Методом ионного обмена

Цель работы - изучение отдельных физико-химических свойств воды и методов ее деминерализации (обессоливания и умягчения).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вода - самое распространенное минеральное природное соединение на Земле. В естественных условиях вода не встречается в химически чистом состоянии, поскольку, соприкасаясь с воздухом, почвой, осадочными породами, насыщается различными примесями, растворенными и нерастворенными веществами.

Растворенные соединения (органические и неорганические) находятся в воде в виде ионов, нерастворенные (так же неорганические и органические) - в виде грубодисперсных примесей (ГДП), а так же в составе коллоидных примесей. Кроме того, в природной воде присутствуют растворенные газы (кислород, азот, углекислый газ и др.) и различные микроорганизмы, животного и растительного происхождения (бактерии, вирусы, водоросли и пр.) Таким образом, природная вода представляет собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, в растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии.

Основные ионы можно расположить по частоте их присутствия в воде в порядке убывания:

катионы	анионы
- кальций	- гидрокарбонат
- магний	- хлорид
- натрий	- сульфат
- калий	- нитрат
- аммоний	- фторид
- железо	- фосфат

В поверхностных водах часто присутствует также кремниевая кислота .

1.1. Физико-химические свойства воды. Понятие – жесткость воды

Все природные воды по преобладающему иону делятся на три группы: гидрокарбонатные ( + ), сульфатные () и хлоридные ().

Вода характеризуется определенной величиной активной реакции среды (). Большинство природных вод имеет величину в пределах 6,5¸8,5 ед. . При < 7 вода – кислая, а при > 7 – щелочная.

В зависимости от солесодержания природные воды подразделяются на пресные (до 1,0 г/кг); солоноватые (1-10 г/кг) и соленые (более 10 г/кг).

Для оценки суммарного солесодержания и органических примесей, содержащихся в воде в истинно растворенном и коллоидном состоянии, используется показатель – сухой остаток. Числовое значение его определяется взвешиванием остатка после выпаривания определенного объема профильтрованной воды и выражается в мг/л. Часть сухого остатка, которая удаляется при последующем прокаливании его, дает ориентировочно представление о содержании в воде органических веществ.

Жесткость воды – один из важнейших показателей качества воды. Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция () и магния (). Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую.

Временная (карбонатная или устранимая) Жк связана, в основном, с присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция и магния и , которые при кипячении переходят в нерастворимые соли (карбонаты кальция и магния) и выпадают в виде плотного осадка (накипи):

	(1)
	(2)

Постоянная жесткость (некарбонатная жесткость) Жн определяется содержанием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния, остающихся и после кипячения в растворенном состоянии.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью.

Единицей измерения жесткости в РБ и странах СНГ является величина, характеризующая концентрацию различных ионов в единицах, которые учитывают их молярную массу и электрический заряд – грамм-эквивалент на литр раствора (г-экв/л). Или частное от деления единицы количества вещества (моля) на величину суммарного электрического заряда созданного ионом (или валентность). При водоподготовке чаще используют более мелкую единицу, чем г-экв/л - миллиграмм-эквивалент в литре (мг-экв/л), составляющей одну тысячную долю грамм-эквивалента (жесткость в 1 мг-экв/л отвечает содержанию 20,04 мг/л или 12,16 мг/л ).

В других странах принято обозначать жесткость воды в условных градусах (немецкий, английский и пр. градусы).

Вода с жесткостью до 4 мг-экв/л характеризуется как мягкая; от 4 до 8 – средней жесткости, от 8 до 12 – жесткая. Общая жесткость питьевой воды – 7 мг-экв/л, в исключительных случаях допускается 10 мг-экв/л (стандарт на питьевую воду).

Для использования воды в производстве, а так же в быту из нее удаляют все примеси, которые могут оказать вредное воздействие на оборудование, качество целевого продукта иди здоровье человека. Этот процесс получил название “ водоподготовка”. Требования, предъявляемые к качеству воды в быту и в производстве различные, поэтому используются различные приемы очистки и их сочетания: механическая, физическая, химическая.

Данная работа предусматривает знакомство с приемами водоподготовки, направленными на умягчение, обессоливание и обескремнивание водопроводной воды.

1.2. Умягчение и обессоливание воды

Артезианская вода, которая используется, в основном, в Республике Беларусь, характеризуется достаточно высокой карбонатной жесткостью, поэтому нуждается в умягчении.

