Объемная емкость ионитов. Большая энциклопедия нефти и газа

Цель работы – определить одну из основных физико-химических характеристик ионита – полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ).

Сущность работы . Максимальное количество ионов, которое может поглотить ионообменник, определяет его полную обменную емкость. Она соответствует концентрации ионогенных групп. Емкость выражается числом миллимоль эквивалентов обмениваемого иона, приходящимся на 1 г сухого (ммоль экв/г) или 1 мл набухшего ионита (ммоль экв/мл) при значениях рН, соответствующих его полной ионизации. Определение емкости ионитов проводят в статических или динамических условиях (в ионообменной колонке).

Емкость ионитов в динамических условиях определяют по выходным кривым, построенным в координатах «Концентрация обмениваемого иона на выходе из колонки – объем элюата». По ним находят полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ) и динамическую обменную емкость до проскока (ДОЕ), которая показывает количество поглощенных ионов до момента появления их в элюате (проскока).

В лабораторной работе необходимо определить ПДОЕ сильнокислотного катионита КУ-2 по меди (II). Для этого раствор CuSO 4 непрерывно пропускают через колонку, заполненную катионитом КУ-2 в Н + –форме, и собирают отдельные порции вытекающего раствора (элюата ) в мерные колбы для последующего определения концентрации Cu 2+ в каждой из них.

При пропускании раствора CuSO 4 через слой ионита протекает реакция ионного обмена:

2 R–SO 3 H + CuSO 4 Û (R–SO 3) 2 Cu + Н 2 SO 4 .

В первых порциях элюата ионы Cu 2+ должны отсутствовать, так как слой ионита будет постепенно насыщаться этими ионами по мере пропускания раствора. Затем наступит проскок ионов Cu 2+ в элюат, после которого концентрация Cu 2+ на выходе из колонки будет увеличиваться, пока не сравняется с концентрацией Cu 2+ на входе в колонку, что свидетельствует о полном насыщении слоя ионита.

Анализ элюата на содержание ионов Cu 2+ проводится фотометрически. Определение основано на образовании аммиаката меди (II), обладающего интенсивной синей окраской:

Cu 2+ + 4NH 3 ↔ 2+ .

Максимум светопоглощения этого соединения соответствует λ = 620 нм. Для нахождения неизвестной концентрации используется метод градуировочного графика.

Оборудование, посуда, реактивы : колонка с сульфокатионитом КУ-2 в водородной форме; фотоэлектроколориметр; кюветы (l = 3 см); склянка Мариотта для равномерной подачи раствора в колонку; стаканы; мерные колбы вместимостью 25,0 мл (3 шт.) и 50,0 мл (6 шт.); градуированные пипетки; цилиндр мерный вместимостью 25 мл, 0,1 н. стандартный раствор СuSO 4 ; 3 н. раствор HCl; реактивы для обнаружения Cu 2+ ; 5%-ный водный раствор NH 3 ; универсальная индикаторная бумага.

Выполнение работы

1. Подготовка ионита к работе . В работе используется заранее подготовленная колонка с катионитом, навеску которого необходимо уточнить у преподавателя.

Прежде всего необходимо перевести катионит в водородную форму. Для этого через колонку пропускают 80–100 мл 3 н. раствора HCl, проверяя фильтрат на содержание Cu (II). В качестве аналитических реагентов для обнаружения меди (II) можно использовать раствор NaOH или KOH (образуется голубой осадок Cu(OH) 2), водный раствор NH 3 (образуется аммиачный комплекс меди (II) интенсивно синего цвета ) и др.

При отсутствии катионов Cu (II) в фильтрате катионит в колонке промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции. В таком виде ионит считается подготовленным к работе.

2. Проведение ионного обмена в динамических условиях . В склянку Мариотта, присоединенную к верхней части колонки, заливают раствор CuSO 4 . Затем начинают пропускать его через слой катионита, поддерживая постоянной (~ 1 мл/мин) скорость фильтрации и регулируя ее на выходе винтовым зажимом. При выполнении работы необходимо следить за тем, чтобы уровень раствора в колонке поддерживался постоянным. Фильтрат собирают отдельными порциями в мерные колбы вместимостью 25,0 мл и в каждой из них определяют концентрацию Cu (II) (см. ниже ).

