,1 N roztoky HCl a NaOH.

Zariadenia a materiály:

Sklenená kolóna s priemerom 18 mm, výškou 250 mm, v spodnej časti natiahnutým koncom, na ktorý je nasadená gumová hadička so skrutkovou svorkou;

sklenený lievik;

Odmerná banka na 500 cm 3;

byreta na titráciu;

kadička;

aniónomeničová živica.

Pokrok v definícii

10 g aniónomeniča pripraveného na analýzu v OH forme sa prenesie s vodou do sklenenej kolóny s priemerom 18 mm s tampónom zo sklenenej vaty na dne a prebytočná voda sa odvedie cez gumenú hadičku so skrutkovacou svorkou.

Potom sa 400 cm 3 z 0,1 n. Roztok HCl, pričom hladina roztoku nad vrstvou aniónomeniča je rovná 1 cm. Potom sa premyje dvojnásobným objemom aniónomeniča vodou. Filtrát a premývacie kvapaliny sa zhromaždia v odmernej banke a doplnia sa na objem 500 cm3. Vyberie sa z celkového objemu v pohári 50 cm3 a titruje sa 0,1 N. roztok NaOH.

Výpočty:

1. Na získanie porovnateľných výsledkov je výmenná kapacita aniónomeniča vyjadrená rovnakým spôsobom ako katexu v mg-ekv/g suchého iónomeniča.

Ak teda absorbuje 1 g absolútne suchého aniónomeniča

cm 3 0,1 n. roztok HCl a 1 cm 3 tohto roztoku obsahuje 0,1 mg-ekv / g, potom sa celková výmenná kapacita aniónomeničovej živice E A môže vypočítať zo vzorca

,

kde E A- celková výmenná kapacita aniónomeniča, mg-ekv/g absolútne suchého iónomeniča;

a- množstvo filtrátu zachyteného na titráciu, cm 3 ;

V O - množstvo 0,1 n. roztok HCl prešiel cez aniónový menič, cm3;

Vb- celkové množstvo filtrátu, cm 3 ;

g- množstvo suchej aniónomeničovej živice odobraté na stanovenie jej kapacity, g;

W je obsah vlhkosti anionitu, %. Stanovené sušením počas 3 hodín pri 95-100˚С.

2. Kapacita aniónomeniča môže byť vyjadrená aj ako percento HCl. V tomto prípade vezmite do úvahy skutočnosť, že 1 cm 3 0,1 n. Roztok HCl obsahuje 0,0036 g HCl, výpočet E sa vykonáva podľa vzorca

6.3. Regenerácia iónomeničových živíc

Úvod

Iónomeničové živice spotrebované v pracovnom cykle sa po premytí vodou podrobia regenerácii (regenerácii).

Katiónové výmenníky sa redukujú slabými roztokmi HCl a HSO

K.Na + H/SO = K.H + Na/SO;

KNa + HCl = KH + NaCl.

Na redukciu aniónomeničov sa používajú slabé roztoky NaOH, KOH, NaCl atď.

A.OH.Cl + Na/OH = A./OH/ + Na/Cl.

Na konci regeneračného cyklu by sa mala kyslosť regenerátu z katexu alebo zásaditosť regenerátu z aniónomeniča priblížiť kyslosti a zásaditosti regeneračných roztokov. Koniec regenerácie sa stanoví titráciou.

Účel analýzy - obnoviť výmennú kapacitu iónomeničov.

Princíp analytickej metódy na základe titrácie regeneračných roztokov z katexu 0,1 N. roztoku NaOH az aniónomeniča - 0,1 n. HCl roztoku.

Činidlá:

5% roztok HCl;

4% roztok NaOH;

0,1 N roztok NaOH;

0,1 N HCl roztoku.

Zariadenia a materiály:

Sklenené kolóny s katexovou živicou a aniónomeničovou živicou.

Pokrok v definícii

Po premytí živice vodou sa regenerácia uskutočňuje v kolónach: katex - s 5% roztokom HCl a aniónomen - s 4% roztokom NaOH, pričom ich prechádza rýchlosťou 20 cm3/min.

