Обменная емкость

Для количественной характеристики ионообменных и сорбционных свойств ионитов применяют следующие величины: полная, динамическая и рабочая обменная емкость.

Полная обменная емкость (ПОЕ ) определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену, в единице массы воздушно-сухого или набухшего ионита и выражается в мг-экв/г или мг-экв/л. Она является постоянной величиной, которую указывают в паспорте ионита, и не зависит от концентрации или природы обменивающегося иона. ПОЕ может изменяться (уменьшаться) из-за термического, химического или радиационного воздействия. В реальных условиях эксплуатации ПОЕ уменьшается со временем вследствие старения матрицы ионита, необратимого поглощения ионов-отравителей (органики, железа и т. п.), которые блокируют функциональные группы.

Равновесная (статическая) обменная емкость зависит от концентрации ионов в воде, рН и отношения объемов ионита и раствора при измерениях. Необходима для проведения расчетов технологических процессов.

Динамическая обменная емкость (ДОЕ ) - важнейший показатель в процессах водоподготовки. В реальных условиях многократного применения ионита в цикле сорбции-регенерации обменная емкость используется не полностью, а лишь частично.

Степень использования определяется методом регенерации и расходом регенерирующего агента, временем контакта ионита с водой и с регенерирующим агентом, концентрацией солей, рН, конструкцией и гидродинамикой используемого аппарата. На рисунке показано, что процесс очистки воды прекращают при определенной концентрации лимитирующего иона, как правило, задолго до полного насыщения ионита. Количество поглощенных при этом ионов, соответствующее площади прямоугольника А, отнесенное к объему ионита, и будет ДОЕ.

Количество поглощенных ионов, соответствующее полному насыщению, когда проскок равен 1, соответствующее сумме ДОЕ и площади заштрихованной фигуры над S -образной кривой, называют полной динамической обменной емкостью (ПДОЕ). В типовых процессах водоподготовки ДОЕ обычно не превышает 0,4-0,7 ПОЕ.

Рис. 1

Экспериментальная часть

Реагенты и растворы: соли MgCl2*6H2O в дистиллированной воде в мерной колбе ёмкостью 250 см З

Раствор 1 нитрата кальция (0.02М) готовили растворением навески (1.18 г.) соли Са(NО3)2·4Н20. После растворения навески раствор разбавили в дистиллированной воде в мерной колбе ёмкостью 250 см З.

Раствор 2 нитрата кальция (О.1М) готовили растворением навески (5.09г.) соли Са(NО3)2·4Н20. После растворения навески раствор разбавили в дистиллированной воде в мерной колбе ёмкостью 250 см З.

Исходный раствор комплексона III готовили из фиксанала. Стандартизацию проводили по сульфату магния.

Буферные растворы готовили из NH4Cl “ч.д.а.” и NH4OH.

Остаточную концентрацию ионов Mg 2+ определяли комплексонометрически с индикатором эриохромом черным Т.

Остаточную концентрацию ионов Ca 2+ определяли комплексонометрически с индикатором мурексидом.

Сорбированную концентрацию находили по разности между исходной и остаточной.

В качестве сорбента использовали цеолитсодержащую породу Атяшевского проявления.

Приготовление сорбента.

ЦСП Атяшевского проявления дробили, просеивали, собирали фракции гранул размером 1 - 2 - 3 мм и просушивали в сушильном шкафу.

Ионообменная емкость в статическом режиме. К 20 см З раствора, содержащего ионы Ca 2+ ,в другом случае Mg 2+ ,с известной концентрацией и

определённым значением рН прибавляли 5.0 г сорбента, встряхивали в течение заданного времени и отделяли твёрдую фазу фильтрованием. В

Селективность хелатометрического титрования в отношении кальция можно повысить, проводя определение в сильнощелочной среде (магний фильтрате определили остаточную концентрацию ионов Ca 2+ ,в другом случае Mg 2+ .Сорбированную концентрацию находили по разности между исходной и остаточной.

Металлохромного индикатора - мурексид.

ЭДТА, 0.05М раствор; аммиачная буферная смесь рН=9; NaOH, 2М раствор; индикаторы - эриохром чёрный Т И мурексид - твёрдые (смесь с NaCl в отношении 1: 100).