Пропускание раствора CuSO 4 через катионит прекращают тогда, когда содержание насыщающего иона Cu (II) в последних двух пробах остается постоянным.

3. Проведение анализа .

§ Построение градуировочного графика . Аликвоты стандартного 0,1 н. раствора CuSO 4 (1,00; 2,50; 4,00; 5,00; 6,00 мл) помещают в мерные колбы вместимостью 50,0 мл, добавляют в каждую колбу по 25 мл 5%-ного раствора аммиака и дистиллированную воду до метки. В мерной колбе той же вместимости готовят раствор сравнения, содержащий 25 мл раствора аммиака.

Измеряют светопоглощение (А ) одного из приготовленных растворов в кювете с толщиной слоя 3 см со всеми светофильтрами и по зависимости A = f (λ) проводят выбор светофильтра.

Затем измеряют светопоглощение всех эталонных растворов при выбранном светофильтре. Проводят обработку результатов измерений методом наименьших квадратов, желательно с использованием ПК, и строят градуировочный график в координатах A – С , ммоль экв/мл.

§ Анализ фильтрата . Каждую собранную порцию элюата (25,0 мл) количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50,0 мл и разбавляют до метки 5%-ным раствором аммиака. Измеряют светопоглощение по отношению к раствору сравнения и находят по градуировочному графику концентрацию Cu (II) в растворе.

Если измеренное значение A ≥ 0,6, то аликвоту этого раствора (10,0 мл) помещают в мерную колбу вместимостью 50,0 мл, прибавляют 20 мл 5%-ного раствора NH 4 OH и разбавляют дистиллированной водой до метки. Полученный раствор фотометрируют. При расчете концентрации меди (II) в каждой порции элюата необходимо учитывать проведенное разбавление.

4. Обработка полученных данных .

4.1. Расчет ПДОЕ :

· по измеренному значению светопоглощения (А ) каждого из растворов определяют концентрацию ионов Cu (II), используя градуировочный график;

· по закону эквивалентов рассчитывают концентрацию ионов Cu (II) во всех порциях элюата (25 мл), учитывая все предварительно сделанные разбавления;

· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) в общем объеме пропущенного раствора по формуле

где V (Cu 2+) = 25 мл – объем одной порции элюата; p – количество порций.

· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) во всех порциях элюата по формуле

где С i (1/2 Cu 2+) – концентрация меди в i -й порции элюата.

· по разности находят количество ммоль экв Cu (II), поглощенных ионитом:

· значение динамической обменной емкости ионита (ПДОЕ) рассчитывают по формуле

В некоторых случаях по указанию преподавателя, кроме того, рассчитывают ДОЕ.

4.2. Построение выходной кривой . По полученным данным строят выходную кривую, откладывая по оси абсцисс объем элюата (мл) от начала опыта, а по оси ординат – концентрацию меди (II) в каждой порции элюата (ммоль экв/л).

Иониты — твердые, нерастворимые полиэлектролиты, природные или искусственные (синтетические) материалы, широко используемые для процессов очистки воды: от катионов кальция и магния (умягчения), от анионов органических кислот, деминерализации и некоторых других специальных применений.

По химической природе иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими.

Наиболее характерными природными неорганическими ионитами являются цеолиты . К ионитам также можно отнести глины, слюду, оксиды графита, соли поликислот титана, ванадия и многие другие соединения.

Ионообменные смолы

Синтетические, искусственно полученные иониты называются ионообменными смолами .

Ионообменные смолы - это высокомолекулярные поперечно сшитые соединения, образующие полимерную матрицу, содержащую функциональные группы кислотного или основного типа, которые диссоциируют или способны ионизироваться в воде.

• функциональными группами кислотного типа являются: -СООН; -SО 3 Н; -РО 4 Н 2 и др.
• функциональными группами основного типа являются: ≡N; =NH; -NH 2 ; -NR 3+ и др.

По внешнему виду ионообменные смолы - это сферические материал диаметром от 0,3 до 2,0 мм (основной размер в пределах 0,5..0,8 мм), от почти бесцветного до желто-коричневого цвета, как правило, слегка слипшиеся (поскольку влажные).

