43. Ионообменные процессы – основные закономерности, область применения. Регенерация ионитов.

Это разновидность адсорбции. Ионообменные процессы – массообменные процессы, при которых жидкие электролиты взаимодействуют с твердыми веществами (ионитами), способными заменять имеющиеся у них свободные ионы на ионы находящиеся в растворе.

Область применения: умягчение воды, для опреснения воды, очистка сточных вод, разделение растворов, в аналитической химии, производство ряда пищевых продуктов.

Иониты: природные: (глина, уголь, апотиты). Недостаток: не стойки в щелочах и кислотах, что ограничивают и применение.

Искусственные: (молекулярные сито, синтетические смолы, плавленые цеолиты, гидрооксиды железа алюминия)

R⁺М⁺ Rа^-А^-

R⁺ - катионит, Rа^- - анионит, М⁺₁ - обмениваемый катион, М⁺₂ – удаляемый из раствора электролита катион, А^-₁ – обмениваемый анион, А^-₂ – удаляемый из раствора электролита анион.

1) Удаление из раствора посторонних катионов

М⁺₂ + R⁺М⁺₁ ↔ М⁺₁ + R⁺М⁺₂

2) Удаление из раствора посторонних анионов

А^-₂+ Rа^-А^-₁↔ А^-₁+ Rа^-А^-₂

3)Удаление из раствора соли

М⁺₂ А^-₂+ R⁺М⁺₁ ↔ М⁺₁ А^-₂+ R⁺М⁺₂

М⁺₁ А^-₂+ Rа^-А^-₁↔ М⁺₁ А^-₁+ Rа^-А^-₂

4)Получение особо чистой воды (это вещество, где на 1млн чистого вещества приходится 1 часть пыли)

М⁺₂ А^-₂+ R⁺Н⁺↔ Н⁺ А^-₂+ R⁺М⁺₂

Н⁺ А^-₂+ Rа^-ОН^-↔ Rа^-А^-₂+Н₂О

Регенерация ионитов

Регенерация — это восстановление первоначальных свойств и состава отработанных продуктов после завершения технологического процесса.

Для регенерации катионита, насыщенного извлекаемыми из электролита катионами, используют растворы кислот:

R⁺ М⁺₂ +НСl (8-10%)↔ R⁺ H⁺+ М⁺₂Сl^-

а регенерация анионита осуществляется раствором щелочи:

Rа^-А^-₂+NaOH(8-10%)↔ Rа^-OH^-+Na⁺ А^-₂

После регенерации ионитов необходима тщательная отмывка их водой от следов регенерирующих растворов.

Кинетика ионного обмена

-природа вещества (поглощаемого)

-температура

-концентрация извлекаемого компонента

Активность от давления не зависит.

Материальный баланс: Lda=G(-dc), L(a_к-а_н)=G(с_н-с_к)

Процесс состоит из 7 стадий: I- перемещение извлекаемого катиона из среды к пов-ти раздела фаз; II- прохождение извлекаемого катиона через пов-ть раздела фаз; III- перемещение ивлек. катиона в теле ионита; IV- химич. реакция замены катиона извлекаемого на катион свободный; V- перемещение свободного иона в теле ионита к пов-ти раздела фаз; VI- переход свободного иона через границу раздела фаз; VII- перемещение свободного иона в поток омывающего ионит вещества. Лимитирующая стадия – VII – по ней рассчитывается кинетика процесса ионообмена.

GdM/Vdτ=β_V(c-c_p)dFdτ

Nu_дV=mReⁿ , Nu_дV=β_Vd²_зер/D_c, Re=wd_зер/ν_с

d_зер – среднеквадратичный диаметр зерна ионита.

Стадии: 1) процесс ионообмена; 2) регенерация; 3) отмывка ионообменного вещества от регенерирующего раствора.

Преимущество имеют аппараты с неподвижным псевдоожижженым слоем.

44. Кристаллизация. Основные способы проведения кристаллизация. Равновесие в процессах кристаллизации.

Кристаллизация – массообменный процесс извлечения твёрдой фазы из растворов, расплавов или паров. Ж → Тв

Равновесие в процессах кристаллизации. Все процессы рассматриваются в диаграммах состояния, на которых графически изображаются равновесие между различными фазами данной системы. Связь между числом компонентов К, числом фаз Ф и числом степеней свободы S данной системы устанавливается правилом фаз Гиббса: S=К-Ф+2. Число степеней свободы S данной системы соотв. числу независимых параметров, характеризующих эту систему (температура, давление, концентрация).

Фазовое равновесие однокомпонентной системы определяется двумя параметрами: температурой и давлением. S=1 при условии равновесия двух фаз – значит только один параметр может независимо меняться без изменения числа фаз – давление или температура. В тройной точке S=0. На фазовое равновесие двухкомпонентных систем оказывают влияние три параметра: температура, давление и концентрация. Поскольку давление незначительно влияет на равновесие между Ж и Тв фазами, фазовые превращения могут быть представлены на диаграмме температура-концентрация.

Правило рычага:

АВ-изогидрическая кристаллизация; АС-изотермическая кристаллизация.

1) изогидрическая кристаллизация М_КР/М_М.Р.=FB/BH

2) изотермическая кристаллизация М_КР/М_М.Р.=DC/CE М_КР/М_{ИСХ. Р-РА} =DC/AE

М_КР – масса кристаллов, М_М.Р – масса маточного или насыщенного раствора.

Основные способы проведения кристаллизация:

1) изогидрическая кристаллизация – за счет понижения температуры;

2) изотермическая - при постоянной температуре. Происходит изменение агрегатного состояния (удаление части растворителя);

3) выщелачивание (добавляется третье вещ-во, которое смещает растворимость в сторону пересыщения и происходит выделение растворенного вещества в виде твердых частиц);

4) химическая реакция.

Материальный баланс.

1) для изотермической кристаллизации

G_Н=G_К + L + W

G_Н – исходный р-р, G_К – маточный р-р, L – кол-во кристаллов, W – поток выпаренной воды.

G_НХ_Н=G_КХ_К+Lλ

λ – отношение массы твердого вещества в кристалле к массе кристаллогидрата

2) для изогидрической кристаллизации: W=0

Тепловой баланс.

1) изогидрическая кристаллизация

G_НС_Нt_Н+W_ОХЛС_ОХЛt_{Н ОХЛ}+Lq_КР= G_КС_Кt_К+LC_КРt_К+ W_ОХЛС_ОХЛt_{К ОХЛ}, W_ОХЛ=…

W_ОХЛ – охлаждающая среда (вода), q_КР – тепловой эффект кристаллизации. C_КР – теплоемкость кристаллов, С_ОХЛ – охл. воды, С_Н – исх. раствора, С_К – маточного раствора.

Тепловые потери играют положительную роль.

2) изотермическая кристаллизация.

G_НС_Нt_Н+ Lq_КР+DН_ГР= G_КС_Кt_К+LC_КРt_К+ WН_ВТ+DН_КОНД+Q_П, D=…

D – кол-во греющего пара. Н_КОНД – энтальпия конденсата.

I-область ненасыщенной концентрации, II-метастабильная зона, III-зона кристаллизации.