Источники наличия тяжелых металлов в природных водах

Ионитам и ионообменным мембранам, как средствам защиты окружающей среды от химического и радиоактивного загрязнений, принадлежит будущее. [4]

Основы процесса ионного обмена. Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

при контакте с катионитом

RSO₄H + NaCl -RSO₄Na + HCl

при контакте с анионитом

ROH + NaCl - RCl + NaOH

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:

Ma + RmB - mRA + B

2.4 Ионообменные установки

В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с Н-катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом; свободный оксид углерода (СО₂) удаляется в дегазаторе, устанавливаемом после катионитовых или анионитовых фильтров, если они регенерируются раствором соды или гидрокарбоната. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Через ионитовую установку пропускают лишь часть воды с тем, чтобы после смешения ее с остальной водой получить в опресненной воде солесодержание, отвечающее лимитам потребителя.

1 - Н-катионитовые фильтры;

2 - дегазатор;

3 - промежуточный резервуар;

4 - анионитовые фильтры.

Рис. 2.3 Схемы ионообменных установок периодического действия:

а - с проточной регенерацией; б - с оборотом части регенерата; в - с фракционированием регенерата; г - с «плавающим» фильтром; 1 - фильтры; 2 - эжектор; 3 - емкости для регенерата; 4 - емкости для промывных вод.

Рис. 2.4 Семы ионообменных установок:

а - периодического действия: 1 - колонна; 2 - решетка; 3 - слой ионита; 4-6 - распределители; 7 - бак с регенерирующим раствором; 8 - насос;

б - с намывным фильтром: 1 -корпус; 2 - фильтрующий элемент; 3 - емкость для приготовления суспензии ионита; 4 - насос; 5 - сборник отработанного ионита. [3]

Глава 3. Определение сорбционных характеристик катионитов

Иониты, в зернах которых при ионообменном процессе происходит обмен катионов, называют катионитами.

Энергия вхождения различных катионов в катионит по величине их динамической активности может быть охарактеризована для одинаковых условий следующим рядом: Na⁺<Мg²⁺<Са²⁺<А¹³⁺

Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентных задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т. е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита.

Полной обменной емкостью называют то количество катионов, которое может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов, которое задерживает 1 м3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов. Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида извлекаемых из воды катионов, соотношения солей в умягчаемой воде, значения рН, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитовых фильтров, удельного расхода регенерирующего реагента и от других факторов.

Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые - основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость - это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая емкость - это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Она обычно меньше полной. Динамическая обменная емкость - это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической. Характеристика основных марок ионитов представлена в таблице 3.1.

Для проведения экспериментальных работ по исследованию сорбционных характеристик катионитов необходимо приготовить раствор CuCl₂х2H₂O с концентрацией 3,6 ммоль/ литр, что превышает ПДК в 2,3 раза (ПДК Cu ²⁺ в водоемах хозяйственно-питьевом назначении =0,1 мг/л=1,56 ммоль/л). Для этого необходимо взвесить 1,23 гр. соли CuCl₂х2H₂O, перенести в мерную колбу на 2 л и довести до метки дистиллированной водой. [2]

Таблица 3.1 Характеристика катионитов

3.1 Методика определение меди фотоколориметрическим методом

Сущность метода. Метод основан на образовании комплексного соединения ионов меди с аммиаком, обладающим интенсивной сине-фиолетовой окраской. Окраска аммиака меди обусловлена d >d * переходами вследствие расщепления основного электронного состояния ионов меди в поле лигандов. Так как устойчивость образующихся комплексов различается мало, то в растворе будет находиться смесь нескольких аммиакатов меди, количественное соотношение которых зависит от концентрации аммиака, присутствующего в растворе. Молярный коэффициент поглощения тетрааммиаката меди при л=640 нм равен 1•10². Низкое значение е_л, позволяет определить достаточно высокие концентрации ионов меди.

Реактивы:

Рабочий раствор соли меди, содержащий 1 мг меди в 1 мл. Для приготовления этого раствора навеску 3,931 гр. сульфата меди CuSO₄ •5Н₂O растворяют в 25 мл 2М растворе серной кислоты, доводят объем раствора до 1 л дистиллированной водой.

Ход работы:

Приготовление стандартных растворов. Готовят 6 стандартных растворов, содержащих 5,0; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5 мг меди в 50 мл. Для этого в мерные колбы на 50 мл переносят соответственно 5,0; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5 мл исходного раствора, добавляют в каждую колбу 10 мл 5%-го раствора аммиака мерным цилиндром и доводят объем до 50 мл (до метки) дистиллированной водой. Через 10 мин. приступают к измерениям. Работу проводят со светофильтром №8. Используют кюветы размером 20 мл. С данным светофильтром поочередно фотометрируют стандартные растворы. Каждое измерение обязательно повторяют 3 раза. По средним значениям в координатах поглощения строят градуировочный график.

