PROCESY JEDNOSTKOWE W TECHNOLOGIACH ŚRODOWISKOWYCH WYMIANA JONOWA

Transkrypt

1 KIiChŚ PROCESY JEDNOSTKOWE W TECHNOLOGIACH ŚRODOWISKOWYCH Ćwiczenie nr 2 WYMIANA JONOWA Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie roboczej zdolności wymiennej jonitu na podstawie eksperymentalnie wyznaczonej izoplany przebicia dla jonów Ca 2+. Wprowadzenie Wymiana jonowa jest to proces wymiany jonów między roztworem a jonitem. Jonity (wymieniacze jonowe, sorbenty jonowymienne) to wielkocząsteczkowe ciała stałe o usieciowanej strukturze, które są nierozpuszczalne w wodzie i innych rozpuszczalnikach oraz są odporne na działanie ługów, kwasów i większości związków organicznych. Wykazują one zdolność do wymiany własnych jonów (związanych z centrami aktywnymi jonitu) na jony znajdujące się w otaczającym je roztworze. W zależności od tego czy wymieniane są kationy czy aniony, rozróżniamy kationity i anionity. Proces wymiany nazywa sie adsorpcją jonowymienną, bo zachodzi na granicy faz ciało stałe-roztwór. Ilość jonów, która może być wymieniona z roztworem przez jednostkę masy lub objętości jonitu, nazywamy zdolnością wymienną. Wielkość ta wyrażona może być wyrażona w jednostkach: gr(val)/kg, mgr(mval)/g, gr(val)/dm 3, mgr(mval)/dm 3. Wyróżnia się całkowitą i roboczą zdolność wymienną: Całkowita zdolność wymienna oznacza liczbę milimoli jonów, które w najkorzystniejszych warunkach procesu wymiany mogą być wymienione na inne jony przez jednostkę masy lub objętości jonitu.

2 Całkowita zdolność robocza jest wartością praktycznie użyteczną, zawsze mniejszą od całkowitej zdolności wymiennej, charakterystyczną dla danego procesu wymiany i zależną od stężenia roztworu, rodzaju jonów, temperatury, czasu kontaktu roztworu z jonitem. Jeżeli proces wymiany przedstawi sie graficznie odkładając na osi rzędnych stosunek c/c o (c stężenie w wycieku, c o stężenie w roztworze wprowadzonym na kolumnę, odpowiadającym objętości wycieku), a na osi odciętych zaś objętość wycieku, to otrzymuje sie tzw. krzywą przebicia czyli izoplanę. Z objętości wycieku a (Rys. 1) pomnożonej przez c o można obliczyć pojemność przebicia kolumny, z objętości b (Rys. 1), w przybliżeniu całkowitą pojemność kolumny (wynik dokładny otrzymuje sie wtedy, gdy krzywa jest symetryczna, co rzadko ma miejsce). Z analitycznego punktu widzenia istotna jest pojemność przebicia kolumny, ona bowiem stanowi granice ilościowego wychwytywania przez kolumnę jonów z roztworu. Cechą charakterystyczną jonitu jest jego pojemność całkowita, ponieważ jest to wielkość niezależna od warunków prowadzenia procesu. Na przebieg krzywych przebicia ma wpływ wiele czynników. W miarę zmniejszania ziaren jonitu krzywa przebicia staje sie bardziej stroma, zbliżona do teoretycznej, wzrasta pojemność przebicia kolumny. Pojemność przebicia kolumny zwiększa sie również ze zwiększaniem stosunku wysokości do średnicy kolumny (przy tej samej wysokości złoża jonitu). Wielkość ta zależy także od szybkości przepływu, przy czym im mniejsza szybkość, tym większa pojemność przebicia. Zależność te tłumaczy się mniejszą szybkością osiągania stanów bliższych stanowi równowagi lub nawet stanowi równowagi odpowiadającemu warunkom statycznym. Decydujący wpływ na przebieg krzywych przebicia ma jednak sam rodzaj jonu i jego powinowactwo do jonitu.

3 Rys. 1. Izoplana przebicia (krzywa przebicia); odcinek a pojemność przebicia kolumny w danych warunkach; odcinek b całkowita pojemność wymienna kolumny. Wykonanie ćwiczenia 1. Przeprowadzić proces regeneracji jonitu (kationit silnie kwaśny) przepuszczając przez kolumnę 200 ml 5% roztworu NaCl w kierunku z góry do dołu. 2. Po regeneracji złoże przepłukać 400 cm 3 wody destylowanej. 3. Zmierzyć wysokość warstwy jonitu w kolumnie oraz średnice kolumny. 4. Wykonać oznaczenie jonów Ca 2+ w roztworze podstawowym (c 0 ) (p.8). 5. W celu wyznaczenia zdolności wymiennej jonitu należy przepuścić przez jonit roztwór podstawowy. Z wycieku co 100 cm 3 należy pobierać próbki i oznaczać w nich stężenie (c) jonów Ca 2+ (p.8). Notować dokładnie sumaryczną objętość wycieku aż do końca trwania wymiany jonowej!!!!. 6. Proces wymiany jonowej prowadzić do momentu wysycenia złoża (stężenie jonów Ca 2+ jest takie same bądź zbliżone jak w roztworze podstawowym). 7. Po skończonej pracy należy przepłukać kolumnę jonitową i pozostawić jonit zalany wodą destylowaną. 8. Oznaczenie jonów Ca 2+ :

4 Do cylindra miarowego o pojemności 100 cm 3 pobrać 20 cm 3 wycieku z kolumny i uzupełnić wodą destylowaną do 100 cm 3. Przygotowany roztwór przelać do kolby stożkowej. Dodać 2 cm 3 buforu amoniakalnego i szczyptę wskaźnika czerni eriochromowej. Próbkę miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia z fioletowej na niebieską. Zawartość jonów wapnia (II) obliczyć wg wzoru: X a 35,7 V [mgr Ca 2+ /dm 3 ] gdzie: a ilość mianowanego r - ru EDTA użyta do miareczkowania [cm 3 ], V objętość próbki wody użyta do oznaczenia [cm 3 ], Opracowanie wyników 1. Wyniki miareczkowania Objętość wycieku [dm 3 ] Stężenie jonów Ca 2+ w wycieku [mgr/dm 3 ] 2. Wykreślić izoplanę wymiany jonowej tj. tzn. zależność c/c 0 od sumarycznej objętości V wycieku (c stężenie jonów Ca 2+ w wycieku, c 0 stężenie jonów Ca 2+ roztworu podstawowego). 3. Na izoplanie zaznaczyć punkt przebicia (wyraźny wzrost stężenia jonów w wycieku) i punkt wyczerpania (stężenie jonów Ca 2+ w wycieku staje się równe stężeniu wyjściowemu). 4. Z krzywej przebicia wyznaczyć roboczą objętość przebicia Vr (jest to objętość, przy której następuje przebicie kolumny, odpowiada roboczej zdolności wymiennej kolumny).

5 5. W oparciu o znalezioną wartość Vr obliczyć roboczą zdolność wymienną jonitu Z r wyznaczoną w warunkach dynamicznych: Z r Vr C V K [mgr/dm 3 ] gdzie: Zr robocza zdolność wymienna jonitu [mgr/dm 3 ], V r objętość wycieku z kolumny[dm 3 ], C stężenie jonów wapniowych w roztworze podstawowym [mgr/dm 3 ], V K objętość kationitu [dm 3 ].