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. 15 из 18)

А^-_т + В^-_р ↔ А^-_р + В^-_т (13.1)

(анионит) (раствор) (раствор) (анионит)

Поскольку при использовании анионитов всегда имеются две фазы, это создаёт возможности различных разделений. Например, если равновесие (13.1) сильно сдвинуто вправо, это означает, что анион В^-, бывший вначале в растворе, количественно переходит в анионит и замещается в растворе анионом А^-.

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

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

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

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

Основные свойства анионитов

1. Некоторые из анионитов содержат радикалы, образующие при ионизации ОН^--ионы или четырёх замещённые производные аммония (≡ N–). В этом случае порядок сродства к аниониту следующий:

Цитрат-ион > SO₄^2- > С₂О₄^2- > J^- > NO₃^- > CrO₄^2- > Br^- > CN^- > HSO₃^- > Cl^- >

> HCOO^- > OH^- > F^- > CH₃COO^-.

2. Если анионит содержит группу ≡ NH⁺, то порядок присоединения ионов следующий:

ОН^- > SO₄^2- > CrO₄^2- > цитрат > тартрат > NO₃^- > арсенат > фосфат >

> молибдат > CH₃COO^-, J^-, Br^- > Cl^- > F^-.

3. Активные группы анионитов легко ионизируются. В отношении таких ионитов можно вывести правило: сродство анионов 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 аниониту проявляется в порядке:

Fe(CN)₆^4-> Fe(CN)₆^3- > SO₄^2- > Cl^- ,

и реакции, подобные:

2 Cl^-_т + SO₄^2-_р → 2 Cl^-_р + SO₄^2-_т (13.2)

проходят количественно.

8. Многие из хлоридных комплексов, мало устойчивые в растворе, прочно закрепляются в анионите:

Cl^-_т + Fe³⁺ + 3 Cl^- ↔ (FeCl₄^-)_т . (13.3)

Так можно отделить и уран в виде его анионного комплекса – сульфатного, ацетатного, нитратного или хлоридного:

2SO₄^2-_т + UO₂²⁺ + SO₄^2- ↔ UO₂(SO₄)₃^4-_т (13.4)

9. Влияние концентрации. Регенерация анионита.

Допустим, имеется равновесие:

2 Cl^-_т + SO₄^2-_р ↔ 2 Cl^-_р + SO₄^2-_т. (13.5)

Равновесие это сильно сдвинуто вправо. Однако, если на анионит, содержащий сульфат-ион, подействовать 10%-ным раствором NaCl, то увеличение концентрации Cl^-_р сдвигает равновесие влево и ионы SO₄^2-извлекаются из анионита.

Если природную воду пропустить сначала через анионит, потом через катионит, то в ней не останется никаких ионов. Например, если природная

10. вода содержала макрокомпонентами Na⁺-ионы и SO₄^2--ионы, то при прохождении через анионит в ОН^--форме произойдёт реакция:

2ОН^-_т + SO₄^2-_р → SO₄^2-_т + 2ОН^-_р, (13.6)

затем при прохождении через катионит в Н⁺-форме:

Н⁺_т + Na⁺_р → Na⁺_т + Н⁺_р (13.7)

и одновременно:

2Н⁺_р + 2ОН^-_р → 2 Н₂О. (13.8)

Таблица 13.1 – Названия и марки некоторых продажных анионитов

Группы активных радикалов анионита	Названия и марки анионитов
Группы активных радикалов анионита	зарубежные	российские
–R₃N⁺–	Amberlite IRA-400, Lewatit M II, Wofatit L	АВ-17
– NR₂_:	Amberlite IR-45, Dowex 3, De-Acidite G, H	ЭДЭ-10П, АН-2Ф, АН-1, АН-9, ММГ-1
–ОН, циклические аминокислоты	De-Acidite F, Amberlite IR-4B

Примечание: АН – аниониты.