Умягчение может проводиться несколькими методами: термическим, химическим и катионным. Перед умягчением воды из нее удаляются взвешенные и коллоидные примеси.

Термический метод

При нагревании воды гидрокарбонаты кальция и магния переходят из раствора в трудно растворимые соли - и , которые выпадают в осадок (уравнения 1 и 2), при этом устраняется временная жесткость воды.

Химический метод

Вода обрабатывается известью, содой (содово-известковый метод), а также серной или соляной кислотой. Растворенные гидрокарбонаты переходят в нерастворимые соединения, которые отделяются, либо переходят в хорошо растворимые соли, не выпадающие в осадок при нагревании воды.

	(3)
	(4)
	(5)
	(6)

Если при химическом умягчении выпадет осадок, то его отделяют (осветление воды) различными методами (отстаиванием, фильтрованием и пр.).

Ионирование (обессоливание)

Умягчение воды катионированием производится путем фильтрования предварительно осветленной воды (освобожденная от взвешенных нерастворимых примесей) через катионообменную смолу (катионит), частицы которой содержат на своей поверхности катионы или водорода , способные к обмену на катионы и солей жесткости, растворенных в воде.

	(7)
	(8)

Ионообменная смола (катиониты и аниониты) – нерастворимый зернистый материал, способный в водных растворах обменивать содержащиеся в нем подвижные катионы и анионы на катионы и анионы водного раствора.

У катионита и анионита есть предельная возможность к обмену своих подвижных ионов (, - катиониты и - аниониты) на ионы из обрабатываемой воды, после чего необходима их регенерация (восстановление).

Восстановление свойств катионита в форму осуществляют путем его обработки 5-6 % раствором (поваренной соли), либо в - форму обработкой 5-10 % раствором или . Свойства ионообменной смолы анионита восстанавливаются при обработке его 2-4 % .

Восстановленные и отмытые водой ионитовые фильтры могут быть снова использованы для умягчения воды или для обессоливания.

При обессоливании осуществляется удаление как катионов (аналогично удалению ионов кальция и магния), так и анионов , , (в обмен на анион ).

Удаление аниона кремниевой кислоты из воды осуществляется при контакте с сильно основным анионитом.

(9)

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Описание лабораторной установки

Установка (рис 1.1.) включает в себя емкость 1 для воды, поступающей на обессоливание; колонки с ионообменными смолами 2 (катионит) и 3 (анионит); емкость 4 - сборник обессоленной воды; две емкости 6 и 7 для растворов соляной кислоты и щелочи, используемых по мере необходимости, для регенерации ионообменных смол установки. Разряжение в системе создается с помощью водоструйного насоса 5.

Рис 1.1. Лабораторная установка умягчения и обессоливания воды

на ионообменных смолах

2.2. Методика проведения работы

Экспериментальная работа состоит из двух частей: 1 – определение жесткости питьевой воды до и после различных методов ее умягчения, 2 – определение эффективности умягчения и обессоливания воды на ионообменных смолах в зависимости от ее расхода.

2.2.1. Определение жесткости воды

Для определения жесткости каждый вид исследуемой воды (см. п. 3) отбирают предварительно в отдельные колбы по 0,5 л.

Для анализа к 100 мл пробы воды добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора и 9-10 капель индикатора (хрома темносинего или хромогена черного). После этого смесь титруют по 1 капле 0,1 н раствором трилона Б (при интенсивном перемешивании) до изменения окраски ( воды с буферным раствором должен быть выше 9 ед.).

2.2.2. Определение эффективности умягчения воды

на ионообменных смолах

Включают водоструйный насос 5 и открывают кран на выходе из емкости 1. Вода самотеком из емкости 1 поступает в колонку 2 с катионитом, откуда за счет разряжения в системе, создаваемого водоструйным насосом, поступает в колонку 3 с анионитом и затем в емкость 4 для обессоленной воды.

Расход воды на установке регулируют работой водоструйного насоса и рассчитывают как отношение собранной в емкости 4 воды ко времени сбора. Период сбора воды в емкости контролируют с помощью секундомера.

Устанавливают три расхода воды: максимальный, средний, минимальный. При каждом расходе воды определяют величину жесткости обессоленной воды (в трех повторностях), отбираемой из емкости 4 аналогично п. 2.2.1.

2.3. Обработка результатов эксперимента

Жесткость воды определяют по формуле: