3. Обессоливание воды ионитами

Ионообменный метод опреснения или обессоливания воды основан на последовательной фильтрации ее через Н⁺- катионитовый и ОН^-, СО₃^2-или НСО₃^-- анионитовый фильтр. В Н⁺- катионитовом фильтре содержащиеся в воде катионы, главным образом Сa²⁺,Mg²⁺,Na⁺,Fe³⁺и другие, обмениваются на катионы Н⁺согласно уравнениям (3)-(5):

H[Kat] + NaCl → Na[Kat] + HCl	(3)
2H[Kat] + Na2SO4 → 2Na[Kat] + H2SO4	(4)
2H[Kat] + Ca(HCO3)2 → Ca[Kat]2 + 2CO2↑ + H2O	(5)

После пропускании воды через Н⁺- катионовые фильтры, анионы образовавшихся кислот обмениваются на гидроксид-, карбонат- либо гидрокарбонат-ионы на ОН^--анионовых (или других) фильтрах по уравнениям (6)-(8):

[An]2CO3 + H2SO4 → [An]2SO4 + CO2↑ + H2O	(6)
[An]OH + HCl → [An]Cl + H2O	(7)
[An]HCO3 + HCl → [An]Cl + CO2↑ + H2O	(8)

Образующийся в процессе разложения гидрокарбонатов углекислый газ удаляется в дегазаторе или разбрызгиванием в градирнях. На ионообменные установки подается вода, содержащая более 3 г/л соли, при этом содержание сульфатов и хлоридов не должно превышать 0,5 г/л, взвешенных веществ должно быть до 8 мг/л, цветность – до 30 ˚, перманганатная окисляемость – до 7 мг О/л. При большей окисляемости и цветности следует предусмотреть предварительное фильтрование через фильтр с активированным углем.

Изучение процесса обессоливания в лабораторных работах проводится на двух ионообменных колонках, заполненных специально подготовленными катионитом и анионитом. В исследуемой воде предварительно определяют солесодержание, мутность и величину перманганатной окисляемости. При превышении величины мутности проводят предварительное осветления коагулированием и снижение окисляемости углеванием. Контроль за эффективностью обессоливания проводят либо по величине общего солесодержания, либо по величине удельной электропроводности.

Цель работы – провести обессоливание морской воды ионообменным методом и оценить эффективность процесса обессоливания по изменению электропроводности раствора морской воды.

Ход работы

Проба воды, подготовленная соответствующим образом (по мутности и окисляемости), в объеме 200-300 мл последовательно фильтруется через катионит в Н⁺- форме и анионит в ОН^-илиHCO₃^-- форме. Скорость фильтрования устанавливается на уровне одна капля в секунду. Первые порции фильтрата (20-30) мл отбрасываются. После окончания фильтрования через анионит проводят определение солесодержания либо удельной электропроводности. Остаточное солесодержание при ступенчатом (одноступенчатом в данном случае) ионировании должно составить около 20 мг/л, что соответствует удельной электропроводности 35-45 мкОм^-1·см^-1. После окончания фильтрования проводят регенерацию ионообменников растворами соляной кислоты (5 %-ный раствор), щелочи или соды. Расход воды на промывку ионита принимают 10 м³/м³ионита.

Удельная электропроводность растворов электролитов

Растворы кислот солей и оснований обладают способностью проводить электрический ток. Переносчиками тока в растворах электролитов являются катионы и анионы, которые образуются в результате их электролитической диссоциации. Подобно проводникам первого рода (металлам) растворы электролитов подчиняются закону Ома (уравнение 3):

	(3)
где ρ – удельное сопротивление, Ом·см; l– расстояние между электродами, см; s– площадь электрода, см2; R– сопротивление проводника, Ом.

Удельная электропроводность рассчитывается по уравнению (4):

æ ,	(4)
где æ – удельная электропроводность, Ом-1·см-1; ρ – удельное сопротивление, Ом·см.