По структуре ионообменные смолы могут обладать гелевой, макропористой и промежуточной структурой, что определяется степенью сшивки полимерных молекул. Гелевая ионообменная смола обладает способностью к ионному обмену только во влажном (набухшем) состоянии, потому что у нее отсутствует истинная пористость. Макропористая ионообменная смола характеризуется наличием пор, имеющих развитую поверхность, поэтому она способна к ионному обмену как в набухшем, так и в не набухшем состоянии.

Схема зерна ионообменной смолы, анионита и катионита соответственно, в общем виде выглядит так:

1. полимерная матрица
2. ионные функциональные группы полимерной матрицы
3. противоионы

Упомянутые выше функциональные группы способны вступать в реакции ионного обмена с ионами растворенных веществ (примесями - применительно к воде). Если матрицу ионообменной смолы обозначить как R, то реакция такого обмена выглядит:

а) R - - H + + Na + + Cl - → R - - Na + + H + + Cl -

б) R + - OH - + Na + + Cl - → R + - Cl - + Na + + OH -

По такой реакции легко обмениваются катионы солей жесткости, ионы железа, марганца.

Из вышеприведенных реакций видно, что ионообменные смолы могут обменивать катионы (а) - в таком случае они называются катионитами, или обменивать анионы (б) - в этом случае они называются анионитами. Кроме указанных ионообменных реакций на ионообменных смолах возможны реакции комплексообразования и окислительно-восстановительные, а также физическая сорбция.

Сорбционные свойства ионообменных смол определяются не только характером функциональных групп, но и кислотностью (водородным показателем рН) очищаемой воды.

Классификация ионообменных смол

В зависимости от функциональных групп, введенных в полимерную цепь ионообменной смолы, различают:

• -SO 3 H - сильнокислотный катионит,
• -COOH - слабокислотный катионит.

Сильнокислотный катионит обменивает катионы любой степени диссоциации в растворах при всех возможных значениях рН. Слабокислотный катионит обменивает катионы из растворов кислот при значениях рН >5.

• -NH 2 , =NH, ≡N - слабоосновный анионит,
• -NR 3 + Hal - - сильноосновный анионит.

Сильноосновный анионит обменивает анионы любой степени диссоциации в растворах при всех возможных значениях рН. Слабоосновный анионит обменивает анионы из растворов щелочей при значениях рН <8..9.

Характеристики ионитов и ионообменных смол

Важнейшими характеристиками ионитов являются:

• полная (общая) обменная емкость — это максимальное число милиграмм-эквивалентов (мг-экв) ионов вещества, поглощаемых единицей массы или объема ионита в условиях равновесия с раствором электролита,
• динамическая (рабочая) обменная емкость - это максимальное число мг-экв ионов, поглощаемых единицей массы или объема в условиях фильтрации раствора через слой ионита до «проскока» ионов в фильтрат.

Значения полной обменной ёмкости большинства ионообменных смол лежат в пределах 2..5 мг-экв/г (1..2,5 г-экв/дм 3). Процедура определения обменной ёмкости стандартизована.

Динамическая (рабочая) обменная ёмкость всегда меньше статической в связи с тем, что она зависит от следующих факторов:

• природы ионообменной смолы,
• его гранулометрической состава,
• качества исходной воды, причем зависимость определяется не только общим количеством улавливаемых ионов, но и их соотношением друг с другом, наличием в исходной воде железа, марганца, органических примесей,
• значения рН исходной воды, ее температуры и температуры регенерационного раствора,
• равномерности прохождения очищаемой воды через слой ионита,
• природы регенеранта, его чистоты, концентрации, удельного расхода,
• требуемых показателей качества получаемой воды после фильтрования через ионообменную смолу,
• высоты слоя ионита, скорости рабочего, регенерационного и взрыхляющего фильтрования,
• удельного расхода отмывочной воды,
• площади фильтрования (площади горизонтального сечения фильтра),
• добавления к регенерационному раствору комплексообразователей и других факторов.

