Методы ионного обмена

Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами , обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде.

В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов

Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в воду переходят катионы натрия или водорода. Химизм Na-катионирования описывается уравнениями реакций:

2NaR + Ca(HCO₃)₂ = CaR₂ + 2NaHCO₃

2NaR + Mg(HCO₃)₂ = MgR₂ + 2NaHCO₃

2NaR + CaSO₄ = CaR₂ + Na₂SO₄

2NaR + MgCl₂ = MgR₂ + 2NaCl

(где R – комплекс катионита, практически нерастворимый в воде)

Процесс Н-катионирования описывается следующими уравнениями реакций:

2НR + Ca(HCO₃)₂ = CaR₂ + 2CO₂ + 2Н₂О

2НR + Mg(HCO₃)₂ = MgR₂ + 2СО₂ + 2Н₂О

2НR + CaSO₄ = CaR₂ + Н₂SO₄

2НR + MgCl₂ = MgR₂ + 2НCl

(где R – комплекс катионита, практически нерастворимый в воде)

Таким образом, после Na-катионирования получается фильтрат со щелочной средой, а после Н-катионирования – фильтрат с кислой средой. Смешивая оба фильтрата в определенной пропорции, можно получить практически полностью умягченную воду.

Каждый обменный катионит обладает определенной обменной способностью, которая выражает то количество катионов, которое может задержать (обменять) катионит в течение фильтроцикла.

Обменной емкостью катионита называют максимальное количество ионов (в мэкв/л или мэкв/г), поглощаемое 1г катионита обменным путем.

ε =Ж V/m, (3)

где V-объем воды, пропущенный через катионит, л; Ж –жесткость воды, мэкв/л;

m- масса катионита, г.

Пример 3. Вычислите обменную емкость сульфоугля, если через адсорбционную колонку, содержащую 50г сульфоугля, пропущено 11,35л воды с общей жесткостью 8,5 мэкв/л (до появления катионов кальция и магния в фильтрате).

Решение: Объемная емкость сульфоугля равна:

ε =Ж V/m = 8,5·11,35/50 = 1,93 мэкв/л

Ответ: ε = 1, 93мэкв/л.

Количество катионов кальция и магния, которое может быть поглощено определённым количеством катионита, называется ёмкостью поглощения (Еп). Ёмкость поглощения определяется количеством ионов (в мэкв) на 1 кг сухого катионита (мэкв/кг) или на 1 м³ набухшего катионита (мэкв/м³).

Пример 4. Через катионитовый фильтр, рабочий объём которого равен 3,0 м³, пропускают воду, жесткость её 6,5 мэкв/м³. Объемная скорость течения воды —10 м³|ч.Определить емкость поглощения катионита (Еп) в (мэкв/м³),если фильтр работает без регенерации 2,5 сут.

Решение:В течение 2,5 сут, т. е. 60 ч, через фильтр проходит воды:

10 × 60 = 600 (м³).

Найдем число миллиэквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 600 м³ воды.

6,5 мэкв/м³.600 м³ = 3900 мэкв.

Емкость поглощения катионита, объем которого равен 3,0 м³, составляет:

Еп = 3900 мэкв: 3 м³ = 1300 мэкв/м³

Ответ: Еп = 1300мэкв/м³.

Пример 5. Определить потребность катионита (алюмосиликата) в м³ для умягчения 500 т воды, жесткость которой равна 7,5 мэкв/л. Емкость поглощения катионита — 850 мэкв/м³; плотность воды—1000 кг/м³.

Решение:

В 1 м³ воды содержится:

7,5 × 1000 / 1000 = 7,5 (мэкв/м³)

Число миллиэквивалентов жесткости в 500 т воды составляет:

7,5 мэкв/м³ • 500 м³ = 3750 мэкв.

Потребность катионита в м³ с учетом емкости поглощения равна:

3750 мэкв / 850 мэкв/м³ = 4,4 м³

Обменная способность катионита постепенно истощается. Её можно восстановить, пропуская через катионит раствор поваренной соли (для регенерации Na-катионита), а также раствор серной или соляной кислоты (для регенерации Н-катионита). Химизм регенерации катионита описывается реакциями:

CaR₂ + 2NaCl = 2NaR + CaCl₂

MgR₂ + 2NaCl = 2NaR + MgCl₂

CaR₂ + H₂SO₄ = 2HR + CaSO₄

MgR₂ + H₂SO₄ = 2HR + MgSO₄

Заключительная операция регенерации катионита состоит в отмывке его от избытка регенерирующего раствора и продуктов регенерации (соединений кальция и магния, вытесняемых из катионита). Отмывку производят обычно током воды сверху вниз. После отмывки катионита фильтр вновь включают в работу.

