Обессоливание воды методом ионного обмена

ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА

 

Цель работы: проведение анализа питательной воды на жесткость. Умягчение воды методом ионного обмена (катионирования).

 

Вводная  часть:

Одним из методов устранения жесткости воды является метод ионного  обмена. Обработка воды методом ионного  обмена основана на пропускании ее через фильтрующий слой ионообменного материала (ионита), практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать (обмениваться) с содержащимися в воде ионами.

Иониты, или ионообменные смолы, представляют собой пористые полимерные частицы размером 0,2–1,0 мм, содержащие подвижные ионы, способные  к обмену. При пропускании воды через слой ионита происходит обмен  ионов электролитов, растворенных в  воде, на эквивалентное число ионов  из ионитов, в результате чего изменяется ионный состав воды и самих ионитов. Если в результате такой обработки воды происходит обмен катионами, то процесс называется катионированием, а само вещество – катионитом. При обмене анионами процесс называется анионированием, а ионообменный материал – анионитом. В катионитах в качестве подвижных ионов, способных к обмену, часто используются ионы водорода или натрия, связанные со сложными органическими радикалами (Rk), в анионитах – гидроксид-ионы, также связанные с радикалом (Ra).

Катионит в водородной или натриевой формах в воде обменивает подвижные ионы водорода (натрия) на ионы жесткости Ca2+ и Mg2+. Эти реакции идут следующим образом:

2HR_k + Ca²⁺ → CaR_k2 + 2H⁺; (1)

2NaR_k + Mg²⁺ → MgR_k2 + 2Na^+. (2)

При Н⁺-катионировании по мере поглощения ионов жесткости и выделения в воду обменных ионов водорода фильтрат приобретает кислую реакцию, т. к. происходит образование эквивалентной массы свободных минеральных кислот.

Увеличивается электропроводность воды, т. к. подвижность ионов водорода выше подвижности ионов металлов. Общее солесодержание воды оказывается меньше, чем у исходной воды, т.к. масса перешедших в воду ионов водорода меньше массы ионов Ca^2+, Mg^2+.

При Na⁺-катионировании вода приобретает щелочную реакцию. Общее солесодержание воды несколько возрастает, т. к. масса перешедших в воду ионов натрия выше эквивалентных масс магния и кальция. Электропроводность воды также несколько возрастает из-за появления в воде подвижных ионов гидроксида ОН^–.

По законам ионного  обмена в ряду активности катионов Na⁺, Ca^2+, Mg²⁺ каждый последующий катион поглощается катионитом интенсивнее, чем предыдущий. Каждый предыдущий ион может быть вытеснен из катионита последующим, если они находятся в сопоставимых концентрациях.

При фильтровании через слой анионита в ОН-форме происходит обмен ионов НСО₃^–, SO₄^2–, Сl^–, HSiO₃^– и др. исходной воды на ион ОН– в эквивалентном соотношении:

Ra(ОН) + НСО₃ → RaHCO₃ + ОН^–; (4)

Ra(ОН) + SO₄^2– → Ra₂SO₄ + 2OH^–; (5)

Ra(ОН) + Сl^– → RaCl + OH^–. (6)

При анионировании исходной воды общее солесодержание фильтрата снижается, т. к. масса ионов ОН^– меньше массы ионов Сl^–, SO₄^2–, HSiO₃^– и др. Вода приобретает щелочную реакцию. Электропроводность фильтрата будет выше,ч ем у исходной воды.

Ряд активности анионов: HSiO₃^–, НСО₃^–, SO₄^2–, Сl^–. Каждый предыдущий анион может быть вытеснен из анионита последующим, если они находятся в сопоставимых концентрациях.

Полное химическое обессоливание  воды ионитами применяют при общем солесодержании исходной воды до 1000 мг/л. Частичное обессоливание можно проводить при более высоком солесодержании – до 1500–2000 мг/л.