Методика определения

1. Пробу анализируемого раствора переносили в колбу для титрования, добавляли 10см 3 аммиачной буферной смеси (рН 9), 25 см 3 дистиллированной воды, на кончике шпателя 30 - 40 мг эриохром чёрного Т И перевешивали систему до полного растворения индикатора. Раствор приобрёл вино-красный цвет. Титрование раствором ЭДТА проводили по каплям из бюретки при непрерывном перемешивании до изменения окраски в четко синюю.

2. Пробу анализируемого раствора переносили в колбу для титрования, добавляли 5 см 3 2М раствора NaOH, 30 см 3 дистиллированной воды и на кончике шпателя 30 мг мурексида. Раствор приобрёл красный цвет. Титрование проводили раствором ЭДТА до перехода окраски в фиолетовую.

Вычисление статистических условиях по отношению к ионам кальция и магния.

Определение обменной ёмкости по магнию

К 20 см 3 раствора хлорида магния с молярной концентрацией эквивалента 0.02 моль/л прибавил и 5,0г сорбента, предварительно просушенного при 105 0 С в течение 1 часа и встряхивали в течение заданного времени (0.5 часа). В другом случае 1 час и так далее. По истечении времени раствор отфильтровали. Брали на анализ 5 см 3 фильтрата и определяли остаточную концентрацию ионов Mg 2+ комплексонометрическим методом.

2. К 20 см3 раствора хлорида кальция с молярной концентрацией эквивалента 0,l моль/л прибавили 5.0 г сорбента, предварительно просушенного при 1050C в течение 1 часа и встряхивали в течение заданного времени (0.5 часа). В другом случае 1 час и так далее. По истечении времени раствор отфильтровали. Брали на анализ 5 см3 фильтрата и определяли остаточную концентрацию ионов Ca2+ комплексонометрическим методом.

Влияние времени контакта ЦСП и раствора CaCl2 * 4Н2О на обменную ёмкость ЦСП в статических условиях.

(С(Са2+)исх = 0.1 моль/л;mцсп = 5.0 г.)

При увеличении времени контакта фаз наблюдается увеличение равновесной концентрации. А по истечении 3 часов устанавливается динамическое подвижное равновесие.

Cтраница 1

Рабочая обменная емкость катионита зависит от рода катио-иита, общей степени минерализации воды, соотношения и размера карбонатной и некарбонатной жесткости, скорости фильтрования.  

Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида улавливаемых из воды катионов, солевого состава обрабатываемой воды, значения рН % воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитовых фильтров и удельного расхода на регенерацию поваренной соли.  

Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида улавливаемых из воды катионов, соотношения солевых компонентов в обрабатываемой воде, значения рН воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитных фильтров и удельного расхода регенерирующего реагента.  

Рабочая обменная емкость катионита является величиной переменной, которая зависит от условий эксплуатации, состава исходной воды и от природы обменного катионита.  

На рабочую обменную емкость катионита оказывают влияние также анионный состав воды и величина его общего солесодержания. Влияние этих факторов проявляется в различной степени для одного и того же катионита при Н - и Na-катионировании, а также для различных катионитов. Если при Na-катионировании анионный состач не оказывает существенного влияния на рабочую обменную емкость сульфоугля, то при Н - катионировании он приобретает решающее значение.  

Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. Последняя зависит от типа катионита, полноты его регенерации, общего содержания солей в исходной воде и высоты фильтрующего слоя.  

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность умягчать воду и его необходимо регенерировать.  

Для восстановления рабочей обменной емкости катионита необходимо извлечь из него задержанные катионы, заменив их обменными катионами. Процесс восстановления обменной емкости истощенного катионита называется его регенерациой. Вследствие относительно большой концентрации катионов натрия в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов кальция и магния.  

На величину рабочей обменной емкости катионита значительное влияние оказывает высота фильтрующего слоя. С увеличением ее возрастает время контактирования умягчаемой воды с катио-нитом и поэтому возрастает степень его использования.  

Для поддержания нормальной рабочей обменной емкости катионита последний регулярно должен освобождаться от мелких фракций.  

Влияние на рабочую обменную емкость катионита оказывает скорость фильтрования, сказываясь в одинаковой степени на разных катионах независимо от их природы. При больших скоростях фильтрования рабочая обменная емкость катионита снижается вследствие уменьшения продолжительности контакта между водой и катионитом. Однако в катионитных фильтрах первой ступени, где скорость фильтрования обычно не превышает 15 - 20 м / ч, а высота загрузки 2 0 - 2 8 м, влияние скорости на рабочую обменную емкость незначительно. В Н - катионитных фильтрах второй ступени скорость фильтрования достигает 30 - 50 м / ч при высоте слоя катионита 1 5 м; поэтому для них фактор влияния скорости является ощутимым и должен учитываться при расчете этих фильтров.  