Обменная емкость ионитов является их важнейшей технологической характеристикой. Способность к ионному обмену определена, как известно, наличием в ионитах функциональных групп, которые у катионитов носят кислотный характер -SO 3 H (сульфогруппа), -COOH (карбоксильная группа), у анионитов - основной. Монофункциональные катионы, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными (сильно диссоциирующими), а содержащие карбоксильные группы - слабокислотными (слабо диссоциирующими). Сильнокислотные катиониты(например, КУ-2-8) осуществляют обмен ионов практически при любых значениях pH среды, так как их функциональные группы диссоциируют, как и сильные кислоты, при любыхзначениях pH. Слабокислотные функциональные группы в кислой среде практически остаются в недиссоциированном состоянии, что резко уменьшает способность карбоксильных катионитов (типа КБ) к ионному обмену в таких условиях, поэтому их рекомендуется применять при обработке растворов с pH ³ 7. Отечественный катионит "сульфоуголь" содержит оба типа функциональных групп, поэтому его относят к среднекислотным катионитам.

Функциональными группами анионитов являются различные амины (-NH 2 , =NH, ºN), расположенные в порядке возрастания силы их основности, а также группы четвертичного аммониевого основания (-NR 3 OH). При присоединении первых трех групп образуются слабоосновные аниониты, а группа -NR 3 OH придает аниониту сильноосновной характер. Аминогруппы способны присоединять ион водорода с образованием комплексов -NH 3 , =NH 2 (потенциалообразующих ионов) с последующим образованием диффузного слоя противоионов. Из-за низкой основности функциональных аминогрупп слабоосновные аниониты работоспособны лишь в кислых средах и могут осуществлять ионный обмен только с анионами сильных кислот(Cl - , SO 4 2- , NO 3 -).

Сильноосновные (сильно диссоциирующие) аниониты с группой -NR 3 OH вступают в обменные реакции с анионами как сильных, так и слабых кислот (например, HCO 3 - , HSiO 3) в широкой области значений pH. Среди сильноосновных анионитов различают - аниониты типа 1 с функциональной группой -N(CH 3) 3 OH и типа 2 с группой -N(CH 3) 2 · (CH 2 · CH 2 OH)OH. Их отличие состоит в том, что анионит типа 2 хуже поглощает анион HSiO 3 - , но имеет более высокую обменную емкость и лучшую регенерируемость по сравнению с анионитом типа 1.

Возвращаясь к понятию "обменная емкость" ионитов, отметим, что на практике различают полную обменную емкость и рабочую обменную емкость . Полная обменная емкость ионита, выраженная в эквивалентах на единицу объема смолы, определяется числом привитых к матрице функциональных групп. Примерные значения полных обменных емкостей (E п) для ионитов различных типов приведены в табл. 4.2.

Заранее благодарю за ответ.

С100Е - сильнокислотная катионообменная смола гелевого типа, обладающая высокой обменной емкостью, химической и физической стабильностью и превосходными рабочими характеристиками. С100Е эффективно задерживает взвешенные частицы, а также, в кислотной (Н+) форме, удаляет ионы железа и марганца.

Высокая обменная емкость позволяет получать воду с общей жесткостью порядка 0,05 мг-экв/л, а превосходная кинетика ионного обмена - добиться высоких скоростей потока. При использовании С100Е проскок ионов, обусловливающих жесткость воды в нормальных рабочих условиях, как правило, не превышает 1% от общей жесткости исходной воды. При этом обменная емкость смолы практически не изменяется при условии, что доля одновалентных ионов не превышает 25%.

С100Е не растворим в растворах кислот и щелочей и во всех обычных органических растворителях. Присутствие в воде остаточных окислителей (например, свободного хлора или ионов гипохлорита) может привести к уменьшению механической прочности частиц катионообменной смолы. С100Е термически стабильна до температуры 150оС, однако при высоких температурах обменная емкость катионообменной смолы в кислотной (Н+) форме снижается.

Технические характеристики

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
свободное пространство над загрузкой - 50%
размер зерен 0.6мм до 90%
Насыпной вес 820гр/л
Содержание воды (влажность) 42-48%
Общая емкость до 2 гр экв/л
рабочая температура от 4 – 120 0 С
рН воды 0 - 14
переход ионов Na на Н - 8%
высота слоя от 0.8 - 2м
скорость при сервисе от 5 - 40м/час
удельная скорость сервиса 20ОЗ/час
скорость обратной промывки при 20 С от 10 - 12м/час
объем воды для обратной промывки при новой загрузке 20ОЗ
объем воды для обратной промывки 4ОЗ
объем воды для медленной промывки соли 4ОЗ
расход соли при регенерации на 1л загрузки - 150гр
остаточная жесткость - 0.5мг экв/л
удельное потеря давления в кПа м 2 высоту загрузки - 1
потеря давления в 11мбар при 4 о С на 1м высоты загрузки
скорость при регенерации - 5м/час
скорость при промывке соли водой - 5м/час

