
- •VI семестр лекция 1 Коагуляция и флокуляция
- •3. Доза коагулянта.
- •4. Флокулянты
- •Мицелла (коллоидная частица)
- •Лекция 2 Электрохимическое коагулирование
- •Лекция 3 Отстаивание
- •Лекция 4 Фильтрование
- •Лекция 5 Стабилизация воды систем водоснабжения
- •Лекция 6 железо в природных водах
- •Лекция 7 деманганация воды
- •VII семестр Лекция 8 Мембранная сепарация
- •Лекция 9 электродиализ
- •Лекция 10 Нейтрализация
- •Лекция 11 дистилляция. Эвапорация. Дегазация
- •Лекция 12 обеззараживание воды
- •Лекция 13 Ионный обмен
- •Лекция 14 экстракция
- •Дополнительные лекции
- •Лекция 1
- •Баромембранные явления, закономерности. Классификация мембран по размерам пор. Предварительная подготовка воды
- •Классификация мембран по размерам пор
- •Предварительная подготовка воды
- •Лекция 2
- •Лекция 3
Лекция 13 Ионный обмен
Ионный обмен — это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими.
Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ — нерастворимых в воде гранулированных веществ, имеющих в составе кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами. В качестве ионообменных материалов, называемых часто смолами, используются природные и синтетические вещества.
Система буквенных обозначений ионитов:
КУ – катионит универсальный – для сильнокислотных катионитов сернокислотного типа.
КФ – для фосфорнокислотных катионитов.
КБ – катионит буферный – для слабокислотных катионитов.
АВ – анионит высокоосновный – для сильноосновных анионитов.
АН ‑ анионит низкоосновный – для слабоосновных анионитов.
Примеры ионитов [3].
Марка ионита |
Активные группы |
Внешний вид, размер частиц, мм |
Основное сырье |
КУ-1 |
‑SO3H, ‑OH |
Черные зерна неправильной формы, 0,3-2,0 |
п-фенолсульфокислота, формальдегид |
сульфоуголь |
‑SO3H, ‑OH, ‑COOH |
Черные зерна неправильной формы, 0,25-1,0 |
Каменный и бурый угли |
КУ-4 |
‑SO3H |
Светло-коричневые зерна, 0,35-1,5 |
Аценафтилен, дивинилбензол |
КФ-2 |
‑PO3H2, ‑CH2PO3H2 |
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ |
Стирол, дивинилбензол |
КБ-4 |
‑СООН |
Белые прозрачные шарики, 0,3-0,8 |
Метакриловая кислота, дивинилбензол |
АВ-17 |
‑N+(CH3)3 |
Прозрачные желтые зерна, 0,4-1,2 |
Стирол, дивинилбензол |
АВ-16 |
=N, N, пиридиниевые |
Темно-коричневые зерна неправильной формы, 0,4-2,0 |
Пиридин, полиамины, эпихлоргидрин |
АН-1 |
=NН, N |
Непрозрачные белые зерна неправильной формы, 0,3-2,0 |
Меламин, формальдегид |
Обработку на ионообменниках проводят:
1) для очистки воды, т. е. извлечения из нее нежелательных ионов (умягчение, обессоливание);
2) для концентрирования в ионообменном материале одного или нескольких ионов, которые затем при регенерации будут выделены в чистом виде.
В технологии очистки воды ионный обмен обычно используют для умягчения воды (выделения из воды солей жесткости — кальция и магния) и обессоливания.
УМЯГЧЕНИЕ
Из природных ионообменных материалов, применяемых для умягчения, наиболее известен глауконитовый песок, а из искусственных — сульфоуголь, катиониты КУ-1, КУ-2, СБС, КБ-4 и др.
Обменная емкость:
природные катиониты (извлекают катионы) 125—150 г-экв/м3;
искусственные катиониты 400—600 г-экв/м3, до 2800 г-экв/м3.
