Дослід 1. Видалення з води заліза

Залізо у воді знаходиться у вигляді різних сполук; в поверхневих водах—у вигляді тонкодисперсної за­висі гідроксиду або у складі органокомплексів; в підзем­них водах — найчастіше у вигляді гідрокарбонату заліза (II). З поверхневих вод залізо видаляють коагуляцією, якщо воно знаходиться у вигляді колодіїв.. Якщо залізо входить до складу органокомплексів, то комплекси спо­чатку руйнують хлором, озоном або іншими окислюва­чами і потім видаляють залізо коагуляцією або вапну­ванням. З підземних вод залізо видаляють аерацією або фільтруванням, пропускаючи воду через фільтр з піску, з добавками перманганату калію.

1.1. Видалення заліза з води коагуляцією. У п'ять колб ємкістю до З наливають по 1 .досліджуваної води і добавляють насичений розчин вапна : в першу колбу — 20 , в другу — 40 , в третю — 60 , в четверту — 80 і в п'яту — 100 . Воду збовтують і залишають для відстоювання на 2 год, потім фільтрують через пі­щаний фільтр. Перші дві порції фільтрату (300—500 ) виливають, а в інших визначають вміст заліза і рН. Як­що рН в колбі № 5 (найбільша концентрація вапна) мен­ше 8,35, то дослід повторюють, збільшуючи кількість вапна настільки, щоб рН було більше 8,35.

1.2. Видалення заліза з води хлоруванням. У п.'ять колб ємкістю до 3 наливають по 1 , досліджуваної води і додають хлорної води з таким розрахунком, щоб доза хлору була в першій колбі 3 мг/ , в другій— 5 мг/ , в третій — 8 мг/ , четвертій — 10 мг/ і в п'ятій — 15 мг/ . Воду в колбах перемішують і за­лишають на 45 хв, після чого фільтрують через піщаний фільтр. Перші порції фільтрату з кожного циліндра виливають, а наступні 100 кип'ятять 20 хв і визначають в них вміст заліза. Якщо вміст заліза в фільтраті п'ятої колби значний, то визначення повторюють з більшими дозами хлору.

Результати дослідів заносять в таблицю.

Дослід 2. Іонітна очистка води.

Для тонкого очищення води від іонів кальцію, магнію, заліза та ін., а також для її знесолення застосовують метод іонного обміну. Для здійснення іонного обміну використовують іонообмінники, або іоніти.

Іонітами називають нерозчинні і неплавкі або мало­розчинні речовини, що обмежено набухають у воді. Іоні­ти мають у своїй структурі функціональні групи кислот­ного або основного характеру і здатні до обміну іонів при контакті з іонами, що перебувають у розчинах. Це тверді, найчастіше високомолекулярні полікислоти і поліоснови або їх солі.

Іоніти бувають неорганічні та органічні, природні та штучні. Органічний синтетичний іоніт являє собою ви-сокомолекулярний органічний каркас, до якого приєд­нані іоногенні групи, здатні у водних розчинах дисоцію­вати на іони:

де — частина макромолекулярного каркасу іоніту, еквівалентна одній іоногенній групі. Кількість функціональних груп може бути різною. Чим більше цих груп в іонообміннику, тим більшу поглинальну здат­ність він має.

Іоніти поділяються на катіоніти, здатні обмінювати іони на катіони з розчину, аніоніти, здатні обмінювати іони на аніони розчину, амфотерні іоніти, здатні до обміну як катіонів, так і аніонів з розчину, і електронообмінники, здатні до реакцій окислення- відновлення.

Катіоніти мають функціональні групи кислотного ха­рактеру: , , , (фе­нольний) та ін. До складу катіоніту можуть входити функціональні групи одного типу (монофункціональний катіоніт) або різні функціональні групи (поліфункціональний катіоніт).

До складу аніонітів входять функціональні групи ос­новного характеру: , , , . Аніоніти також бувають моно- і поліфункціональні. Про­мислові іоніти, як правило, поліфункціональні.

Амфотерні іоніти — це продукти конденсації амінів і фенолів, що містять первинні, вторинні і третинні амі­ногрупи, а також фенольні гідроксильні групи. В остан­ньому випадку в іонітах переважає основний характер. Іоніти, які містять карбоксильні та імінні групи, мають більш виражений кислотний характер.

Іонообмінні реакції на твердих іонітах можна роз­глядати як рівноважні оборотні хімічні реакції.

Процес обміну на катіоніті можна показати такою схемою:

де R — частина макромолекулярного каркасу катіоніту;

К і К' — катіоніти. Катіоніти використовуються пере­важно в натрієвій, кальцієвій або в Н-формі.

Процес обміну на аніоніті можна представити такою схемою:

де R' — частина макромолекулярного каркасу аніоніту;

А і А' — аніони.

Аніоніти використовуються здебільшого в формі —ОН, їх застосовують для поглинання кислот або аніо­нів солей.

Процеси насичення на іонітах відбуваються досить повільно, тому для більш повного насичення іоніту від­повідними іонами його розміщують товстим шаром у вер­тикальній циліндричній посудині — фільтрі. Щоб ре­генерувати іоніти, їх обробляють насиченими розчинами хлоридів, лугів або кислот. Швидкість, з якою досягає­ться рівновага іонного обміну, є одним з найважливіших показників, що характеризують якість іоніту..На прак­тиці використовують іоніти переважно у вигляді гранул з діаметром у 0,2—3 мм, або у вигляді мембран, пластин і стержнів.