Примеры использования анионитов

1. Удаление из природной воды ионов SO₄^2-происходит в результате ионного обмена между подвижными анионами активной группы анионита Cl^-_ти ионами SO₄^2-_р:

Cl^-_т + SO₄^2-_р → Cl^-_р + SO₄^2-_т . (13.9)

2. Удаление из природной воды Cl^- природной воды основано на способности нерастворимых в воде анионитов в ОН^--форме или в НСО₃^--форме вступать в ионный обмен с анионами Cl^-_р природной воды. Анионит поглощает из воды анионы Cl^-_р и отдаёт в воду эквивалентное количество анионов, которыми заряжен сам анионит.

R–ОH^-_т + Cl^-_р ® R–Cl^-_т + ОH^-_р. (13.10)

Для хозяйственно-питьевых целей пропускают через иониты лишь некоторую часть воды с последующим смешением её с исходной водой. При этом количество обработанной ионным обменом воды (Q_и.о., %) определяется по формуле:

(13.11)

где Cl^-_исх. – содержание ионов хлора в исходной воде, мг-экв/л;

Cl^-_с. – содержание Cl^--ионов в воде, которая должна поступать в сеть, мг-экв/л;

Cl^-_и.о. – содержание Cl^--ионов в воде после ионного обмена, мг-экв/л.

Формула выводится из пропорции:

(Cl^-_исх. - Cl^-_с.) – 100 %,

(Cl^-_исх. - Cl^-_и.о.) – Q_и.о., %.

3.Уменьшение минерализации природной хлоридной натриевой воды

При последовательном процессе ионного обмена на фильтрах в ОН^--форме и Н⁺-форме вода подается вначале в гидроксил-анионитовый фильтр, загруженный сильноосновным анионитом АВ-17, который служит для извлечения из воды анионов Cl^-_р :

R–ОH^-_т + Cl^-_р ® R–Cl^-_т + ОH^-_р, (13.12)

затем в водород-катионитовый фильтр, загруженный сильноосновным катионитом КУ-2-8, который служит для извлечения из воды катионов Na⁺_р:

(R – H) _т + Na⁺_р = R – Na⁺_т + H⁺_р, (13.13)

одновременно происходит реакция:

H⁺_р + OН^-_р = H₂O. (13.14)

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. (12.15)

Ход выполнения работы

1. В очищаемой исходной природной воде методом турбидиметрии определяют содержание SO₄^2--ионов, титриметрическим методом определяют содержание Сl^--ионов, кондуктометрическим методом определяют минерализацию по электропроводности (χ), индикаторной бумагой определяют рН.

1. В коническую колбу с влажным анионитом ЭДЭ-10П (для удаления SO₄^2--ионов) или АВ-17 (для удаления Cl^--ионов) в ОН^--форме наливают 300 мл исходной природной воды. В течение 5 минут встряхиванием колбы перемешивают анионит с природной водой. Индикаторной бумагой определяют рН очищаемой воды.

2. Переливают очищаемую воду в коническую колбу с влажным катионитом КУ-2-8 в Н⁺-форме. В течение 5 минут встряхиванием колбы перемешивают катионит с природной водой. 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. Индикаторной бумагой определяют рН очищаемой воды.

4. Переливают очищенную ионным обменом воду в чистую коническую колбу. Очищенную воду анализируют по п. 1.

1. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. – М.: Высшая школа, 1987.

2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. – Киев: Высшая школа, 1981.

Г. Шарло. Методы аналитической химии. Количественный анализ неорганических соединений. – М.-Л.: Химия, 1966. – С. 126–134

§ 5. Теоретическая часть по выбранным методам улучшения качества воды

(Краткое описание сути метода с приведением формул физико-химического процесса и расчёта доз реагентов).

§ 6. Рекомендации по улучшению качества воды

Привести формулу расчёта процента или доли объёма очищаемой воды (V_очищ., %, доля), в соответствии, с требуемыми показателями качества воды (НПБЗК, ПДК_п, ПДК_Р, котловой воды и т.д.).

§ 7. Экспериментальная часть по улучшению качества воды

7.1. Реактивы, посуда, установка.

7.2. Методика эксперимента (последовательность операций)

7.3. Результаты анализа компонента воды в ходе эксперимента

(табл., графически в координатах С, мг/л -– V, мл воды).

7.4. Словесное описание полученной графической зависимости.

§ 8. Заключение