Koniec regenerácie katexu sa stanoví titráciou jeho regeneračných roztokov 0,1 N. roztok NaOH, a aniónomenič - 0,1 n. HCl roztoku.

Po regenerácii sa menič katiónov premyje vodou až do neutrálnej alebo mierne kyslej reakcie a menič aniónov - až do neutrálnej alebo mierne alkalickej reakcie.

testovacie otázky

1. Čo je to iónová výmena?

2. Čo sú to iónomeničové živice?

3. Aké iónomeničové živice sa používajú pri výrobe cukru?

4. Povedzte nám o statickej a dynamickej výmennej kapacite iónomeničov?

5. Čo určuje celkovú výmennú kapacitu iónomeničov?

6. V akých jednotkách je vyjadrená celková výmenná kapacita?

7. Aký je účel použitia iónomeničov pri výrobe cukru?

8. Na akom princípe je založené stanovenie celkovej výmennej kapacity iónomeničov?

9. Prečo sa regeneruje iónomeničová živica?

10. Na akom princípe je založená regenerácia iónomeničov?

11. Ako sa určuje koniec procesu regenerácie iónomeniča?

Laboratórium č. 7

Analýza odpadových vôd z výroby cukru

Úvod

V potravinárskom priemysle najväčšie množstvo vody spotrebujú cukrovary. Ak sa pre potreby závodu na výrobu cukrovej repy použije len čistá voda z prírodných nádrží, bez vrátenia časti odpadových vôd do výroby, tak celková spotreba priemyselnej (čerstvej) vody bude 1200 – 1500 % hmotnosti repy. Spotrebu čerstvej vody je možné znížiť na 150 – 250 % hmotnosti repy za predpokladu, že odpadová voda sa využíva v mnohých oblastiach cukrovaru podľa schémy zásobovania cirkulujúcou vodou. Artézska voda sa používa len na pranie kryštálového cukru v odstredivkách, na čerpanie kryštalizácie massekuitu Ι a pre potreby závodného laboratória.

Odpadové (odpadové) vody cukrovarov sú rôznorodé svojim fyzikálnym a chemickým zložením, stupňom znečistenia a spôsobom požadovaného čistenia. Podľa stupňa znečistenia sú zaradené do troch kategórií. Každá kategória je rozdelená do dvoch podskupín: A a B, z ktorých voda podskupiny A má lepšiu kvalitu ako podskupina B.

Odpadové vody z výroby cukru obsahujú veľké množstvo organických látok a ich čistenie v prírodných podmienkach je spojené s určitými ťažkosťami, vyžaduje si značné plochy pôdy a môže mať negatívny vplyv na životné prostredie. V posledných rokoch sa vyvinulo množstvo metód biologického čistenia a vhodných zariadení na ich realizáciu. V súčasnosti navrhované spôsoby čistenia sú založené najmä na anaeróbnych a aeróbnych procesoch rozkladu odpadových nečistôt z cukrovarní a škrobární.

Moderná technológia čistenia odpadových vôd spočíva v sekvenčnej separácii nečistôt v nich obsiahnutých mechanickými, anaeróbnymi a aeróbnymi metódami. Anaeróbna metóda je zároveň novým procesom v technológii čistenia odpadových vôd. Proces anaeróbneho čistenia si na svoju realizáciu vyžaduje udržiavanie teplôt v rozmedzí 36-38 0 С, čo je spojené s dodatočnou spotrebou tepla. Jeho odlišnosť od rozšírenej aeróbnej metódy spočíva predovšetkým v minimálnom raste biokalu a premene nečistôt obsahujúcich sacharidy na bioplyn, ktorého hlavnou zložkou je metán.

Aeróbny proces

C 6 H 12 O 6 + O 2 ---- CO 2 + H 2 O + bioprecipitát + teplo (6360 kJ).

anaeróbny proces

C 6 H 12 O 6 ---- CH 4 + CO 2 + bioprecipitát + teplo (0,38 kJ).