Вітчизняною промисловістю випускаються іоніти та­ких марок. КУ-1, КУ-2, СДВ-3, КБ-4, АН-1, сульфо-вугілля, АН-2Ф, ЕДЕ-10п та ін.

Катіоніт КУ-1 — сильнокислотного типу, макромо-лекулярний каркас побудований з фенолоформальдегідних кілець. Основні функціональні групи і — ОН (фенольний). На зовнішній вигляд це чорний зернистий матеріал з розміром гранул 0,25—2 мм. Катіоніт має ви­соку хімічну стійкість щодо кислот (за винятком азот­ної), але менш стійкий до дії лугів.

Катіоніти КУ-2, СДВ-3 — сильнокислотного типу, макромолекулярні каркаси яких побудовано з стирол-дивінілбензольних кілець. Основна ( і єдина ) функціо­нальна група . Вони характеризуються найвищою ємністю поглинання, високою хімічною стійкістю. Концентровані кислоти (за винятком .азотної) навіть при нагріванні не руйнують їх. Концентровані луги без на­грівання також не змінюють їх властивостей.

Сульфовугілля — катіоніт сильнокислотного типу. Ос­новна активна група — . Може мати також групи —СООН і —ОН. Чорний зернистий матеріал розміром гранул від 0,2 до 12 мм. Сульфовугілля має найменші поглинальну здатність, хімічну і механічну стійкість. Воно дешеве, легко регенерується і тому широко вико­ристовується для зм'якшення води. Регенерація здійс­нюється 8—10%-ним розчином NаСІ.

Катіоніт КБ-4 – слабокислотного типу . Основна (і єдина) функціональна група—СООН.

Катіоніт СВС має основну функціональну групу — . Застосовується у виробництві антибіотіків, ві­тамінів, для розділення рідкісних металів, знесолювання води і очистки розчинів від іонних домішок.

Аніоніт ЕДЕ-10п — низькоосновний іоніт. Основні функціональні групи =NН і =N. Застосовується для тонкої очистки води (поглинає кремнієву кислоту) і для

очистки води парових котлів.

Аніоніт АН.-2Ф — низькоосновний іоніт. Основні функціональні групи =NН і , має також фенольні гідроксиди, які зумовлюють амфотерність аніоніту.

Аніоніт АН -1 — низькоосновний іоніт. Основні функціональні групи = NН і . Макромолекулярний каркас побудований з триазенових кілець. Поглинає аніони нейтральних солей і слабкі кислоти. Добре сорбує барвники. Перед застосуванням повинен бути регенерований содою або лугом.

Основним показником для іонітів є обмінна ємність. Іоніти мають два показники обмінної ємності.

Статична обмінна ємність (СОЄ ) характеризуєть­ся кількістю іонів (у міліграм -еквівалентах на грам су­хої смоли), яка поглинається в статичних умовах за умовну одиницю часу.

Динамічна обмінна ємність ( ДОЄ) характери­зується кількістю іонів (у міліграм-еквівалентах на літр набухлої смоли) , які поглинаються в динамічних умовах. до проходження (проскакування) цих іонів у філь­трат.

З усіх відомих катіонітів сульфокислотного типу найменшою обмінною ємністю характеризується сульфовугілля. За 0,1 н. розчином у статичних умовах (СОЄ ) — 0,8—1,0 мг-екв/г. Динамічна об­мінна ємність за 0,01 н. розчином (ДОЄ ) 215—360 мг-екв/ . Для катіоніту КУ-2 СОЄ дорівнює 4,3—4,9 мг-екв/г, а ДОЄ за 0,007 розчином —1100—1300. мг-екв/ .

Мал. 1. Схема установки для зм’якшення води:

а – катіонообмінник;

б - аніонообмінник

Установка і методика проведення роботи. Для очищення води іонообмінним способом користуються установкою, схе­му якої наведено на рис. 1. Катіонообмінник або аніонообмінник являє со­бою скляну трубку 1 завдовжки 60— 80 см і діаметром 3—3,5 см, у нижній частині якої впаяне дірчасте дно 3 для підтримання катіоніту 2 або аніоніту 5. Закінчується трубка краном 4. Трубку заповнюють катіонітом на висоту до 30— 40см, а аніонітотом —до 15—20 см. Ре­генерацію катіоніту проводять з таким розрахунком, щоб 700 регенеруючо­го розчину пройшли через колонку за 25—30 хв, причому якщо використову­ється катіоніт Nа, то беруть 6—8%-ний розчин NаСІ, а якщо катіоніт Н, то 5—6%-ний розчин . Регенерований катіоніт відмивають водою до повного зникнення іонів хлору, витрачаючи на це близько 1000 води.

Аніоніт регенерують 2—3%-ним розчином NaОН. Повноту промивання контролюють фенолфталеїном.

Через підготовлену колонку з катіонітом пропуска­ють 200—250 води, призначеної для зм'якшення і зне­солювання, в якій попередньо визначено загальну твер­дість комплексонометричним методом, карбонатну твер­дість, вміст хлору аргентометричним методом і вміст . Швидкість пропускання води регулюють краном 4 .

50 мл води, профільтрованої через катіоніт, пропускають з такою ж швидкістю через аніоніт. Після очи­щення води визначають загальну твердість води комплексонометричним способом, карбонатну і некарбонатну твердість, вміст іонів хлору та сульфату, роблять обчис­лення і порівн юють результати.