Основная реакция умягчения жесткой воды:
2RNa + Са2+ = R2Ca + 2Na+; (1)
2RNa + Mg2+ = R2Mg + 2Na+; (2)
2RH + Са2+ = R2Ca + 2H+; (3)
2RH + Mg2+ = R2Mg + 2H+; (4)
здесь символом R обозначена нерастворимая часть катионита, условно принятая одноосновным ионом.
Реакции (1)‑(4) обратимы: в прямом направлении они символизируют извлечение из воды ионов жесткости, а в обратном — регенерацию ионита.
В результате обменных реакций в воде появляются натриевые соли, не являющиеся солями жесткости. При этом содержание бикарбонат-ионов не изменяется, и поэтому щелочность воды остается без изменений. Общее солесодержание несколько возрастает, так как каждый ион кальция с атомной массой 40,08 заменяется двумя ионами натрия, масса которых больше: 222,99 = 45,98; замена магния, если и она проходит по аналогичному уравнению, приводит к еще большему увеличению солесодержания.
Н-катионитовый фильтр позволяет получить воду, лишенную солей кальция и магния, по той же схеме, что и для Na-катионита. При этом в воде появляются кислоты НСl или H2SO4 в количестве, равном концентрации их анионов в исходной воде. Кислотность воды после Н-катионирования возрастает, рН снижается.
На практике нередко совмещают Na- и Н-катионирование, что позволяет получить глубоко умягченную воду, лишенную в то же время агрессивных свойств (за счет щелочности после Na-катионирования и кислотности после Н-катионирования).
Схемы Na- и Н-катионирования:
Обработка одной части воды на Na-катионитовом фильтре, а другой — на Н-катионитовом, после чего оба фильтрата смешиваются.
Последовательное фильтрование всего объема воды через один и другой фильтры.
На ионитовые смолы нельзя подавать воду с содержанием взвешенных веществ более 5—7 мг/л, т.к. они забивают смолу, блокируют полезное ее использование. По тем же соображениям цветность воды также не должна быть высокой.
Общая обменная емкость ионита ‑ количество извлекаемых ионов, которое ионит может воспринять. Полезная (или рабочая) емкость — достигаемое количество извлекаемых ионов. Полезная емкость меньше общей, так как в условиях проведения процесса часть емкости недоиспользуется из-за равновесного характера основной реакции и ряда технических факторов.
На ионите со сложным комплексным ионом можно обеспечить проведение вторичной реакции, например окислительно-восстановительной. Так можно из воды извлечь сульфит-ион на анионитовую смолу в виде R — NH3 — HSO3, а затем на этой же смоле пройдет окисление сульфит-иона в сульфат-ион за счет растворенного кислорода.
ОБЕССОЛИВАНИЕ И ОПРЕСНЕНИЕ
Опреснение – процесс очитки воды от растворенных солей до предела, близкого к содержанию их в пресных водах. Применяют при получении воды, пригодной для хозяйственно-питьевых нужд с использованием засоленных или сильноминерализованных естественных вод (морской, грунтовой воды в засушливых районах).
Таблица . Методы опреснения вод в зависимости от солесодержания
Солесодержание, г/л |
Наиболее экономичный метод |
2‑3 |
ионный обмен |
2,5‑15 |
электродиализ |
10 и более |
дистилляция |
Обессоливание ‑ процесс очитки воды от растворенных солей до содержания их в дистиллированной воде. Используют для получения питательной воды для котлов высокого давления, прямоточных котлов, для некоторых производств.
Воду последовательно фильтруют через Н-катиониты и ОН-аниониты. При фильтрации через Н-катионит получается вода, содержащая НСl и H2SO4. Эту воду пропускают через анионит [Ан]OН. В результате происходят обменные реакции:
[Ан]ОН + НСl= [Ан]Сl + H2О;
2 [Ан]ОН + H2SО4 = [Ан]2SО4 + 2Н2О;
[Ан]2CO3 +2HCl = 2[Ан]Сl +CO2 + H2О;
[Ан]HCO3 + HCl = [Ан]Сl +CO2 + H2О.