В некоторых случаях рабочая обменная емкость катионита снижается вследствие неравномерного фильтрования воды по площади фильтра из-за образования в слое катионита местных уплотнений или неравномерного скопления загрязнений. В уплотненных или загрязненных участках катионита скорость фильтрования воды ниже, вследствие чего его обменная способность недоиспользуется, что приводит к общему снижению ее для фильтра. Неравномерная скорость фильтрования приводит к преждевременному проскоку жесткой воды в местах с высокими скоростями воды; этот фактор вызывает также и неравномерность регенерации отдельных участков катионита. Все это приводит к снижению общей рабочей обменной емкости фильтра. Снижение рабочей обменной емкости может происходить вследствие отложения карбоната кальция на зернах катионита в установках с предварительным известкованием. Для восстановления рабочей обменной емкости фильтра следует удалить отложения, образовавшиеся на зернах катионита, путем промывки его раствором соляной кислоты.  

С увеличением скорости фильтрования рабочая обменная емкость катионита снижается.  

Материалы ВИОН применяются для очистки вентиляционных отходящих газовых выбросов промышленности от растворимых компонентов, аэрозолей кислот и солей тяжелых металлов, где их используют главным образом в виде нетканых иглопробивных полотен.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита ВИОН КН-1 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор CuCl 2 (3,6 ммоль/л). Далее отдираем пробы по 50 мл титрованием. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и находим концентрацию меди. Результаты представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.

Рис. 3.4

Процесс сорбции заключается в полном поглощении первых порций катионов катионитом, причем область поглощения постепенно перемещается по колонке к выходу. После этого наступает момент, когда, в силу исчерпания емкости катионита, катионы начинают выходить из колонны. Из графика видно, что концентрация меди на выходе из колонки увеличивается постепенно и имеет вид S-образной кривой, начиная от нулевых концентраций до максимальной. Эта кривая растягивается при маленьких концентрациях солей.

Рассчитали количество меди, поглотившегося колонкой до полного насыщения катионита, как площадь фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации:

н = ?Vi*(Cmax - Ci) (3)

где Vi = 50 мл,

Cmax = 3,6ммоль

н1 = 2,20 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1/m к = 2,20/2 = 1,10 ммоль/гр. катионита.

Обсуждение результатов

В ходе экспериментальных работ определили полную обменную емкость трех различных катионитов (КУ-2-8, КУ-1, ВИОН КН-1). Результаты представлены на рисунке 3.5.

Полная обменная емкость катионита пропорциональна площади фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации. Как видно из рисунка 3.5. Емкости различных ионитов различны и меньше полной обменной емкости катионитов заявленных в паспорте. Так полная обменная емкость катионита КУ-2-8 найдена эксперементальным путем ниже паспортного значения на 28%, полная обменная емкость КУ-1 ниже паспортного значения на 57%, а ПОЕ катионита ВИОН КН-1 ниже на 39%. Эти данные необходимо учитывать при расчете и конструировании ионообменных аппаратов и фильтров.

Некоторые фильтрующие материалы (иониты ) способны поглощать из воды положительные ионы (катионы) в обмен на эквивалентное количество ионов катионита.

Умягчение воды катионированием основано на явлении ионного обмена (ионообменные технологии), сущность которого состоит в способности ионообменных фильтрующих материалов (иониты – катиониты) поглощать из воды положительные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов катионита.

Основной рабочий параметр катионита – обменная ёмкость ионита, которая определяется количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменная ёмкость измеряется в грамм-эквивалентах задержанных катионов на 1м 3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т.е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтрате.

Бывает полная и рабочая (динамическая) обменная емкость катионита. Полная обменная ёмкость катионита – то количество катионов кальция Са +2 и магния Мg +2 , которое может задержать 1 м 3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды. Рабочая обменная емкость катионита – то количество катионов Са +2 и Мg +2 , которое задерживает 1м 3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов солей жесткости.

Обменная ёмкость, отнесенная ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения фильтра умягчения воды.

