Adsorpcja (adsorption) Adsorpcja Absorpcja. Procesy adsorpcji na powierzchni ciał stałych

Transkrypt

1 Adsorpcja (adsorption) Procesy adsorpcji na powierzchni ciał stałych Adsorpcja jest procesem, w którym cząsteczki (lub cząstki, fragment cząsteczki - rodnik, atom) jednej substancji zostają związane na powierzchni innej substancji. Adsorpcja Absorpcja Absorpcja Adsorpcja Faza 1 Faza 1 Faza 2 Faza 2 Absorpcja jest zjawiskiem zachodzącym w objętości Adsorpcja jest zjawiskiem zachodzącym na powierzchni 3 Termin sorpcja łączy obydwa te zjawiska 1

2 Podstawy procesu adsorpcji ADSORPCJA proces zagęszczania substancji na granicy faz; ADSORBENT faza adsorbująca; ADSORBAT faza adsorbowana Proces zależny od właściwości układu rozpuszczalnik substancja rozpuszczona ciało stałe: hydrofobowy charakter substancji rozpuszczonej (hydrofilowość adsorpcja ), duże powinowactwo substancji rozpuszczonej względem ciała stałego. RODZAJE ADSORPCJI ADSORPCJA FIZYCZNA zjawisko, w którym oddziaływania między adsorbentem a adsorbatem to siły międzycząsteczkowe (siły van der Waalsa); adsorbat nie jest trwale związany z adsorbentem może się poruszać; proces odwracalny; ADSORPCJA CHEMICZNA (CHEMISORPCJA) zjawisko, w którym siły działające między adsorbentem a adsorbatem mają charakter oddziaływań chemicznych i są wynikiem reakcji chemicznej; proces nieodwracalny; ADSORPCJA JONOWYMIENNA - wynikająca z elektrostatycznego przyciągania do miejsc na powierzchni sorbentu; następuje równowagowa wymiana pomiędzy jonami adsorbatu a jonami zajmującymi miejsca aktywne sorbentu 6 Proces adsorpcji Rodzaj adsorpcji zależy od: natury adsorbatu, właściwości adsorbentu, reaktywności powierzchni, temperatury, ciśnienia. 2

3 Czynniki wpływające na przebieg (skuteczność) adsorpcji Rozpuszczalność rozpuszczalność podatność na adsorpcję Na rozpuszczalność wpływ ma masa cząsteczkowa związku (duża MW mała rozpuszczalność, jonizacja (rozpuszczalność jest najmniejsza gdy związki są pozbawione ładunku), polarność (wzrost polarności powoduje wzrost rozpuszczalności). ph Dla substancji organicznych ph podatność na adsorpcję ph wpływa na ładunek powierzchni sorpcyjnej i adsorbatu. Temperatura Temperatura skuteczność adsorpcji Obecność innych substancji w roztworze Ze względu na ograniczona ilość miejsc aktywnych na sorbencie, występowanie substancji konkurencyjnych ogranicza skuteczność adsorpcji Podstawy procesu adsorpcji Etapy procesu adsorpcji: transport cząsteczek adsorbatu z głębi roztworu do warstwy granicznej roztwór adsorbent (dyfuzja + konwekcja), dyfuzja cząsteczek przez warstwę graniczną do powierzchni adsorbentu, transport w wewnętrznej strukturze sorbentu, obejmujący zarówno dyfuzję w porach, jak i na ich powierzchni, zasadnicza adsorpcja na centrach aktywnych Definicja Adsorbent ciało o bardzo rozwiniętej powierzchni, o dużej dyspersji zewnętrznej (nieporowate) lub wewnętrznej (porowate), mające zdolność wiązania cząsteczek adsorbatu. adsorbenty nieporowate (cząsteczki dymów i sadza) mają powierzchnię do 10 (najczęściej 0,1-1) m 2 /g, adsorbenty porowate (węgiel aktywny, żel kwasu krzemowego silikażel) ok m 2 /g. 3