Удельная электропроводность электролита является величиной обратной сопротивлению столба раствора длиной 1 см с площадью поперечного сечения в 1 см². Измеряется удельная электропроводность в См/м или ом^-1см^-1.

Специфическая особенность растворов электролитов состоит в том, что проводящая способность зависит от индивидуальных свойств ионов, от концентрации их общего числа в единице объема раствора, поэтому электропроводность определяется концентрацией растворов.

В связи с тем, что величина удельной электропроводности сильно зависит от концентрации, пользуются величиной удельной электропроводности, отнесенной к молярной концентрации эквивалента, обозначаемой λ_v. Отношение æ/с называют эквивалентной электропроводностью. Уравнения (5)-(7) связывают удельную и эквивалентную электропроводности:

λv= V·æ;	(5)
;	(6)
λv=,	(7)
где С – молярная концентрация эквивалента, моль/л; V – объем, cм3; λv– эквивалентная электропроводность, см2ом-1 ·моль-1.

Измерению электропроводности раствора предшествует определение константы ячейки (С^٭), в которой проводятся измерения. Если бы расстояние между электродами в сосуде точно равнялось 1 см, а площадь каждого электрода равна 1 см²и в проведении тока участвовал только объем раствора, заключенного между электродами, то измеренная в таких условиях электропроводность представляла бы истинную удельную электропроводность раствора.

В действительности электропроводность раствора зависит не только от размеров электродов и расстояния между ними, но и от их формы и взаимного расположения и объема раствора, поэтому удельная электропроводность не равна измеренной, а ей пропорциональна согласно уравнению (8):

æист.= С*·æэ,	(8)
где æист.– истинная удельная электропроводность раствора, Ом-1·см-1; æэ– экспериментальная удельная электропроводность раствора, Ом-1·см-1; С*- константа ячейки.

Порядок определения удельной электропроводности растворов и эффективности процесса обессоливания

1. Приготовить растворы хлорида калия из раствора хлорида калия с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л по таблице 2. Для разбавления растворов используются мерные колбы объемом 50 мл, за исключением концентраций 0,0005 моль/л, 0,001моль/л, – для них используются мерные колбы на 100 мл;

Таблица 2 – Эквивалентная электропроводность водных растворов KClразличных концентраций

С, моль/л	0,0005	0,001	0,005	0,01	0,02	0,03	0,10
мл раствора KCl, 0,1 моль/л	0,5	1	2,5	5	10	15	50
λ, ом-1·моль-1·см2	147,8	146,4	143,5	141,3	138,3	133,4	129,0

2. Для каждого приготовленного раствора измерить удельную электропроводность (æ_э) на кондуктометре ОК – 102/1;

3. Вычислить истинную удельную электропроводность (æ_ист.) для каждого раствора таблицы 2 по формуле (7);

4. Вычислить константу ячейки (C*) для каждой концентрации таблицы 2 по формуле (8);

5. Вычислить среднее арифметическое полученных значений констант ячейки ();

6. Измерить на кондуктометре удельную электропроводность (æ_э) морской воды до и после фильтрования на катионите и анионите;

7. Вычислить истинную удельную электропроводность (æ_ист.) морской воды до и после фильтрования на катионите и анионите по формуле (9):

   æист.= æэ·,	(9)
   где æист.– истинная удельная электропроводность раствора, Ом-1·см-1; æэ– экспериментальная удельная электропроводность раствора, Ом-1·см-1; - константа ячейки.

8. Вычислить относительную электропроводность морской воды до и после фильтрования на катионите и анионите по формуле (10):

   R20= æист/æ35‰,	(10)
   где æ35‰– электропроводность нормальной морской воды (49,895·10-3·ом-1·см-1).

9. По значению относительной электропроводности R₂₀, используя океанографические таблицы, определить соленость морской воды до и после фильтрования на катионите и анионите (S, ‰);

10. Рассчитать эффективность ионообменного метода обессоливания морской воды по формуле (11):

	(11)
где S1– соленость морской воды до фильтрования на ионитах, ‰; S2– соленость морской воды после фильтрования на ионитах, ‰.