Главным достоинством метода катионирования является то, что катиониты можно использовать многократно (200 – 250 циклов).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПЫТ1. Определение общей жесткости воды комплексонометрическим методом.

Отберите мерным цилиндром 100мл водопроводной воды и перенесите ее в коническую колбу; добавьте к исследуемой воде 5-7мл аммиачного буферного раствора и несколько кристалликов (на кончике шпателя) эриохром черного Т.

Приготовленную пробу медленно при постоянном перемешивании оттитруйте раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую. Результат титрования запишите.

Повторите титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (∆V≤0,1мл), рассчитайте общую жесткость воды. В противном случае оттитруйте еще одну пробу воды. Найдите средний объем раствора комплексона III, израсходованный на титрование воды.

Общую жесткость воды рассчитывают по закону эквивалентов (мэкв/л):

Ж = V₂ N₂ 1000/ V₁,

где V₁ – объем анализируемой воды, мл;

V₂- объем раствора комплексона III, мл;

N₂- молярная концентрация эквивалента раствора комплексона III, моль-экв/л;

1000 – коэффициент перевода моль-экв/л в мэкв/л.

ОПЫТ 2. Умягчение воды методом катионирования

Через фильтр (колонку, заполненную катионитом) пропустите 300-400мл водопроводной воды. Скорость фильтрования регулируется зажимом и не должна превышать 15 капель в минуту. Умягченную воду соберите в стакан, ополоснутый первыми порциями фильтрата.

Коническую колбу и мерный цилиндр ополосните умягченной водой. Определите общую жесткость умягченной воды (см. опыт 1).

Сделайте вывод, на сколько понизилась жёсткость воды после ее умягчения.
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

№1

А.Вода содержит 0,12 г MgSO₄ и 0,243 г Са(НСОз)₂ на 1 литр. Определить общую жёсткость воды. Привести реакции фосфатного метода умягчения воды, содержащей данные соли.

Б. Устранение временной жёсткости 100 л воды, вызванной присутствием гидрокарбоната магния, потребовало 4 г гидроксида натрия. Составить уравнение реакции и рассчитать, чему равна жёсткость воды.

В. Сколько гашёной извести необходимо прибавить к 1 м³ воды, чтобы устранить временную жёсткость, равную 7,2 мэкв/л? Привести соответствующее уравнение реакции.

Г. Какая масса сульфата кальция содержится в 200 л воды, если жёсткость, обуславливаемая этой солью, равна 8 мэкв/л? Привести уравнение реакции бариевого метода умягчения воды.

Д. Карбонатная жёсткость воды равна 5 мэкв/л. Вычислить, какое количество гидрокарбоната кальция содержится в 5 л этой воды (ответ выразить в граммах). Составить уравнение реакции термического умягчения воды..

Е. Вычислить временную жёсткость воды, зная, что для реакции с гидрокарбонатом магния, содержащемся в 200 см³ воды, требуется 15 см³ 0,08 н раствора соляной кислоты. Привести уравнение соответствующей реакции.

Ж. При определении общей жесткости воды комплексометрическим методом на титрование 200 мл исследуемой воды пошло 5,5 мл 0,1 н раствора комплексона III. Вычислить общую жесткость воды

З. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 1 м³ воды, чтобы устранить жёсткость, равную 8 мэкв/л? Привести уравнение реакции.

И. В 10 л воды содержится 38 мг гидрокарбоната магния и 108 мг гидрокарбоната кальция. Вычислить общую жёсткость воды. Привести уравнения реакций термического умягчения воды.

К. При кипячении 250 мл воды, содержащей только гидрокарбонат магния, выпал осадок массой 4,5 мг. Чему равна жёсткость воды. Привести уравнение реакции.

Л. Вычислить временную жёсткость воды, зная, что на реакцию с гидрокарбонатом магния, содержащимся в 200 мл этой воды, потребовалось 5 мл

0,1 н раствора соляной кислоты. Составить уравнение реакции.

М. Сколько граммов гидроксида кальция необходимо прибавить к 1000 л воды, чтобы удалить временную жёсткость, равную 2,86 мэкв/л? Составить уравнение реакции.

Н. Рассчитайте изменение жёсткости воды в результате Nа-катионирования, если концентрация ионов Nа⁺ в воде увеличилась на 46мг/л. Привести уравнение реакции.