4 Sorbenty porowate Zgodnie z klasyfikacją zaproponowana przez IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) pory sorbentów porowatych dzieli się na: mikropory < 2 nm, mezopory 2 50 nm, makropory > 50 nm. Mikro Mezo Makro Średnica porów (nm) Pory % całkowitej objętości porów % całkowitej powierzchni właściwej Mikro >95 Mezo- < 10 < 5 Makro znikomy Makropory, mające znikomy udział w powierzchni właściwej sorbentu, nie uczestniczą w procesie adsorpcji i stanowią kanały, którymi cząsteczki adsorbatu dostają się do mikro- i mezoporów. Podział adsorbentów ze względu na materiał -węglowe pylisty węgiel aktywny (PWA), granulowany węgiel aktywny (GWA), wytłaczany węgiel aktywny (EAC) -niewęglowe żele krzemionkowe, zeolity, żywice syntetyczne Rys. Minerał -zeolit 4

5 Podstawowe adsorbenty stosowane w praktyce Żele krzemionkowe (silica gel) SiO 2 nh 2 O, otrzymywane przez polikondensację kwasu ortokrzemowego Tlenek glinu grupy różnych struktur Al 2 O 3 często z domieszką tlenków metali alkalicznych i ziem alkalicznych z różna zawartością wody. Najczęściej stosuje się - Al 2 O 3 o pow. właściwej m 2 /g Węgle aktywne najstarsze adsorbenty. Otrzymuje się przez usunięcie z surowego węgla substancji smolistych i częściowe spalenie w obecności H 2 O i CO 2 ; pow. właściwa do kilku tysięcy m 2 /g Sita molekularne najczęściej są to zeolity, krystaliczne glinokrzemiany metali alkalicznych i ziem alkalicznych tworzących przestrzennie ułożone czworościany SiO 4 i AlO 4. Ogólny wzór Me 2/n Al 2 O 3 msio 2 ph 2 O Węgiel aktywny (activated carbon, AC; Charcoal) Węgiel aktywny - drobnokrystaliczna forma węgla o strukturze zbliżonej do grafitu. Wytwarzany z: drewna (35 %), węgla kamiennego (28 %), węgla brunatnego (14 %), torfu (10 %), skorup orzechów, pestek (10 %), syntetycznych polimerów (odpadowe żywice fenolowoformaldehydowe, alkohol polifurfurylowy, polichlorek winylidenu) (3%). Wytwarzanie węgla aktywnego Etapy: Karbonizacja Temperatura procesu: C Wykształcenie zaczątków struktury porowatej wraz z ulatnianiem się małocząsteczkowych lotnych produktów Nabieranie przez granule mechanicznej wytrzymałości (wzbogacenie materiału w węgiel) Aktywacja utlenianie gazem obróbka reagentami chemicznymi Pozyskanie porowatości Obróbka gazami w wysokich temperaturach Częściowe zgazowanie karbonizatu zwiększenie powierzchni wewnętrznej Właściwości, w tym twardość węgla aktywnego zależą od materiału wyjściowego i metody aktywacji 5

6 Parametry węgla aktywnego pojemność sorpcyjna wielkość powierzchni właściwej wielkość porów i ich rozkład chemiczna natura powierzchni uziarnienie odporność na ścieranie i kruszenie Cechy węgli aktywnych zależą od rodzaju surowca, z którego są wytwarzane oraz od warunków aktywacji Adsorpcja na pylistym węglu aktywnym: Wady: konieczność stosowania wydzielonych obiektów technologicznych do separacji węgla; brak metody regeneracji zużytego węgla aktywnego. Zalety: możliwość reagowania poprzez zmianę wielkości dawki na wzrost stężenia lub zmianę składu zanieczyszczeń. Adsorpcja na ZWA i GWA: ZALETY: - możliwość regeneracji - zastosowanie adsorpcji na złożu filtracyjnym WADY: - nie można reagować na zmianę składu lub stężenia zanieczyszczeń 6

7 Zastosowanie adsorbentów w technologiach odnowy wód Adsorbenty niewęglowe usuwają: Metale Fluor Jon amonowy Adsorbenty węglowe usuwają: Naturalne substancje organiczne Substancje organiczne pochodzenia antropogenicznego Metale ciężkie Podatność adsorbatów organicznych na adsorpcję na węglach aktywnych rozpuszczalniki aromatyczne (benzen, toluen) Związki łatwo adsorbowalne chlorowane związki aromatyczne (PCB, chlorobenzeny, chloronaftalen) fenol i chlorofenole wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (acenaften, benzopiren) pestycydy i herbicydy (DDT, chlordan) chlorowane niearomatyczne (tetrachlorek węgla, chloroalkilowe benzeny) węglowodory o dużej masie cząsteczkowej (barwniki, aminy, związki humusowe, benzyna) alkohole trudno adsorbowalne ketony, kwasy i aldehydy o małej masie cząsteczkowej cukry i skrobie związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej lub koloidy związki alifatyczne o małej masie cząsteczkowej Substancje endokrynnie czynne, środki farmaceutyczne 7

