USUWANIE TWARDOŚCI WAPNIOWEJ W PROCESIE WYMIANY JONOWEJ

Podobne dokumenty
PROCESY JEDNOSTKOWE W TECHNOLOGIACH ŚRODOWISKOWYCH WYMIANA JONOWA

VI. ZMIĘKCZANIE WODY METODĄ JONOWYMIENNĄ

TECHNOLOGIA OCZYSZCZANIA WÓD I ŚCIEKÓW. laboratorium Wydział Chemiczny, Studia Niestacjonarne II

ZMIĘKCZANIE WODY NA KATIONICIE SODOWYM.

TWARDOŚĆ WODY. Ca(HCO 3 ) HCl = CaCl 2 + 2H 2 O + 2CO 2. Mg(HCO 3 ) 2 + 2HCl = MgCl 2 + 2H 2 O + 2CO 2

OZNACZANIE TWARDOŚCI WODY SPOSOBEM WARTHA - PFEIFERA

Pracownia analizy ilościowej dla studentów II roku Chemii specjalność Chemia podstawowa i stosowana Wyznaczanie parametrów kolektywnych układu

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I NAWOZÓW MINERALNYCH. Ćwiczenie nr 6. Adam Pawełczyk

HYDROLIZA SOLI. 1. Hydroliza soli mocnej zasady i słabego kwasu. Przykładem jest octan sodu, dla którego reakcja hydrolizy przebiega następująco:

ROBOCZA I CAŁKOWITA ZDOLNOŚD WYMIENNA JONITU

CHEMIA ŚRODKÓW BIOAKTYWNYCH I KOSMETYKÓW PRACOWNIA CHEMII ANALITYCZNEJ. Ćwiczenie 5

OZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI BUFOROWYCH WÓD

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne z Inżynierii Środowiska. Ćwiczenie 6. Dekarbonizacja wody DEKARBONIZACJA WODY

ĆWICZENIE 7 WSPÓŁOZNACZANIE WAPNIA I MAGNEZU I OBLICZANIE TWARDOŚCI WODY. DZIAŁ: Kompleksometria

Chemia środowiska laboratorium. Ćwiczenie laboratoryjne: Korozyjność i agresywność wód modyfikacja wykonania i opracowania wyników

Chemia nieorganiczna Zadanie Poziom: podstawowy

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNYCH WODY

ĆWICZENIE 2. Usuwanie chromu (VI) z zastosowaniem wymieniaczy jonowych

ĆWICZENIE 2 WSPÓŁOZNACZANIE WODOROTLENKU I WĘGLANÓW METODĄ WARDERA. DZIAŁ: Alkacymetria

HYDROLIZA SOLI. Przykładem jest octan sodu, dla którego reakcja hydrolizy przebiega następująco:

Spis treści. Wstęp. Twardość wody

Inżynieria Środowiska S1. Chemia zajęcia laboratoryjne. Badanie fizykochemiczne wody

Analiza ilościowa. Kompleksometria Opracowanie: mgr inż. Przemysław Krawczyk

OCENA CZYSTOŚCI WODY NA PODSTAWIE POMIARÓW PRZEWODNICTWA. OZNACZANIE STĘŻENIA WODOROTLENKU SODU METODĄ MIARECZKOWANIA KONDUKTOMETRYCZNEGO

II. ODŻELAZIANIE LITERATURA. Zakres wiadomości obowiązujących do zaliczenia przed przystąpieniem do wykonania. ćwiczenia:

Spis treści. Wstęp... 9

DEMINERALIZACJA WODY NATURALNEJ ZA POMOCĄ WYMIENIACZY JONOWYCH

OBLICZANIE WYNIKÓW ANALIZ I

Twardość wody. Tw og = Tw w + Tw n

RÓWNOWAGI W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

CHEMIA ŚRODKÓW BIOAKTYWNYCH I KOSMETYKÓW PRACOWNIA CHEMII ANALITYCZNEJ. Ćwiczenie 7

Wodorotlenki. n to liczba grup wodorotlenowych w cząsteczce wodorotlenku (równa wartościowości M)

Związki nieorganiczne

Obliczanie stężeń roztworów

Temat 7. Równowagi jonowe w roztworach słabych elektrolitów, stała dysocjacji, ph

1. Regulamin bezpieczeństwa i higieny pracy Pierwsza pomoc w nagłych wypadkach Literatura... 12

WYMAGANIA EDUKACYJNE na poszczególne oceny śródroczne i roczne Z CHEMII W KLASIE II gimnazjum

Zrównoważony rozwój przemysłowych procesów pralniczych. Moduł 1 Zastosowanie wody. Rozdział 3b. Zmiękczanie wody

X Konkurs Chemii Nieorganicznej i Ogólnej rok szkolny 2011/12

Precypitometria przykłady zadań

RÓWNOWAGI W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW.