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
отсутствие в воде окисленного железа (Fe 3+)
отсутствие в воде растворенного кислорода
отсутствие органических веществ в воде
отсутствие в воде любых окислителей
после натрий - умягчения повысится общая щелочность и сухой остаток.
сильные окислители такие как азотная кислота может вызвать сильную реакцию
взвешенные вещества в исходной воде до 8 мг/л
цветность исходной воды до 30 0 С
мутность исходной воды до 6 мг/л
общая жесткость исходной воды до 15 мг экв/л

Ниже приводятся методики расчета обменной емкости и других параметров катионита.

Рабочую обменную емкость катионита Е ф г÷экв/ м3, можно выразить следующей формулой:

Е ф = Q x Ж; Ер = ер x Vк.

Объем загруженного в фильтр катионита в набухшем состоянии выражается формулой:

Формула для определения рабочей обменной емкости катионита ep, г÷экв/ м 3:

ер = Q x Ж/S x h;

где Ж - жесткость исходной воды, г÷экв/ м3; Q - количество умягченной воды, м 2 ; S - площадь катионитового фильтра, м 2 ; h - высота слоя катионита, м.

Обозначив скорость движения воды в катионите как v k , количество умягченной воды Q можно найти по следующей формуле:

Q = v k x S x Tk = ер x S x h /Ж;

откуда можно вычислить и длительность работы катионитового фильтра Тк:

Tk = ер x h/v k x Ж.

Расчет обменной емкости катионита возможно также произвести и по коррелирующим графикам.

Исходя из приближенных практических данных, Ваш фильтр сможет очистить не более 1500 л. воды. Для более точных расчетов необходимо знать количество (объем) смолы в вашем фильтре и рабочую обменную емкость вашей смолы (для катионнообменных смол рабочая емкость варьирует от 600 до 1500 мг.-экв/л). Зная эти данные, Вы легко вычислите точное количество умягченной воды по приведенным ваше формулам.

Материалы ВИОН применяются для очистки вентиляционных отходящих газовых выбросов промышленности от растворимых компонентов, аэрозолей кислот и солей тяжелых металлов, где их используют главным образом в виде нетканых иглопробивных полотен.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита ВИОН КН-1 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор CuCl 2 (3,6 ммоль/л). Далее отдираем пробы по 50 мл титрованием. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и находим концентрацию меди. Результаты представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.

Рис. 3.4

Процесс сорбции заключается в полном поглощении первых порций катионов катионитом, причем область поглощения постепенно перемещается по колонке к выходу. После этого наступает момент, когда, в силу исчерпания емкости катионита, катионы начинают выходить из колонны. Из графика видно, что концентрация меди на выходе из колонки увеличивается постепенно и имеет вид S-образной кривой, начиная от нулевых концентраций до максимальной. Эта кривая растягивается при маленьких концентрациях солей.

Рассчитали количество меди, поглотившегося колонкой до полного насыщения катионита, как площадь фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации:

н = ?Vi*(Cmax - Ci) (3)

где Vi = 50 мл,

Cmax = 3,6ммоль

н1 = 2,20 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1/m к = 2,20/2 = 1,10 ммоль/гр. катионита.

Обсуждение результатов

В ходе экспериментальных работ определили полную обменную емкость трех различных катионитов (КУ-2-8, КУ-1, ВИОН КН-1). Результаты представлены на рисунке 3.5.

Полная обменная емкость катионита пропорциональна площади фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации. Как видно из рисунка 3.5. Емкости различных ионитов различны и меньше полной обменной емкости катионитов заявленных в паспорте. Так полная обменная емкость катионита КУ-2-8 найдена эксперементальным путем ниже паспортного значения на 28%, полная обменная емкость КУ-1 ниже паспортного значения на 57%, а ПОЕ катионита ВИОН КН-1 ниже на 39%. Эти данные необходимо учитывать при расчете и конструировании ионообменных аппаратов и фильтров.