Если из воды удалены все катионы и анионы сильных кислот и ее пропускают через фильтры с сильноосновными анионитами (обычно в ОН-форме), то они извлекают из воды кремневую кислоту и не удаленную в дегазаторе углекислоту:
[Ан]ОН + H2SiO3 = [Ан]НSiO3 + H2O;
2[Ан]ОН + H2CO3 = [Ан]2CO3 + 2H2O
Обработку воды Н- и ОН-ионитами проводят последовательно в две-три ступени, при этом обработка воды на ОН-фильтре II ступени позволяет удалить анионы слабых кислот — угольной и кремниевой.
Одноступенчатая установка позволяет получить воду с солесодержанием 2—10 мг/л, двухступенчатая —0,1 —0,3 мг/л и трехступенчатая — 0,05—0,1 мг/л.
Применение ионнообменных методов для очистки промышленных сточных вод
Для глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых и цветных металлов. Эффективно применение сильнокислотных катионитов (КУ-2, сульфоуголь) при отсутствии в сточных водах ионов кальция. Слабокислотные катиониты (КБ-4) могут применяться и для очистки неумягченных сточных вод при рН7.
Извлекаются тяжелые и цветные металлы: Bi3+, Cd2+, Co2+, Co3+, Cu2+, Ni2+, Hg2+, Pb2+, Ag+, Sr2+, Th4+, Cr3+, Zn3+.
Анионообменные смолы применяют для извлечения из воды анионов цветных и тяжелых металлов (CrO42‑, CrO2‑, VO42‑, WO42‑, ZnO22‑), катионов меди, никеля и др. цветных металлов, которые образуют с аминогруппами смол прочные комплексы.
Для корректировки минерального состава (умягчения, снижения общего солесодержания, удаления фосфатов) очищенных сточных вод, повторно используемых в замкнутых и обычных системах теплообменного оборотного водоснабжения.
В локальных системах очистки сточных вод от ряда органических веществ (ароматических и алифатических аминов, фенолов и органических кислот, в том числе АПАВ). Для извлечения органических оснований – только при отсутствии в сточной воде катионов жесткости и железа.
регенерация ионитов
После того как обменная емкость катионита исчерпана, катионитовый фильтр подвергают регенерации — восстановлению его обменных свойств. Na-катионит восстанавливают концентрированным раствором NaCl (от 2 до 10%). Если катионит регенерировать раствором кислоты, то получится катионит в Н-форме.
Регенерация анионитов проводится раствором едкого натра (гидроксида натрия), раствором кальцинированной соды (карбоната натрия) или раствором бикарбоната (гидрокарбоната) натрия:
[Ан]Сl + NaOH = [Ан]OH + NaСl;
2[Ан]Сl + Na2CO3 = [Ан]2CO3 + 2NaCl;
[Ан]Сl + NaHCO3 = [Ан]HCO3 + NaCl
Схема регенерации может быть как прямоточной, так и противоточной, т. е. по ходу основной фильтрации и против нее. Противоточная регенерация более эффективна.
При очистке сточных вод с использованием ионитов регенерация производится растворами сильных кислот (соляной, азотной и серной), в зависимости от того, в виде какой соли требуется получить извлеченные из сточных вод ионы цветных и тяжелых металлов.
Из отработанных регенерационных растворов ионы цветных металлов осаждают содой или щелочью, после чего растворы используют повторно.
Регенерацию карбоксильной смолы (КБ-4) производят вначале кислотой для получения соли металла, предназначенной для утилизации, а затем содой для перевода ионита в рабочую натриевую форму.
Регенерация анионообменных смол: сильноосновные анионообменные смолы (АВ-17 и др.) ‑ раствор едкого натра; слабоосновные анионообменные смолы (АН-31, АН-17 и др.) ‑ раствор аммиака.