A K A D E M I A M O R S K A W S Z C Z E C I N I E W Y D Z I A Ł M E C H A N I C Z N Y K A T E D R A F I Z Y K I I C H E M I I

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Kwas HA i odpowiadająca mu zasada A stanowią sprzężoną parę (podobnie zasada B i kwas BH + ):

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok 2017 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

- w nawiasach kwadratowych stężenia molowe.

CHEMIA BUDOWLANA ĆWICZENIE NR 2

ANALIZA MIARECZKOWA. ALKACYMERIA

ĆWICZENIE 4. Oczyszczanie ścieków ze związków fosforu

INŻYNIERIA PROCESÓW CHEMICZNYCH

DEZYNFEKCJA WODY CHLOROWANIE DO PUNKTU

Kuratorium Oświaty w Lublinie

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA 1)

Grupa:.. Dzień: Godzina:

- Chemia w kosmetologii dla liceum - Surowce kosmetyczne - Ćwiczenie 2. Temat: Woda jako surowiec kosmetyczny. Oznaczanie twardości wody.

Oznaczanie SO 2 w powietrzu atmosferycznym

HYDROLIZA SOLI. ROZTWORY BUFOROWE

CHEMIA KLASA II I PÓŁROCZE

Chemia Nowej Ery Wymagania programowe na poszczególne oceny dla klasy II

ANEKS 5 Ocena poprawności analiz próbek wody

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

Ciągły proces otrzymywania bikarbonatu metodą Solvay a

Obliczanie stężeń roztworów

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

Analiza miareczkowa. Alkalimetryczne oznaczenie kwasu siarkowego (VI) H 2 SO 4 mianowanym roztworem wodorotlenku sodu NaOH

GOSPODARKA ODPADAMI. Oznaczanie metodą kolumnową wskaźników zanieczyszczeń wymywanych z odpadów

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok 2017 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

Roztwory buforowe (bufory) (opracowanie: dr Katarzyna Makyła-Juzak)

INSTRUKCJA. Badanie i uzdatnianie wody pitnej

GOSPODARKA ODPADAMI. Oznaczanie metodą kolumnową wskaźników zanieczyszczeń wymywanych z odpadów

SZCZEGÓŁOWE KRYTERIA OCENIANIA Z CHEMII DLA KLASY II GIMNAZJUM Nauczyciel Katarzyna Kurczab

XIV Konkurs Chemiczny dla uczniów gimnazjum województwa świętokrzyskiego. I Etap szkolny - 23 listopada 2016

WYMAGANIA EDUKACYJNE

Wymagania programowe na poszczególne oceny chemia kl. II Gimnazjum Rok szkolny 2015/2016 Wewnętrzna budowa materii

ĆWICZENIA LABORATORYJNE WYKRYWANIE WYBRANYCH ANIONÓW I KATIONÓW.

Roztwory buforowe modyfikacja wykonania ćwiczenia.

Zad: 5 Oblicz stężenie niezdysocjowanego kwasu octowego w wodnym roztworze o stężeniu 0,1 mol/dm 3, jeśli ph tego roztworu wynosi 3.

Zasady oceniania z chemii w klasie II w roku szkolnym 2015/2016. Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra

KWASY I WODOROTLENKI. 1. Poprawne nazwy kwasów H 2 S, H 2 SO 4, HNO 3, to:

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

Akademia Morska w Szczecinie. Laboratorium chemii wody. Ćwiczenie laboratoryjne Oznaczanie twardości ogólnej i wapniowej

Ćwiczenie 1. Ćwiczenie Temat: Podstawowe reakcje nieorganiczne. Obliczenia stechiometryczne.

RÓWNOWAŻNIKI W REAKCJACH UTLENIAJĄCO- REDUKCYJNYCH

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW DOTYCHCZASOWYCH GIMNAZJÓW 2017/2018. Eliminacje szkolne

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

OZNACZANIE ZAWARTOŚCI MANGANU W GLEBIE

V KONKURS CHEMICZNY 23.X. 2007r. DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA ŚWIĘTOKRZYSKIEGO Etap I czas trwania: 90 min Nazwa szkoły

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

Inżynieria Środowiska

Autor. Patrycja Malucha ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki. Wstęp

Wymagania edukacyjne niezbędne do uzyskania poszczególnych śródrocznych i rocznych ocen klasyfikacyjnych. CHEMIA klasa II.