8 Barwniki organiczne Potencjał adsorpcji metali i związków nieorganicznych na węglu aktywnym rodzaj adsorbatu antymon, arsen, bizmut, chrom, cyna srebro, rtęć, kobalt, cyrkon ołów, nikiel, tytan, wanad, żelazo miedź, kadm, cynk, bar, selen, molibden, mangan, wolfram, rad chrom, bromiany, jod, fluorki azotany, fosforany, chlorki, bromki, jodki potencjał adsorpcji wysoki dobry dość dobry niski wysoki niski Usuwanie bromianów zaadsorbowany jon bromianowy (BrO 3- ) redukowany jest na powierzchni węgla aktywnego do jonu podbrominowego (OBr-), a następnie do jonu bromkowego (Br - ) Skuteczność od 10 do 80 % i zależy m.in. od stężenia jonów BrO 3-, zawartości NOM, ph, temperatury, dawki i rodzaju węgla aktywnego 8

9 Usuwanie metali ciężkich Regeneracja węgla aktywnego Etapy 1. Suszenie węgla w celu usunięcia wody; 2. Termiczne odparowanie w temp. 250 C powodujące desorpcję lotnych związków organicznych; 3. Zesmolenie (temp C) piroliza i karbonizacja (zwęglenie) nielotnych związków organicznych; 4. Gazyfilacja smół (temp. ok. 800 C) selektywna gazyfikacja zesmolonych związków organicznych. Należy ja prowadzić tak, aby jednocześnie nie wypalić wewnętrznej struktury węgla i nie zmienić struktury porów Straty podczas regeneracji: do 10% Regeneracja węgla aktywnego Przy zużyciu węgla > 1000 ton GWA/rok opłacalna na terenie zakładu 9

10 Adsorpcja na aktywnym tlenku glinu Aktywny tlenek glinu to mieszanina Al 2 O 3 (amorficznego) i γ-al 2 O 3. Powierzchnia właściwa m 2 /g Rzadziej stosowany w porównaniu z węglem aktywnym Służy do usuwania związków nieorganicznych: F, As, Se, Si Stosowany wyłącznie w postaci granulatu (0,3 0,6 mm) Adsorpcja na aktywnym tlenku glinu (Al 2 O 3 ) Przy niskim ph zachowuje się jak anionit, natomiast przy wyższej wartości jak kationit Anionit ph 8,2 Kationit Zalecany zakres ph wynosi 5-6, a adsorpcja anionów jest analogiczna do wymiany anionów zachodzącej na słabo zasadowych anionitach. Wymiana jonowa (ion exchange) 10

11 Wymiana jonowa polega na wymianie jonów o tym samym znaku i w ilościach równoważnych pomiędzy roztworem i powierzchnią wymieniacza (jonitu). Dzięki temu zostaje zachowana elektroneutralność układu. Proces ten nazywa się też adsorpcją jonowymienną, bo zachodzi na granicy faz ciecz-ciało stałe. Wymiana jonowa jest procesem odwracalnym i stechiometrycznym. Odwracalność reakcji umożliwia prowadzenie reakcji wymiany jonowej i regeneracji wymieniacza. Jonity Jonity (wymieniacze jonowe) substancje praktycznie nierozpuszczalne w wodzie, które wymieniają (wychwytują) z roztworu elektrolitu dodatnio lub ujemnie naładowane jony na równoważne ilości jednoimiennych jonów, wchodzących w skład jonitu. Obojętna makrocząsteczka Grupa funkcyjna Jonit 11

12 Wymieniacz jonowy/jonit związana z matrycą grupa funkcyjna zdolna do dysocjacji matryca (szkielet) Rodzaje jonitów podział ze względu na rodzaj wymienianych jonów JONITY Kationity (Kt) wymieniające kationy; mają charakter kwasów lub ich soli Anionity (An)-wymieniające aniony; mają charakter zasad lub ich soli Jonity bipolarne (amfoteryczne, amfolity) zawierają zarówno grupy kwasowe jak i zasadowe; posiadają grupy jonowymienne, które w zależności od ph mogą zachowywać się jak grupy kwasowe lub zasadowe 12