О. Чему равна жесткость природной воды, если содержание ионов магния в ней составляет 121,6 мг/л? Привести уравнения реакции катионитного умягчения воды с использованием Н-катионита.

П. Определить жесткость воды, если в 1 л ее содержится 0,1002 г ионов Са²⁺ и 0,03648 г ионов Mg^2+. Привести уравнения реакций устранения карбонатной жесткости термическим методом.

Р. Вода содержит 0,12 г/л растворенного гидрокарбоната кальция. Сколько нужно прибавить извести Са(ОН)₂ к 100 млводы, чтобы осадить гидрокарбонат в виде карбоната? Привести уравнение соответствующей реакции.

№2

А. . Определите емкость поглощения катионита, если до отключения катионитового фильтра через него было пропущено 600 т воды, содержащей 90 мг/л сульфата кальция и 30 мг/л сульфата магния. Объём катионита 3,5 м³

Б. Какова общая и карбонатная жёсткость воды, если в 1 л воды содержатся ионы Са²⁺ - 0,111 г; Mg²⁺ - 06 г; SO₄^2- - 0,098 г; С1^- - 0,14 г.

В. Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и общую жёсткость воды, содержащую в 1 л: Са²⁺ - 80 мг; НСО₃^- - 122 мг; С1^- - 71 мг; Mg²⁺ - 48 мг.

Г. Общая жесткость воды равна 11,7 мэкв/л. Определить постоянную жесткость воды, если при определении временной жесткости на 100 мл испытуемой воды при титровании пошло 6,5 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты

Д. Через катионитовый фильтр, рабочий объем которого равен 2,12 м³, пропускают воду, жесткость которой до фильтрования составляет 6,2 мэкв/л. Объемная скорость течения воды — 5,0 м³/ч. Определить ёмкость поглощения катионита (в мэкв/м³), если фильтр работает без регенерации трое суток.

Е. Определить (в м³) суточную потребность катионита (без регенерации) для умягчения воды. Объемная скорость течения воды — 5 м³/ч, жесткость воды — 8,5 мэкв/л, емкость поглощения катионита (Е)—1150 мэкв/м^з.

Ж. Через катионитовый фильтр, рабочий объем которого равен 2,15 м³, пропускают воду, жесткость которой до фильтрования составляет 7,5 мэкв/л. Объемная скорость течения воды — 6,0 м³/ч. Определить емкость поглощения катионита (в мэкв/м³), если фильтр работает без регенерации трое суток.

З. Рассчитайте обменную емкость катионита марки КУ-2, если через адсорбционную колонку, содержащую 100г этого катионита, пропустили 25л воды, содержащей 9,85г гидрокарбоната магния и 11,38г хлорида кальция.

И. Определить общую жёсткость воды, в 10 л которой содержится 0,95 г хлорида магния, 2,22 г хлорида кальция, 0,73 г гидрокарбоната магния и 2,43 г гидрокарбоната кальция.

К. Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и общую жёсткость воды, содержащую в 10 л: Са²⁺ - 40 мг; НСО₃^- - 61 мг; С1^- - 35 мг; Mg²⁺ - 24 мг.

Л. Общая жесткость воды равна 8,5 мэкв/л. Определить постоянную жесткость воды, если при определении временной жесткости на 100 мл испытуемой воды при титровании пошло 6,5 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты

М. Определить (в м³) суточную потребность катионита (без регенерации) для умягчения воды. Объемная скорость течения воды —6 м³/ч, жесткость воды — 8,5 мэкв/л, ёмкость поглощения катионита (Е)—1200 мэкв/м³.

Н. Какова постоянная и временная жёсткость воды, если в ней содержится ионов Са²⁺ - 0,110 г/л; Mg²⁺ - 0,0425 г/л; НСО₃^- - 0,07 г/л.

О. Какова общая и временная жёсткость воды, если в 1 л воды содержатся ионы Mg²⁺ - 0,3 г; SO₄^2- - 0,049 г; С1^- - 0,07 г, Са²⁺ - 0,055 г;

П. Объемная емкость каолиновой глины составляет 13,5мэкв/л. Какой объем воды общей жесткостью 3,5мэкв/л можно профильтровать через 150г глины для полного удаления катионов кальция и магния?

Р. Определить общую жёсткость воды, в 100 л которой содержится 8,5 г хлорида магния, 11,8 г хлорида кальция, 6,1 г гидрокарбоната магния и 18,3 г гидрокарбоната кальция.