Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Анализ и улучшение качества природных вод» для студентов IV курса, обучающихся по направлению 280400 «Природообустройство» Составители (стр. 14 из 18)

Флотация – это процесс, при котором в воду добавляются поверхностно активные вещества (п.а.в.), которые не смачиваются водой. Через полученный раствор продувают воздух, и все прилипшие к п.а.в. примеси воды выносятся наверх и смываются.

Напорная флотация – это метод подачи воздуха в очищаемую воду под давлением.

Для окисления окрашенных коллоидов или истинно растворенных примесей воды используют хлорирование воды или озонирование воды.

Прекрасным сорбентом окрашенных компонентов воды является активированный уголь.

Ионный обмен на искусственных сорбентах-катионитах

Иониты (ионообменники) – это твёрдые нерастворимые вещества, обладающие свойством обменивать свои ионы на ионы, находящиеся в растворе. Это обычно синтетические полимеры сетчатого строения, содержащие группы, способные ионизироваться: –SO₃H, –CO₂H, –NOH и т. п.

Существует два класса ионитов: катионообменники (катиониты) и анионообменники (аниониты). Предположим, что имеется катионит, способный обменивать свои ионы А⁺. При соприкосновением его с раствором, содержащим катион В⁺, произойдёт реакция обмена ионами между полимером и раствором, которая приведёт к равновесию

А⁺_т + В⁺_р ↔ А⁺_р + В⁺_т (12.1)

(катионит) (раствор) (раствор) (катионит)

Поскольку при использовании ионитов всегда имеются две фазы, это создаёт возможности различных разделений. Например, если равновесие (12.1) сильно сдвинуто вправо, это означает, что катион В⁺, бывший вначале в растворе, количественно переходит в катионит и замещается в растворе катионом А⁺.

Обменная ёмкость катионита. Определённому количеству катионита отвечает определённое количество катионов, способных участвовать в реакциях обмена. Это количество часто выражают в миллиэквивалентах на 1 г катионита и называют обменной ёмкостью катионита.

Обменная ёмкость, отнесённая ко всему объему катионита, называется ёмкость поглощения.

Полной обменной ёмкостью катионита называют то количество катионов (г-экв), которое может задержать 1 м³ катионита до момента, когда концентрация катионов в фильтрате сравняется с концентрацией катионов исходной воды.

Рабочая обменная ёмкость катионита – это то количество катионов раствора (г-экв), которое задерживает 1 м³ катионита до момента проскока катионов в фильтрат.

Основные свойства катионитов

1. Некоторые из катионитов содержат сульфогруппы –SO₃H, водород которых замещается на металлы, превращая сульфогруппы в –SO₃М.

Все эти группы легко ионизируются. В отношении таких ионитов можно вывести правило: сродство катионов к полимеру тем больше, чем больше их заряд, так как с повышением заряда иона возрастает число связей этих ионов с радикалами ионита. Таким образом, сродство к иониту проявляется в порядке:

Th⁴⁺> Al³⁺ > Ca²⁺ > Na⁺,

и реакции, подобные:

2Na⁺_т + Ca²⁺_р → 2Na⁺_р + Ca²⁺_т (12.2)

проходят количественно. Для катионов, имеющих одинаковый заряд, порядок сродства к катиониту следующий:

Ag⁺ > Tl⁺> Cs⁺> Rb⁺> K⁺= NH₄⁺> Na⁺ > H⁺ > Li⁺ > (CH₃)₄N⁺.

Таким образом, H⁺ в катионите замещается всеми катионами за исключением Li⁺.

Для двухзарядных катионов порядок вхождения в катионит следующий:

Ba²⁺ > Pb²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ > Co²⁺ > Ni²⁺ = Cu²⁺ > Zn²⁺ > Mg²⁺ >Mn²⁺ = Be²⁺ > Cd²⁺.

1. Некоторые катиониты содержат в качестве активных радикалов группы –СООН.

По своим свойства они отличаются от предыдущих, поскольку многие ионы, в особенности ионы Н⁺, образуют с –СОО^- мало ионизованные соединения. Ясно поэтому, что если раствор кислый, то имеется мало возможности заместить ион Н⁺ в –СООН на какой-либо другой ион.

Расположение ионов в порядке их сродства к катиониту этого типа следующее:

Li⁺ > Na⁺ > K⁺.

2. Влияние концентрации. Регенерация катионита.

Допустим, имеется равновесие:

2Na⁺_т + Ca²⁺_р ↔ 2Na⁺_р + Ca²⁺_т . (12.3)

Равновесие это сильно сдвинуто вправо. Однако, если на катионит, содержащий кальций, подействовать 10%-ным раствором NaCl, то увеличение концентрации Na⁺_р сдвигает равновесие влево и ионы кальция извлекаются из катионита.