13 Rodzaje jonitów podział ze względu na stopień dysocjacji grup funkcyjnych Kationity: obojętne lub słabo kwasowe (Kt s ) posiadające słabo zdysocjowane grupy funkcyjne, wymieniające kationy pochodzące z soli słabych kwasów, silnie kwasowe (Kt m ) posiadające silnie zdysocjowane grupy funkcyjne, zdolne do wymiany wszystkich kationów W kationitach silnie kwasowych grupami jonoczynnymi trwale związanymi ze szkieletem są: 2 2 SO3 CH 2 SO3 PO 3 AsO 3 zaś w kationitach słabo kwasowych: COO O S CH 2 S Rodzaje jonitów podział ze względu na stopień dysocjacji grup funkcyjnych (cd) Anionity dzieli się na: słabo zasadowe (An s ) - mające słabo zdysocjowane grupy funkcyjne, wymieniają aniony mocnych kwasów, silnie zasadowe (An m ) - posiadające silnie zdysocjowane grupy funkcyjne zdolne do wymiany anionów nawet bardzo słabych kwasów. Anionity silnie zasadowe maja grupy funkcyjne amin IV-rzędowych: H 2 N H N N + 2 NH 2 NH 2 H podczas gdy anionity słabo zasadowe posiadają wbudowane w swoją strukturę pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowe grupy aminowe i amoniowe: H H 2 N H H N + H H H N + 2 NH 2 N + NH 2 NH 2 NH Jeżeli proces wymiany jonowej zachodzi niezależnie od ph roztworu, mówimy, że mamy do czynienia z silnie kwasowym kationitem (grupa sulfonowa) lub silnie zasadowym anionitem (IV rzędowa grupa amoniowa). Kationity z innymi grupami (kationit słabo kwasowy) wymieniają jony tym lepiej im większe ph, a anionity ( anionit słabo zasadowy) im ph mniejsze. KATIONIT JONIT ANIONIT silnie kwasowy słabo kwasowy silnie zasadowy słabo zasadowy Grupy funkcyjne -SO - 3 (sulfonowa) -PO 3H - 2 (fosforanowa) -COO - (karboksylowa) NRH NR 3+, -CH 2NR 3+ (IV 2+ (II rzędowe grupy aminowe) -S - (tiolowa) rzędowe grupy -NH + aminowe) 3 (I rzędowe grupy aminowe) Wpływ ph na wymianę wymiana stała w całym zakresie ph wymiana maleje gdy ph się zmniejsza wymiana stała w całym zakresie ph wymiana maleje gdy ph się zwiększa Szybkość wymiany duża mała gdy ph<7 duża mała gdy ph>7 Warunki regeneracji wymagany nadmiar mocnego kwasu przebiega łatwo wymagany nadmiar mocnej zasady przebiega łatwo 13

14 Rodzaje jonitów podział ze względu na jon ruchliwy kationity anionity Cykl sodowy (KtNa) Cykl wodorowy (KtH) Cykl sodowy i wodorowy (KtNa/H) Cykl wodorotlenowy (AnOH) Cykl chlorkowy (AnCl) Cykl wodorotlenowy i chlorkowy (AnOH/Cl) Używane są też anionity pracujące w cyklu HCO 3 - Rodzaje jonitów podział ze względu na strukturę przestrzenną Żelowe średnica porów 2-3 nm i zależy od stopnia usieciowana kopolimeru i zawartości grup hydrofilowych Makroporowate średnica porów do 150 nm, co umożliwia wymianę makroanionów organicznych; charakteryzują się znacznie większą powierzchnią właściwą (ok.1000 m 2 /g) w porównaniu z żywicami żelowymi (ok mm 2 /g) żelowe makroporowate Właściwości jonitów Fizyczne: 1. Pęcznienie jonitu dyfuzja wody do wnętrza struktury przestrzennej jonitu. Rośnie ze wzrostem liczby grup funkcyjnych. Pęcznienie jonitu decyduje o ruchliwości jonów, a tym samym o szybkości procesu wymiany jonowej. 2. Odporność mechaniczna i termiczna.. 14