Anaeróbne metódy sú rozdelené do štyroch hlavných skupín podľa typu reaktorov používaných v procesoch čistenia:

S recirkuláciou biokalu (aktivovaný kal):

S vrstvou anaeróbneho sedimentu a jeho vnútornou sedimentáciou;

S inertnými plnivami pre biokal;

Špeciálne.

Odpadová voda podrobená anaeróbnemu čisteniu by mala obsahovať čo najmenej mechanických nečistôt a látok inhibujúcich metanogénny proces. Musí v nich prejsť hydrolytická kyslá fáza a navyše odpadová voda musí mať určitú hodnotu pH a teplotu v rozmedzí 36-38 0 С.

Predpokladá sa, že metóda anaeróbneho čistenia je ekonomicky výhodná pre odpadové vody so znečistením vyšším ako 1,2-2,0 g/dm 3 BSK 5 (biologická spotreba kyslíka). Horná hranica znečistenia nie je obmedzená. Môže sa rovnať 100 g / dm 3 CHSK (chemická spotreba kyslíka).

Tie obsahujú:

A) Prebytočná čerstvá voda z tlakovej nádoby, z chladenia hmoty v miešačkách na hmotu, z čerpadiel a iných inštalácií s teplotou pod 30 °C. Tieto vody nevyžadujú úpravu, aby sa mohli vrátiť do výroby;

B) Barometrické, čpavkové a iné s teplotami nad 30°C. Na vrátenie týchto vôd je potrebné predbežné chladenie a prevzdušňovanie.

Do kategórie odpadových vôd II zahŕňajú vodu na umývanie dopravníkov z hydraulických dopravníkov a umývačky repy. Pre opätovné použitie týchto vôd vo výrobe je potrebné ich predbežné mechanické čistenie usadzovaním v špeciálnych usadzovacích nádržiach.

Do kategórie odpadových vôd III patria: bagasová voda, jej kal, voda z lavoru, usadenina vody z premývania dopravníkov, usadenina z filtrácie tekutín, domáce, fekálne a iné škodlivé vody. Úprava vody III. kategórie si vyžaduje biologické a kombinované metódy úpravy vo vhodných sedimentačných nádržiach a filtračných poliach.

V existujúcich cukrovaroch sa za základ berú tieto hlavné ukazovatele vodnej bilancie (% hmotnosti repy): príjem sladkej vody z nádrže - 164; počet recyklovaných vôd kategórie I - 898; II kategória -862; odpadové vody kategórie III - 170 alebo 110 za predpokladu, že suspenzia dopravno-premývacieho kalu sa usadzuje vo vertikálnych usadzovacích nádržiach-zahusťovadlách Sh1-POS-3 a dekantát sa vracia do recirkulačného okruhu vody II. kategórie.

Pri novovybudovaných cukrovaroch by spotreba čerstvej vody pre potreby výroby nemala presiahnuť 80 % hmotnosti repy a množstvo vyčistených priemyselných odpadových vôd vypúšťaných do prírodných vodných plôch by nemalo presiahnuť 75 % hmotnosti repy.

Pri analýze kvality priemyselných a odpadových vôd ich teplota, farba, zápach, priehľadnosť, charakteristika sedimentu, obsah nerozpustených látok, sušina, pH, celková alkalita (kyslosť), oxidovateľnosť, biochemická spotreba kyslíka (BSK), chemická spotreba kyslíka ( CHSK) sa určuje koncentrácia amoniaku, dusičnanov, chloridov a iných ukazovateľov.

Cieľ - ovládať metódy kontroly kvality priemyselných (čerstvých) a odpadových vôd.

Zmäkčovanie vody sa vykonáva metódami: termálnymi, založenými na ohreve vody, destiláciou alebo mrazením; činidlo, v ktorom sú ióny Ca (II) a Mg (II) vo vode viazané rôznymi činidlami na prakticky nerozpustné zlúčeniny; iónová výmena založená na filtrácii zmäkčenej vody cez špeciálne materiály, ktoré vymieňajú ióny Na (I) alebo H (I) obsiahnuté v ich zložení za ióny Ca (II) a Mg (II) obsiahnuté vo vode; dialýza; kombinované, predstavujúce rôzne kombinácie vyššie uvedených metód.

