В чём отличие сильнокислотных и слабокислотных катионитов?
Умягчение воды катионами и их свойства
Катионитный метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде катионов – вступать в ионный обмен с растворёнными в воде солями, при этом происходит сорбция катионов и вытеснение в раствор эквивалентного количества катионов, которыми катионит периодически насыщается при регенерации.
Остановимся на катионитовых материалах, которые наиболее часто применяются в практике умягчения воды.
К ним относятся:
I: сильнокислотные катиониты, содержащие активные сульфогруппы R-SO3H, R-SO3Na.
В эту группу входят: катиониты КУ-1, КУ-2, сульфоуголь и др.
Реже применяются:
II: слабокислотные катиониты, содержащие активные карбоксильные группы R-COOH.
В эту группу входят: катиониты КБ-4, СГ-1, КБ-2, эмберлайт IR-50 и др.
Приведём характеристики некоторых марок катионитов.
Катиониты
| Размер зёрен, мм
| Объёмная масса в набухающем сос-
тоянии, т/м3
| Полная обменная
способность, Еполн, г-экв/м3
| Примечание
| Сульфоуголь
сфт 1, крупный
Ку-1Г
Ку-2-8
КБ-4П
|
0,4 - 1,8
0,3 - 2,0
0,3 - 1,2
0,3 - 1,0
|
0,42
0,47
0,65
0,40
|
|
Сильнокис-ый
Сильнокис-ый
Сильнокис-ый
Слабокис-ый
|
В чём отличие сильнокислотных и слабокислотных катионитов?
Сильнокислотные катиониты мало изменяют обменную способность с понижением рН среды от 7 до 1.
Слабокислотные катиониты практически способны к обмену только при рН >7. При снижении рН <6 диссоциация карбоксильных групп уменьшается и, соответственно, обменная способность катионита также снижается.
При фильтровании воды через слой катионита, находящегося в Nа-вой форме, будут проходить следующие реакции обмена:
2R Na + Ca(HCO3) →← R2 Ca + 2NaHCO3
2R Na + Mg(HCO3) →← R2 Mg + 2NaCl
2R Na + CaCl2 →← R2 Ca + 2NaCl
2R Na + CaSO4 →← R2 Ca + Na2SO4
2R Na + MgSO4 →← R2 Mg + Na2SO4
R – нерастворимая матрица полимера катионита, условно считаемая однословной нерастворимой в воде кислотой.
При работе с катионитами необходимо учитывать их физические и химические свойства, полную и рабочую обменную ёмкость, способность к набуханию, фракционный состав и др. факторы.
В процессе умягчения Nа-катионированием содержание Са и Mg в воде может быть снижено до весьма малых величин, общая щёлочность воды не изменяется, а сухой остаток несколько возрастает, т.к. ион Са2+(ат.вес=40,08) из воды замещается двумя ионами Nа (2∙22,99=45,98):
При регенерации катионита раствором кислоты катионит переходит в Н-форму:
R2Ca + H2SO4 →← 2RH + CaSO4
Теперь соли жесткости будут обмениваться на эквивалентное количество Н- ионов последующим уравнениям реакций:
При этом растворённые в воде соли превращаются в соответствующие кислоты
2RH + Ca(HCO3)2 →← R2Ca + 2H2CO3
2RH + CaCl2 →← R2Ca + 2HCl
2RH + MgSO4 →← R2Mg + H2SO4
RH + NaCl →← RNa + HCl
2RH + Na2SO4 →← 2RNa + H2SO4
Если регенерация Н-катионитовых фильтров производится кислотой в количестве, недостаточном для полного удаления из катионита катионов жёсткостити, то регенерация называется «голодной»
При этом в верхней части фильтра катионит будет находиться в Н-форме и при умягчении воды будут происходить реакции типа:
2RH + CaCl2 →← R2Ca + 2HCl
2RH + Ca(HCO3)2 →← R2Ca + H2CO3
При этом необходимо учитывать, Н2СО3 соединение неустойчивое и оно будет распадаться на Н2О и СО2 и уходить из сферы реакции.
В нижней части ионообменного фильтра при «голодной» регенерации катионит находится в Са- и Mg- формах и в нижней части на катионите будут проходить реакции с кислотами, образующимися в верхних слоях ионообменной смолы по уравнению:
R2Ca + HCl →← 2RH + CaCl2
Т.е. в результате этих процессов из воды будут удаляться карбонатные соли, а некарбонатные оставаться.
Т.обр. фильтры, работающие в режиме «голодной» регенерации, удаляют только соли карбонатной жёсткости и снижают щёлочность воды до 0,4-0,5 мг-экв/л.
Остановимся на кислотноосновных свойствах К+-в и А--в.
Катиониты по своим свойствам подразделяются на сильнокислотные и слабокислотные, а аниониты – на слабо и сильно основные.