15 Właściwości jonitów Chemiczne: 1. Zdolność wymienna jonitów ilość moli jonów wymieniona przez jednostkę masy lub objętości jonitu. Decyduje o praktycznej przydatności w procesie technologicznym. Rośnie ze wzrostem liczby grup funkcyjnych. 2. Selektywność zdolność jonitu do wybiórczej wymiany jonu spośród innych jonów obecnych w roztworze. Proces wymiany jonowej prowadzi się w układzie dynamicznym w kolumnie jonitowej, przez którą przepuszcza się roztwór zawierający wymieniane jony. Przepuszczając przez kolumnę jonowymienną z ruchomymi jonami H+ roztwór zawierający NaCl wyróżnić można 3 strefy: Zdolność robocza stanowi 60-80% zdolności całkowitej 15

16 Selektywność jonitu Selektywność jonitu powoduje, że stosunek ilościowy dwu rodzajów wymienianych jonów jest, po osiągnieciu stanu równowagi, inny w wymieniaczu niż w oczyszczanym roztworze. Zjawisko występujące w jonitach silnie usieciowanych (słabo pęczniejących). Zależy m.in. od: odległości mikroporów jonitów, średnicy zdydratyzowanych przeciwjonów, stopnia usieciowania żywicy, temperatury stężenia roztworu Czynniki wpływające na przebieg wymiany jonowej (cd) Zanieczyszczenia roztworu koloidy i zawiesiny, związki Fe i Mn blokują grupy funkcyjne i kapilary duże ilości wodorowęglanów Ca i Mg wytrącanie CaCO 3 i Mg(OH) 2 zanieczyszczenia organiczne szczególnie polarne i makrocząsteczki wolny chlor degradacja żywic styrenowych tlen rozpuszczony degradacja żywic styrenowych; przekształcanie IVrzędowych grup amoniowych w III-, II- i I-rzędowe mikroorganizmy wysoka temperatura Cykl wymiany jonowej Pełny cykl pracy wymienników jonowych składa się z: przygotowanie złoża; etap pracy użytecznej jonitu (wymiana jonowa) do punktu przebicia; regeneracji złoża, która wymaga: spulchnienia złoża, regeneracji właściwej, płukania zboża 16

17 Przygotowanie złoża Jonity są sprzedawane w postaci suchej. Przed ich pierwszym użyciem należy poddać je procesowi pęcznienia, który realizuje się poprzez zalanie złoża jonitu wodą destylowaną lub roztworem wodnym kwasu, zasady lub soli. Wymiana jonowa 1. Trwa do osiągnięcia punktu przebicia. 2. Czas pracy użytecznej jonitu zależy od: roboczej zdolności wymiennej jonitu, ilości wymienianych jonów, przygotowania złoża do wymiany jonowej. Moment "przebicia złoża" - osiągnięcie założonego stężenia wymienianego jonu w oczyszczonym roztworze. Regeneracja złoża - spulchnianie Przeciwprądowe płukanie złoża wodą mające na celu: rozluźnienie złoża, usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych, bardzo rozdrobnionych ziaren oraz pęcherzyków gazów wydzielonych na powierzchni ziaren Spulchnianie przeprowadza się za pomocą wody o jakości wody nie gorszej od wody oczyszczanej w kierunku przeciwnym do przepływu roztworu oczyszczanego. Przy przepływie w kierunku do góry następuje ekspansja warstwy jonitu. Prędkość pozorna wody do 10 m/h. Proces trwa ok. 2-3 minuty. 17