Таблица 12.1 – Названия и марки некоторых продажных катионитов

Группы активных радикалов катионита	Названия и марки катионитов
Группы активных радикалов катионита	зарубежные	российские
–ОН, –СН₂SO₃H	Zeo Carb 215, Lewatit KS	КУ-1
– SO₃H	Zeo Carb 225, Amberlite IRI 20, Dowex 50, Lewatit S-100, Wofatit KPS-200,	КУ-2, КУ-5, СБС
–ОН, –СООН	Zeo Carb 216	КФУ
–СООН	Zeo Carb 226, Amberlite IRC-520,	КБ-2, КБ-4, СГ-1

Примечание: КУ-1, КУ-2, КУ-2-8, КУ-5 – катиониты универсальные.

Примеры использования катионитов

1. Удаление из воды ионов железа происходит в результате ионного обмена между подвижными катионами активной группы катионита и ионами Fe²⁺, Fe³⁺.

Na⁺_т + Fe²⁺_р , Fe³⁺_р → Na⁺_р + Fe²⁺_т , Fe³⁺_т . (12.4)

2. Умягчение природной воды основано на способности нерастворимых в воде катионитов в Н⁺-форме или в Na⁺-форме вступать в ионный обмен с катионами жёсткости природной воды. Катионит поглощает из воды катионы жёсткости и отдаёт в воду эквивалентное количество катионов, которыми заряжен сам катионит.

2 R – H_т + Ca²⁺_р ® 2R – Ca_т + 2H⁺_р. (12.5)

Для хозяйственно-питьевых целей умягчают лишь некоторую часть воды с последующим смешением её с исходной водой. При этом количество умягчённой воды (Q_у, %) определяется по формуле, например для жесткости:

(12.6)

где Ж_{общ., исх.} – общая жесткость исходной воды, мг-экв/л;

Ж_{общ. с.} – общая жесткость воды, которая должна поступать в сеть, мг-экв/л;

Ж_у– общая жесткость воды после умягчения, мг-экв/л.

Формула выводится из пропорции:

(Ж_{общ., исх.} - Ж_{общ., с}_.) – 100 %,

(Ж_{общ. исх.} - Ж_у) – Q_у, %.

3.Умягчение и уменьшение минерализации природной гидрокарбонатной воды

При последовательном процессе Н⁺-, Na⁺-катионирования вода подается в водород-катионитовый фильтр, загруженный сильноосновным катионитом КУ-2-8, который служит для извлечения из воды катионов:

2(R – H) _т + Ca²⁺_р = 2R – Ca_т + 2H⁺_р, (12.7)

2(R – H) _т + Mg²⁺_р = 2R – Mg_т + 2H⁺_р, (12.8)

H⁺_р + HCO₃^-_р = H₂O_р + CO_2,_р . (12.9)

Образующийся в процессе водород-катионирования диоксид углерода в результате распада бикарбонатов удаляется в дегазаторе.

Технологическая схема заканчивается буферным натрий-катионитовым фильтром, который сглаживает возможные проскоки на предыдущих ступенях обработки и поддерживает постоянное значение величины рН в фильтрате.

R – Na_т + H⁺_р ® R –H_т + Na⁺_р. (12.10)

При параллельном процессе Н⁺-, Na⁺-катионирования одна часть воды пропусается через катионит в Na-форме, 2-я часть воды – через катионит в Н⁺-форме. Потом оба потока смешивают, до заданной остаточной щелочности (НСО₃^-, мг-экв/л).

1. В очищаемой исходной природной воде методом визуальной колориметрии определяют содержание железа, титриметрическим методом определяют НСО₃^-, О.Ж., Са²⁺, кондуктометрическим методом определяют минерализацию по электропроводности (χ), индикаторной бумагой определяют рН.

2. В коническую колбу с влажным катионитом КУ-2-8 в Н⁺-форме наливают 300 мл исходной природной воды. В течение 5 минут встряхиванием колбы перемешивают катионит с природной водой. Наблюдают выделение пузырьков СО₂ в гидрокарбонатной природной воде. Индикаторной бумагой определяют рН очищаемой воды.

3. Переливают очищаемую воду в коническую колбу с влажным катионитом КУ-2-8 в Na⁺-форме. В течение 5 минут встряхиванием колбы перемешивают катионит с природной водой.

4. Переливают очищаемую ионным обменом воду в чистую коническую колбу. Очищенную воду анализируют на содержание компонентов (определяют НСО₃^-, О.Ж., Са²⁺).

5. По формуле 12.6 рассчитывают долю очищаемой воды для получения заданного содержания компонента в воде.

6. Проводят процедуру смешивания очищенной и исходной вод.

7. Контролируют состав полученной воды, анализируя его на содержание компонентов (определяют НСО₃^-, О.Ж., Са²⁺).

«Метод ионного обмена на искусственных сорбентах.

Использование анионита для уменьшения содержания

SO₄^2- -иона и Cl^- -иона в природной воде»

Ионный обмен на искусственных сорбентах-анионитах

Существует два класса ионитов: катионообменники (катиониты) и анионообменники (аниониты). Предположим, что имеется анионит, способный обменивать свои ионы А^-. При соприкосновением его с раствором, содержащим анион В^-, произойдёт реакция обмена ионами между полимером и раствором, которая приведёт к равновесию