Получение результатов. Получают раствор сульфата меди (II) или природный концентрированный рассол, прибавляют 10 мл 5%-го раствора аммиака и доводят объем до 50 мл дистиллированной водой. Приготовленный раствор через 10 мин. фотометрируют. Измерения повторяют 5 раз. Пользуясь построенным градуировочным графиком, находят содержание меди в анализируемом растворе. [5]

Построение калибровочного графика.

Мы приготовили серию растворов хлорида меди с известными концентрациями из 3,6 ммоль/л раствора. Для получения раствора с концентрацией 1,8 мМ необходимо взять 50 мл исходного раствора и довести его до 100 мл и аналогично готовим растворы с концентрациями указанными в таблице 3.2.

Измерили оптическую плотность растворов и результаты занесли в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Построили график зависимости оптической плотности от концентрации меди.

По графику видно, что к меди применим закон Бугера - Ламберта - Бера. То есть при увеличении концентрации меди в растворе увеличивается оптическая плотность раствора, при этом зависимость линейная и берет свое начало в начале координат.

Рис. 3.1 Калибровочный график содержания меди

3.2 Определение полной обменной емкости катионита КУ-2-8

Катионит КУ-2-8 выпускается в Na-форме и H-форме и предназначен для умягчения, декарбонизации воды, в режиме параллельного Na-H- ионирования, загрузки Н-фильтров всех ступеней, фильтров смешенного действия (ФСД) при обессоливании воды и конденсата. Области применения водоподготовка, гидрометаллургия, гальванотехника, очистка сточных вод.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита КУ-2-8 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор. Далее отдираем пробы по 50 мл. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и при помощи калибровочного графика, находим концентрацию меди. Результаты представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

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

Рис. 3.2 Динамика выхода ионов меди из колонки

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) (1)

где Vi = 50 мл,

Cmax = 3,6ммоль

н1 = 3,57 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1/m_к = 3,57/2 = 1,78 ммоль/гр. катионита.

3.3 Определение полной обменной емкости катионита КУ-1

тяжелый металл вода катионит

Катионит сульфоуголь, КУ-1 применяется при водород- и натрий-катионировании, так как имеет в своем составе не только карбоксильную, но и сульфогруппу.

Катионит КУ-1 получают поликонденсацией n-фенолсульфокислоты и формальдегида. Он содержит два типа ионогенных групп: -S03H и -ОН. Выпускается в виде зерен неправильной формы.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита КУ-1 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор CuCl₂ (3,6 ммоль/л). Далее отдираем пробы по 50 мл. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и рассчитываем концентрацию меди. Результаты представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4

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

Рис. 3.3 Динамика выхода ионов меди из колонки.

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) (2)

где Vi = 50 мл,

Cmax = 3,6ммоль

н1 = 1,86 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1/m_к = 1,86/2 = 0,93 ммоль/гр. катионита.

3.4 Определение полной обменной емкости катионита ВИОН КН-1

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 CuCl₂ (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 Динамика выхода ионов меди из колонки.

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.

3.5 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.

Рис. 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.

Таблица 3.6

Выводы

1. На основе анализа литературных данных по свойствам тяжелых металлов и источникам попадания их в природные воды, а также применения различных способов очистки воды от их присутствия предложен - ионообменный как более эффективный.

2. На основе изучения физико-химических свойств ионообменных материалов показано, что полная обменная емкость для различных катионитов:

- ПОЕ (КУ-2-8)= 1 318,52 мг-экв/л,

- ПОЕ (КУ-1)= 581,25 мг-экв/л,

- ПОЕ (ВИОН КН-1)= 2 200,00 мг-экв/л;

для водопроводной воды имеет соответственно меньшее значение, чем паспортные: 28%, 57%. 39% что обусловлено реальным качеством воды.

Литература

1. Кирсанов В.В., Смолко А.А. Инженерная экология.

2. Родионов А.И. Техника защиты окружающей среды / Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1989. - 512 с.: ил.

3. Баймаханов М.Т., Лебедев К.Б., Антонов В.Н., Озеров А.И. Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1983. ? с. 191.

4. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство./ Под редакцией проф. Кудрявцева В.Н. - М.: Производственно-издательское предприятие «Глобус», 1998 - 302 с.: 51 ил., 64 табл., 26 библиогр. назв.

5. Воробьева Е.В., Макаренко Т.В. Большой практикум. - Гомель, 2005.

6. httр://www.1os.ru

Размещено на Allbest.ru