18 Regeneracja złoża regeneracja właściwa Polega na przepuszczeniu przez zużyte złoże roztworu czynnika regenerującego. Ma na celu usunięcie z grup funkcyjnych przyłączonych w czasie dejonizacji jonów oraz wprowadzenie na ich miejsce odpowiednich jonów ruchliwych. Kationity pracujące w cyklu wodorowym: Kt-H : regeneruje się za pomocą HCl lub H 2 SO 4 Kationity pracujące w cyklu sodowym : Kt-Na : regeneruje się za pomocą NaCl Anionity pracujące w cyklu wodorotlenowym: An-OH : regeneruje się NaOH albo NH 4 OH Anionity pracujące w cyklu chlorkowym: An-Cl : regeneruje się NaCl albo CaCl 2 Regeneracja złoża regeneracja właściwa Stężenie roztworuregenerującego zależy od rodzaju jonitu. Silnie kwasowe kationity i silnie zasadowe anionity są regenerowane roztworami o stężeniu od 5 do 15%, a do zregenerowania jonitu ilość roztworu jest ok. 3 krotnie większa od ilości stechiometrycznej. Roztwory stosowane do regeneracji słabo kwasowych kationitów i słabo zasadowych anionitów mają stężenie 2 5 %, ilość roztworu wymagana do regenerowania jonitu jest ok. 30% większa od stechiometrycznej. Obciążenie hydrauliczne złoża podczas regeneracji wynosi 2 5 m 3 /m 2 h, a czas trwaniaregeneracji do 1h (wartości podawaneprzez producenta). Regeneracja złoża płukanie Płukanie. Przed doprowadzeniem do kolumny jonitowej właściwego roztworu poddawanego WJ, z jonitu trzeba usunąć pozostałości roztworu regenerującego. Do tego celu używa się wody uzdatnionej, pozbawionej albo kationów albo anionów. Woda płucząca przepływa z prędkością do 10 m/h. Płukanie trwa do momentu aż stężenie wypłukiwanych jonów zmniejszy się do określonej wartości ( ok. 30 min) 18

19 Złoże mieszane (mix bed) Złoże mieszane (dwujonit) to specjalnie zestawiona kombinacja jonitów, składająca się z kationitów silnie kwasowych i anionitów silnie zasadowych. Technika wymiany jonowej na złożu mieszanym jest zwykle stosowana jako końcowy etap oczyszczania wody. Uzyskuje się produkt o przewodności <0,1 μs/cm Zastosowanie wymiany jonowej Jonitowe uzdatnianie wody znajduje głównie zastosowanie do: zmiękczania; demineralizacji i odsalania; usuwania fosforanów i azotanów; usuwania azotu amonowego, usuwania metali i radionuklidów, usuwania zanieczyszczeń organicznych. Zmiękczanie wody W cyklu wodorowym na kationitach słabo kwasowych usuwanie twardości węglanowej (HCO 3- ) Kationity słabo kwasowe wymieniają kationy związane z resztami słabych kwasów, czyli twardość węglanową: 2KtH + Ca(HCO 3 ) 2 Kt 2 Ca + 2H 2 O + 2CO 2, 2KtH + Mg(HCO 3 ) 2 Kt 2 Mg + 2H 2 O + 2CO 2, KtH + NaHCO 3 KtNa + H 2 O + CO 2. Regeneracja za pomocą HCl: Kt 2 Ca + 2HCl 2KtH + CaCl 2 Woda po zmiękczaniu poddawana procesowi usunięcia CO 2 w odgazowywaczach. 19

20 Zmiękczanie wody (cd) W cyklu sodowym lub wodorowym na kationitach silnie kwasowych usuwanie twardości węglanowej (HCO 3- ) i niewęglanowej (np. Cl -, SO 2-4 ) Kationity silnie kwasowe w formie sodowej lub wodorowej całkowicie wymieniają kationy Ca 2+ i Mg 2+ związane z resztami mocnych i słabych kwasów, a więc usuwają twardość całkowitą: 2KtH + Ca(HCO 3 ) 2 Kt 2 Ca + 2H 2 O + 2CO 2, 2KtH + Mg(HCO 3 ) 2 Kt 2 Mg + 2H 2 O + 2CO 2, 2KtH + CaCl 2 Kt 2 Ca + 2HCl, 2KtH + MgCl 2 Kt 2 Mg + 2HCl Z uwagi na korozyjny charakter wody (HCl) zaleca się też stosowanie kationitów w formie sodowej (KtNa) w miejsce wodorowych. Przebiegające reakcje są podobne, tylko zamiast HCl tworzy się NaCl, a zamiast H 2 CO 3 NaHCO 3. Zmiękczanie wody (cd) System zawierający kationity pracujące w cyklu wodorowym (słaby lub silny) i sodowym (silny) zapewnia całkowite usunięcie twardości ogólnej, częściowe odsolenie wody oraz neutralizację kwasów mineralnych. Stosuje się często układ szeregowo połączonych kolumn z kationitem słabo kwasowym w formie wodorowej i silnie kwasowym w formie sodowej Demineralizacja, odsalanie Demineralizacja (dejonizacja) wody polega na usunięciu z niej wszystkich kationów i anionów. Częściowe usuwanie jonów to odsalanie. Wymianę kationów i anionów zapewnia układ technologiczny składający się z procesu dekationizacji (na kationitach) i deanionizacji (na anionitach). (Q - Q 1), C 0 Q, C 0 Ł 0 Ł 2 Q, C Dejonizacja Q 1, C Ł e=0 1 0 Ł 1 Q, C k Ł k 20