Je známe, že najdôležitejšou vlastnosťou sladkej vody je jej tvrdosť. Tvrdosť je počet miligramových ekvivalentov iónov vápnika alebo horčíka v 1 litri vody. 1 mg÷eq/l tvrdosti zodpovedá obsahu 20,04 mg Ca2+ alebo 12,16 mg Mg2+. Podľa stupňa tvrdosti sa pitná voda delí na veľmi mäkkú (0–1,5 mg÷eq/l), mäkkú (1,5–3 mg÷eq/l), strednú tvrdosť (3–6 mg÷eq/l), tvrdé (6–9 meq/l) a veľmi tvrdé (viac ako 9 meq/l). Najlepšie chuťové vlastnosti má voda s tvrdosťou 1,6–3,0 mg÷eq/l a podľa SanPiN 2.1.4.1116–02 by fyziologicky úplná voda mala obsahovať soli tvrdosti na úrovni 1,5–7 mg÷eq/l. Ak je však tvrdosť vody vyššia ako 4,5 mg ÷ ekv / l, dochádza k intenzívnemu hromadeniu sedimentov vo vodovodnom systéme a na vodovodnom potrubí, prevádzka domácich spotrebičov je narušená. Zvyčajne sa zmäkčenie vykonáva na zvyškovú tvrdosť 1,0–1,5 mg÷eq/l, čo zodpovedá zahraničným normám pre prevádzku domácich spotrebičov. Voda s tvrdosťou pod 0,5 mg÷eq/l je korozívna pre potrubia a kotly, je schopná vymývať usadeniny v potrubí, ktoré sa hromadia pri dlhodobej stagnácii vody vo vodovodnom systéme. To vedie k vzniku nepríjemného zápachu a chuti vody.

Zmäkčovanie vody sa vykonáva metódami: termálnymi, založenými na ohreve vody, destiláciou alebo mrazením; činidlo, v ktorom sú ióny Ca (II) a Mg (II) vo vode viazané rôznymi činidlami na prakticky nerozpustné zlúčeniny; iónová výmena založená na filtrácii zmäkčenej vody cez špeciálne materiály, ktoré vymieňajú ióny Na (I) alebo H (I) obsiahnuté v ich zložení za ióny Ca (II) a Mg (II) obsiahnuté vo vode; dialýza; kombinované, predstavujúce rôzne kombinácie vyššie uvedených metód.

Výber spôsobu zmäkčovania je určený kvalitou vody, požadovanou hĺbkou zmäkčenia a technickými a ekonomickými úvahami uvedenými v tabuľke nižšie.

Zmäkčovanie vody kationizáciou je založené na fenoméne iónovej výmeny, ktorej podstatou je schopnosť iónomeničových materiálov alebo iónomeničov absorbovať kladné ióny z vody výmenou za ekvivalentné množstvo katexových iónov. Každý katex má určitú výmennú kapacitu, vyjadrenú ako počet katiónov, ktoré si katex dokáže vymeniť počas filtračného cyklu. Výmenná kapacita katexu sa meria v gramekvivalentoch zadržaných katiónov na 1 m3 katexu v napučanom (pracovnom) stave po pobyte vo vode, t.j. v stave, v akom je katex vo filtráte. Rozlišujte medzi plnou a pracovnou výmennou kapacitou katexu. Celková výmenná kapacita je množstvo vápenatých a horečnatých katiónov, ktoré dokáže udržať 1 m3 katexu v prevádzkovom stave, kým sa tvrdosť filtrátu neporovná s tvrdosťou zdrojovej vody. Pracovná výmenná kapacita katexu je množstvo katiónov Ca + 2 a Mg + 2, ktoré zadrží 1 m3 katexu až do „preniknutia“ katiónov solí tvrdosti do filtrátu. Výmenná kapacita, vztiahnutá na celý objem katexu naloženého do filtra, sa nazýva absorpčná kapacita.