В умягчителе очищаемая вода проходит через слой катионита сверху вниз. При этом на определённой глубине фильтрующего слоя происходит максимальное умягчение воды ( от солей жёсткости). Слой катионита, который участвует в умягчении воды , называется зоной умягчения (рабочий слой катионита). При дальнейшем умягчении воды верхние слои катионита истощаются и теряют ионообменную способность. В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время наблюдаются три зоны: работающего, истощенного и свежего катионита. Жесткость фильтрата будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умягчения с нижним слоем катионита. В момент совмещения начинается «проскок» катионов Са +2 и Мg +2 и увеличение остаточной жесткости, пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита.

Рабочие параметры системы смягчения воды () определяются по формулам:

Е p = QЖ и (г-экв/м 3)
Е p = е p V к,
V к = аh к
е p = QЖ и / аh к
Q = v к aT к = е p аh к / Ж и
T к = е p h к /v к Ж и.

где:
е p – рабочая ёмкость катионита, м-экв/м 3
V к – объём загруженного в умягчитель катионита в набухшем состоянии, м 3
h к – высота слоя катионита, м
Ж и – жесткость исходной воды, г-экв/ м 3
Q – количество умягченной воды, м 3
а – площадь поперечного сечения фильтра-умягчителя воды, м 2
v к – скорость фильтрования воды в катионитовом фильтре
T к – длительность работы установки умягчения воды (межрегенерационный период)

Рис.Сравнение полной динамической ПДОЕ и динамической обменной емкости ДОЕ. Заштрихованная площадь А соответствует ДОЕ, а вся площадь над кривой с учетом проскока солей - ПДОЕ

Селективность

Под селективностью понимают способность избирательно сорбировать ионы из растворов сложного состава. Селективность определяется типом ионогенных групп, числом поперечных связей матрицы ионита, размером пор и составом раствора. Для большинства ионитов селективность невелика, однако разработаны специальные образцы, имеющие высокую способность к извлечению определенных ионов.

Механическая прочность

Показывает способность ионита противостоять механическим воздействиям. Иониты проверяются на истираемость в специальных мельницах или по весу груза, разрушающего определенное число частиц. Все полимеризационные иониты имеют высокую прочность. У поликонденсационных она существенно ниже. Увеличение степени сшивки полимера повышает его прочность, но ухудшает скорость ионного обмена.

Осмотическая стабильность.

Наибольшее разрушение частиц ионитов происходит при изменении характеристик среды, в которой они находятся. Поскольку все иониты представляют собой структурированные гели, их объем зависит от солесодержания, рН среды и ионной формы ионита. При изменении этих характеристик объем зерна изменяется. Вследствие осмотического эффекта объем зерна в концентрированных растворах меньше, чем в разбавленных. Однако это изменение происходит не одновременно, а по мере выравнивания концентраций «нового» раствора по объему зерна. Поэтому внешний слой сжимается или расширяется быстрее, чем ядро частицы; возникают большие внутренние напряжения и происходит откалывание верхнего слоя или раскалывание всего зерна. Это явление называется «осмотический шок». Каждый ионит способен выдерживать определенное число циклов таких изменений характеристик среды. Это называется его осмотической прочностью или стабильностью.

Наибольшее изменение объема происходит у слабокислотных катионитов. Наличие в структуре зерен ионита макропор увеличивает его рабочую поверхность, ускоряет перенабухание и дает возможность «дышать» отдельным слоям. Поэтому наиболее осмотически стабильны сильнокислотные катиониты макропористой структуры, а наименее - слабокислотные катиониты.

Осмотическая стабильность определяется как количество целых зерен, отнесенное к общему первоначальному их числу, после многократной (150 раз) обработки навески ионита попеременно в растворе кислоты и щелочи с промежуточной отмывкой обессоленной водой.

Химическая стабильность

Все иониты обладают определенной стойкостью к растворам кислот, щелочей и окислителей. Все полимеризационные иониты имеют большую химическую стойкость, чем поликонденсационные. Катиониты более стойки, чем аниониты. Среди анионитов слабоосновные устойчивее к действию кислот, щелочей и окислителей, чем сильноосновные.

Температурная устойчивость

Температурная устойчивость катионитов выше, чем анионитов. Слабокислотные катиониты работоспособны при температуре до 130 ° С, сильнокислотные типа КУ-2-8 - до 100-120 ° С, а большинство анионитов - не выше 60, максимум 80 ° С. При этом, как правило, Н- или ОН-формы ионитов менее стойки, чем солевые.