21 Demineralizacja, odsalanie (cd) Zastosowanie silnie kwasowych kationitów w formie wodorowej pozwala na wymianę wszystkich kationów na jony wodorowe 2KtH + Ca(HCO 3 ) 2 Kt 2 Ca + 2H 2 O + 2CO 2, 2KtH + Mg(HCO 3 ) 2 Kt 2 Mg + 2H 2 O + 2CO 2, 2KtH + CaCl 2 Kt 2 Ca + 2HCl, 2KtH + MgCl 2 Kt 2 Mg + 2HCl Demineralizacja, odsalanie (cd) Usunięcie z oczyszczanej wody wszystkich anionów uzyskuje się stosując silnie zasadowe anionity w formie wodorotlenowej. 2AnOH + H 2 CO 3 An 2 CO 3 + 2H 2 O 2AnOH + H 2 SO 4 An 2 SO 4 + 2H 2 O AnOH + HCl AnCl + H 2 O 2AnOH + H 2 SiO 3 An 2 SiO 3 + 2H 2 O Zastosowanie anionitów słabo zasadowych nie zapewni usunięcia anionów słabych zasad (w wodzie pozostanie CO 2 i krzemionka SiO 2. Do usunięcia CO 2 wymagany jest odgazowywacz, który instaluje się przed anionitem silnie zasadowym, co poprawia warunki pracy tego anionitu. Układ demineralizacji wody bez odkrzemiania Ca(HCO 3 ) 2 Mg(HCO 3 ) 2 CaSO 4 MgSO 4 CaCl 2 MgCl 2 NaCl SiO 2 Woda surowa Kationit silnie kwasowy wodorowy CO 2 można usunąć z wody kierując ją na odgazowywacz H 2 CO 3 H 2 SO 4 HCl SiO 2 Anionit słabo zasadowy wodorotlenowy Woda zdemineralizowana z SiO 2 +CO 2 21

22 Układ pełnej demineralizacji wody (z odkrzemianiem) Kationit silnie kwasowy wodorowy H 2 CO 3 H 2 SO 4 HCl SiO 2 CO 2 Anionit silnie zasadowy wodorotlenowy Wymiennik dwujonitowy Kt m-h/an m-oh Ca(HCO 3 ) 2 Mg(HCO 3 ) 2 CaSO 4 MgSO 4 CaCl 2 MgCl 2 NaCl SiO 2 odgazowanie H 2 SO 4 HCl SiO 2 Woda zdemineralizowana pozbawiona SiO 2 i CO 2 Woda surowa Usuwanie fosforanów i azotanów Fosforany usuwa się z wykorzystaniem anionitów Azotany usuwane są za pomocą wymiany na anionitach silnie zasadowych regenerowanych NaCl. Do usuwania jonów NO 3- preferowane są żywice o zwiększonej hydrofobowości. Usuwanie azotu amonowego, metali i radionuklidów W celu usunięcia jonów amonowych z wody stosuje się klinoptylolit, naturalny kationit pracujący w cyklu sodowym. Dużo bardziej efektywne jest stosowanie kationów syntetycznych, które są również skuteczne w wymianie metali ciężkich oraz radionuklidów. klinoptylolit Szereg selektywności Cs + > Rb + > K + > NH 4+ > Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Fe 3+ > Al 3+ > Mg 2+ W cyklu sodowym NH Na[zeolit] <=> NH 4 [zeolit] + Na + 22

23 Usuwanie zanieczyszczeń organicznych Związki organiczne usuwane są w procesie deanionizacji na szerokoporowatych silnie zasadowych anionitach pracujących w cyklu chlorkowym Żywica anionowymienna MIEX poliakrylowa, makroporowata, silnie zasadowa oraz namagnetyzowana wykorzystywana jest do usuwania anionowych form rozpuszczonego węgla organicznego (RWO). Wykorzystywana w procesie MIEX DOC. mieszanie sedymentacja 30s Continuous-flow MIEX process Raw water Contactors Settler Treated water Regeneration tank 1-15% 85-99% 1-15% Freshly regenerated resin Waste brine 23