Keď voda prechádza zhora nadol cez vrstvu katexu, zmäkne a skončí v určitej hĺbke. Vrstva katexu, ktorá zmäkčuje vodu, sa nazýva pracovná vrstva alebo zóna zmäkčovania. Pri ďalšej filtrácii vody sa horné vrstvy katexu vyčerpávajú a strácajú svoju výmennú kapacitu. Spodné vrstvy katexu vstupujú do iónovej výmeny a zóna mäknutia postupne klesá. Po určitom čase sa pozorujú tri zóny: pracovný, vyčerpaný a čerstvý katex. Tvrdosť filtrátu bude konštantná, kým sa spodná hranica zóny mäknutia nezhoduje so spodnou vrstvou katexu. V momente spojenia začína „únik“ katiónov Ca + 2 a Mg + 2 a zvyšovanie zvyškovej tvrdosti, až kým sa nevyrovná tvrdosti pôvodnej vody, čo naznačuje úplné vyčerpanie katexu. Pracovná výmenná kapacita filtra Ep g÷eq / m3 môže byť vyjadrená takto: Ep = Qzhi; Ep = ep Vk.

Objem kationitu naložený do filtra v napučanom stave Vk = ahk.

Vzorec na určenie pracovnej výmennej kapacity katexu, g÷eq / m3: ep = Qzhi /ahk; kde Zhi je tvrdosť zdrojovej vody, g÷eq / m3; Q - množstvo zmäkčenej vody, m3; a je plocha katiónového filtra, m2; hk je výška vrstvy katexu, m.

Označujúc rýchlosť filtrácie vody v katiónovom filtri vk, množstvo zmäkčenej vody možno zistiť podľa vzorca: Q = vk aTk = erahk / Zhi; odkiaľ je trvanie činnosti katiónového filtra (obdobie medziregenerácie) zistené podľa vzorca: Tk = erhk / vk Zhi.

Po vyčerpaní pracovnej výmennej kapacity katexu sa podrobí regenerácii, t.j. obnovenie výmennej kapacity vyčerpaného iónomeniča prechodom roztoku kuchynskej soli.

V technológii zmäkčovania vody sú široko používané iónomeničové živice, čo sú špeciálne syntetizované polymérne vo vode nerozpustné látky obsahujúce vo svojej štruktúre kyslé ionogénne skupiny -SO3Na (silne kyslé katexy). Iónomeničové živice sa delia na heteroporézne, makroporézne a izoporézne. Heteroporézne živice na báze divinylbenzénu sa vyznačujú heterogénnou povahou gélovej štruktúry a malou veľkosťou pórov. Makroporézne majú hubovitú štruktúru a póry s veľkosťou molekuly. Izoporézne majú homogénnu štruktúru a sú úplne zložené zo živice, takže ich výmenná kapacita je vyššia ako u predchádzajúcich živíc. Kvalita katexov je charakterizovaná ich fyzikálnymi vlastnosťami, chemickou a tepelnou stabilitou, pracovnou výmennou kapacitou atď. Fyzikálne vlastnosti katexov závisia od ich frakčného zloženia, mechanickej pevnosti a objemovej hmotnosti (napučiavanie). Frakčné (alebo zrnité) zloženie charakterizuje prevádzkové vlastnosti katexov. Stanovuje sa sitovým rozborom. Toto zohľadňuje priemernú veľkosť zrna, stupeň rovnomernosti a počet prachových častíc nevhodných na použitie.

Jemnozrnný katex s vyvinutejším povrchom má o niečo vyššiu výmennú kapacitu ako hrubozrnný. S poklesom zŕn kationitu však rastie hydraulický odpor a spotreba elektrickej energie na filtrovanie vody. Na základe týchto úvah sa optimálne veľkosti zŕn katiónitu berú v rozsahu 0,3 až 1,5 mm. Odporúča sa používať katexy s koeficientom heterogenity Kn = 2.