При пропускании воды через  слой ионита происходит истощение его  обменной емкости. Для восстановления обменной емкости фильтра необходимо проводить регенерацию ионита. Для регенерации катионита в Н-форму используют 1,5–3,5 %-й раствор H₂SO₄, для регенерации в Na^-форму катионит обрабатывают 4–5 %-м раствором хлорида натрия. Регенерацию анионита проводят, как правило, 3–4 %-м раствором гидроксида натрия. Соли, образовавшиеся в результате регенерации фильтра, удаляются из него при промывке фильтра.

По мере работы ионообменных фильтров катионит и анионит слеживаются, при этом не только возрастает гидравлическое сопротивление при фильтрации воды, но и уменьшается рабочая емкость ионита. Поэтому смола в фильтрах должна периодически взрыхляться, а рабочий цикл ионообменных фильтров предусматривает следующие операции: обработка исходной воды, регенерация анионита, промывка ионита от продуктов регенерации, взрыхление ионитного материала.

 

Приборы и материалы

Делительная воронка, заполненная  катионитом, бюретка, конические колбы для титрования, мерные цилиндры, 0,01 н раствор трилона Б, индикатор мурексид, 2 н раствор NаОН, 5 %-й раствор хлорида натрия для регенерации катионита.

 

Выполнение работы

1. Определить кальциевую  жесткость исходной питательной  воды по следующей методике.

В коническую колбу отмерить цилиндром 10 мл питательной воды. Добавить 5 мл 2 н раствора NаОН. Прилить 30 мл дистиллированной воды. На кончике шпателя добавить индикатор "мурексид". Титровать раствором трилона Б при интенсивном перемешивании до перехода окраски от розовой до фиолетово-синей.

Титрование повторить 3 раза до сходимости результатов на 0,2 мл. Для расчета взять средний  объем трилона Б, пошедшего на титрование:

Ж_Са (ммоль⋅экв/л) = V_{Тр.Б, ср..}

2. Подготовить катионит  к работе. Для этого промыть  его, пропустив через колонку вначале 5 %-й раствор хлорида натрия(100 мл), а затем дистиллированную воду (100 мл).

3. Отмерить мерным цилиндром  50 мл питательной воды и, пропустив  ее через колонку, заполненную катионитом, со скоростью 15–20 капель в мин, собрать обессоленную воду в колбу, либо стакан. Отметить время начала и конца процесса пропускания.

4. Определить кальциевую  жесткость обессоленной воды.

5. По окончании работы  залить в колонку с катионитом 5 %-й раствор хлорида натрия.

6. Используя полученные  данные, рассчитать производительность  колонки по формуле:

 

G=

 

где G – производительность колонки, л/ч;

V – объем пробы воды, мл;

τ – время обессоливания, с.

7. Записать уравнения  реакций, происходящих при Nа⁺ - катионировании воды.

8. Полученные результаты  занести в таблицу:

№ определения	Жесткость исходной воды, ммоль⋅экв/л	Жесткость обессоленной воды, ммоль⋅экв/л
1. 2. 3.
	ЖСа, ср. =	ЖСа ср. =

 

Контрольные вопросы

1. На чем основано применение  метода ионного обмена для  обессоливания воды?

2. Какие катионы и анионы  способны обмениваться на ионы  жесткостиСа^2+, Mg^2+, Сl^–, СО₃^2?

3. Запишите уравнения  реакций обмена, происходящих при  пропускании воды, имеющей в своем составе соли магниевой жесткости, через слой Н^- катионита.

4. С помощью каких растворов можно регенерировать катионит? анионит?

5. Как изменяется солесодержание  воды при Н^-катионировании?

6. Как приготовить 1 л  5%-го раствора NaОН?

7. Напишите уравнение  обессоливания раствора NaCl методом ионного обмене.

 

Использованная  литература

 

 

 

1. Лабораторный практикум по специальным разделам химии. Валерия Яковлевна Шапкина, Галина Павловна Щетинина.Наталья Владимировна Петроченкова
2. Водоподготовка и водно-химические режимы электростанций. В.А.Чиж, Н.Б.Карницкий