Эти свойства ионитов связаны с тем, что существуют иониты, в которых подвергаются диссоциации практически все содержащиеся в их составе функциональные группы или только незначительный процент их.
А степень диссоциации функциональных групп, которые являются ионообменными центрами, зависит от рН раствора.
Так, степень диссоциации функциональных групп у слабоосновных анионитов и слабокислотных катионитов, и, следовательно, их обменная способность будет возрастать только с понижением рН и, наоборот, убывать с его повышением.
Степень диссоциации сильноосновных А--в и сильнокислотных К+-в и их обменная ёмкость практически не зависит от рН р-ра. (По аналогии есть слабые и сильные кислоты и сильные и слабые основания).
К слабоосновным А-там относятся следующие марки АН-2ФГ, АН-18-6, АН-31;
К сильноосновным: ЭДЭ-10П;
К среднеосновным: АВ-17-8, АМ.
Слабоосновные аниониты могут поглощать только сильных ионы кислот, например SO42-, Сl-.
Сильноосновные аниониты, как мы уже упоминали, отличаются от слабоосновных тем, что кроме ионов сильных кислот они могут поглащать ионы слабых кислот (угольной, кремниевой), заменяя их на ионы ОН-.
сильноосновные (SO42-, Сl-, СО22-, SiO32-)
Ан
слабоосновные (SO42-, Сl-)
Слабоосновные аниониты применяют для того, чтобы разгрузить сильноосновные. Причём первые имеют преимущества:
1. небольшая стоимость
2. высокая рабочая способность к поглощению
3. небольшой расход реагентов на регенерацию
Н-катионитовые фильтры обычно регенерируют 1-1,5%-м р-ром серной кислоты:
2[Кат]Na +Н2SO4 →2[Кат]Н +Na2SO4
Анионитовые фильтры регенерируют 2-4%-м р-ром NaOH или кальцинированной содой:
для слабоосновных анионитов:
[Ан]2SO4 + 2NaOH →← 2AнOH + Na2 SO4
AнCl + Na2CO3 →← AнCO3 + Na2SO4
для сильноосновного катионита:
[Ан]2СО3 + 2NaOH →← 2[Ан]OH + Na2CO3
Процесс регенерации ионитовых фильтров состоит из следующих основных операций:
1. взрыхление слоя ионита исходной или частично обессоленной водой снизу вверх с интенсивностью 3-5 л/с∙м2 в течение 20 мин. Это делается для устранения спрессованности ионита.
2. собственно регенерация – пропускание через слой смолы кислоты и щёлочи.
3. отмывка ионитов исходной или частично обессоленной водой от продуктов регенерации и неизрасходованного регенерационного раствора сверху вниз.
Регенерацию производят до тех пор, пока большая часть активных групп катионита будет замещена на обменивающийся ион (например, ион Na) и после этого катионитовый фильтр снова м.б. использован для умягчения воды.
Для сильнокислотных (R-SO3H-сульфогруппа) катионитов характерна высокая поглотительная пособность из промывочных вод в отношении следующих Меn+:
Ti, Cr3+, Al, Ba, Pb, Fe, Ca, Ni, Cd, Cu
Zn, Mg, Ag, Cu, K, NH4+, Na+
Ввиду высокой селективности в отношении катионов Ме они м.б. использованы и для переработки конур-х р-ров для извлечения Fe, Cr, Al.
Слабокислотные катиониты R-COOH имеют высокую сел-ть в отношении Cu, Pb, Fe, Zu, Ni, Cd, Ca, Mg, NH4+, K+, Na+ и неионогены ПАВ.
Их применяют на заключительной стадии иона обмена.
Сильноосновные аниониты – способны связывать анионы слабых кислот:
CrO42-,PO43-,C2O42-, NO2-, HCO3-, HsiO3-, CN-, H2BO3-, F-, цитратные, торторные и др.
Каждый катионит и анионит обладает определённой способностью, т.е тем количеством ионов, которое он может обменять в течение периода между двумя регенерациями или фильтроцикла.
Обменную способность катионитов и анионитов выражают в грамм-эквивалентах задержанных ионов на 1 м3 в разбухшем состоянии.
Различают полную и рабочую обменную способность катионитов.
Полной обменной ёмкостью (ПОЕ) называют то количество грамм-эквивалентов ионов, которое может задержать 1 м3 ионита, до того момента, когда к-ция (жёсткость) умягчённой воды сравняется с жёсткостью исходной воды.
Рабочей обменной емкостью (РОЕ) называют то количество грамм-эквивалентов ионов, которое задерживает 1 м3 катионита до момента, когда в фильтрат начинают «проскакивать» ионы жесткости.
Понятие рабочей и полной объёмной ёмкости можно проиллюстрировать следующим графиком:
Данная выходная кривая характеризует кинетику работы катионитового фильтра.
SA – рабочая обменная ёмкость
SA+B – полная обменная ёмкость или способность
m = c ∙ v = мг-экв ∙ м3
м3
Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 5469 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|