Uvádzame charakteristiky niektorých katexov. Spomedzi silných kyslých katexov domácej výroby, schválených pre použitie v domácnostiach a zásobovaní pitnou vodou, možno vyčleniť KU-2–8chS. Získava sa sulfonáciou granulovaného kopolyméru styrénu s 8 % divinylbenzénu. KU–2–8chS je štruktúrou a vlastnosťami podobný nasledujúcim zahraničným sulfónovým katexom vysokej čistoty: Amberlite IRN-77 (USA), Zerolite 325 NG (Anglicko), Dowex HCR-S-H (USA), Duolight ARC-351 ( Francúzsko) , Wofatitu RH (Nemecko). Vzhľad - guľovité zrná od žltej po hnedú, veľkosť 0,4–1,25 mm, špecifický objem nie väčší ako 2,7 cm3 / g. Plná statická výmenná kapacita nie je menšia ako 1,8 g÷eq/l, min., dynamická výmenná kapacita s plnou regeneráciou nie je menšia ako 1,6 g÷eq/l.

V súčasnosti sú široko používané silne kyslé katexy od Purolight: C100, C100E, C120E (analógy domácich živíc KU-2-8, KU-2-8chS). Použitá je iónomeničová živica od firmy Purolight C100E Ag (výmenná kapacita 1,9 g÷eq/l, objemová hmotnosť 800–840 g/l), čo je katiónový výmenník s obsahom striebra na zmäkčovanie vody, ktorý pôsobí baktericídne. . Existuje domáci analóg KU-23S - makroporézna baktericídna katexová živica (statická výmenná kapacita 1,25 g÷eq/l, objemová hmotnosť 830–930 g/l).

Používa sa na zmäkčovanie pitnej vody ako v priemysle, tak aj v každodennom živote katiónový Purofine C100EF - má množstvo výhod v porovnaní s bežnými živicami na zmäkčovanie vody. Má oveľa väčšiu pracovnú kapacitu pri normálnych prietokoch, zvýšenú pracovnú kapacitu pri vysokých prietokoch, s premenlivým a prerušovaným prietokom. Minimálna celková výmenná kapacita je 2,0 g-ekv/l. Charakteristickým znakom katexu C100EF je, že vyžaduje menší objem a množstvo regenerantu (NaCl).

Silne kyslá katexová živica IONAC/C 249 sa používa na zmäkčovanie vody pre domáce a komunálne použitie. Výmenná kapacita 1,9 g÷eq/l.

Zmäkčovanie vody metódou sodíkovo-katiónovej výmeny na uvedených živiciach (tvrdosť vody klesá pri jednostupňovej kationizácii sodíka na 0,05 ... 0,1, pri dvojstupňovej - až 0,01 mg÷eq / l) je popísané nasledovnou výmenou reakcie:
(pozri tlačenú verziu)

Po vyčerpaní pracovnej výmennej kapacity katexu stráca schopnosť zmäkčovať vodu a musí sa regenerovať. Proces zmäkčovania vody na katiónových filtroch pozostáva z nasledujúcich po sebe nasledujúcich operácií: filtrovanie vody cez vrstvu kationitu až do dosiahnutia maximálnej prípustnej tvrdosti vo filtráte (rýchlosť filtrácie v rozsahu 10...25 m/h); uvoľnenie vrstvy katexu prúdom zmäkčenej vody, použitej regeneračnej alebo umývacej vody (prietok 3...4 l/(cm2); zostup vodného vankúša, aby sa zabránilo zriedeniu regeneračného roztoku; regenerácia katiónu výmenníka prefiltrovaním zodpovedajúceho roztoku (rýchlosť filtrácie 8...10 Na regeneráciu trvá zvyčajne cca 2 hodiny, z toho 10...15 na uvoľnenie, 25...40 na filtráciu regeneračného roztoku a 30...60 na umývanie.

Proces regenerácie je opísaný reakciou:
(pozri tlačenú verziu)

V praxi sú obmedzené na jeden prechod soli, keď je tvrdosť zmäkčenej vody do 0,20 mg÷eq / l alebo dvakrát - pri tvrdosti pod 0,05 mg÷eq / l.

C.O.K. #10 | 2002
Kategória: INŠTALÁCIA A ZÁSOBOVANIE VODOU
Lavrushina Yu.A., Ph.D., vedúca nezávislého akreditovaného skúšobného laboratória pre analýzu