STĘŻENIE JONÓW WODOROWYCH. DYSOCJACJA JONOWA. REAKTYWNOŚĆ METALI

WPŁYW SUBSTANCJI TOWARZYSZĄCYCH NA ROZPUSZCZALNOŚĆ OSADÓW

Wymagania programowe na poszczególne oceny. IV. Kwasy. Ocena bardzo dobra. Ocena dostateczna. Ocena dopuszczająca. Ocena dobra [1] [ ]

Imię i nazwisko studenta:...

KOMPLEKSOMETRIA OZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI WODY

Część laboratoryjna. Sponsorzy

Transkrypt:

USUWANIE TWARDOŚCI WAPNIOWEJ W PROCESIE WYMIANY JONOWEJ Aktualizacja 02.03.2012r. 1. Ogólna charakterystyka procesu. 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. Wymianę jonową można przedstawić następującymi równaniami reakcji: Kt M 1 + M + 2 Kt M 2 + M + 1, An A 1 + A 2 An A 2 + A 1, gdzie: Kt szkielet polimeryczny (lub inny) kationitu, An szkielet polimeryczny (lub inny) anionitu, M + 1, M + 2 wymieniane kationy, A 1, A 2 wymieniane aniony, M 1, M 2 centra aktywne kationitu zawierające jony wymienialne, A 1, A 2 centra aktywne anionitu zawierające jony wymienialne. Proces wymiany jonowej jest odwracalny, a wymiana zachodzi w ilościach równoważnych (stechiometrycznych). Pełny proces wymiany jonów między jonitem a otaczającym go roztworem zachodzi w pięciu fazach: przemieszczanie się jonu z głębi roztworu do powierzchni jonitu, przemieszczanie się jonu wewnątrz ziarna jonitu do grupy jonowymiennej, chemiczna reakcja podwójnej wymiany, przemieszczenie się wymienionego jonu z głębi ziarna w kierunku jego powierzchni, przejście wymienionego jonu z powierzchni ziarna do roztworu. Transportowi dyfuzyjnemu jonów towarzyszy natychmiast powstanie potencjału międzyfazowego, będącego różnicą potencjałów elektrycznych w fazie jonitu i w warstwie międzyfazowej. Sumaryczną prędkość procesu wymiany jonowej określa prędkość najwolniejszego etapu, którym jest transport dyfuzyjny w fazie jonitu i warstwie międzyfazowej. Szybkość reakcji jonowymiennych (dyfuzja w fazie jonit/warstwa międzyfazowa) zależy od następujących czynników: rodzaju jonitu (rodzaj grup funkcyjnych), stopnia usieciowania jonitu ze wzrostem usieciowania maleje szybkość dyfuzji, prędkości przepływu roztworu zewnętrznego (np. wody poddawanej uzdatnianiu) przez złoże ze wzrostem prędkości przepływu roztworu rośnie szybkość dyfuzji, stężenie roztworu zewnętrznego (np. wody poddawanej uzdatnianiu) ze wzrostem stężenia rośnie szybkość dyfuzji, temperatura ze wzrostem temperatury rośnie szybkość dyfuzji.

2. Właściwości jonitów 2. 1. Klasyfikacja jonitów Ogólnie jonity można sklasyfikować ze względu na: pochodzenie i sposób ich otrzymywania, rodzaj grup jonowymiennych (charakter grup funkcyjnych). Klasyfikację jonitów ze względu na ich pochodzenie i sposób otrzymania można przedstawić następująco: 2 J o n i t y nieorganiczne organiczne naturalne syntetyczne naturalne półsyntetyczne syntetyczne Klasyfikację jonitów ze względu na rodzaj grup jonowymiennych można przedstawić następująco: J o n i t y kationity anionity silnie kwaśne słabo kwaśne silnie zasadowe średnio zasadowe słabo zasadowe Kationity to jonity z grupą jonowymienną (np. SO 3 H). Ruchliwy jon to kation H +. Ze względu na rodzaj jonu ruchliwego kationity dzieli się na pracujące wyłącznie w cyklu sodowym (Kt Na: np. Kt SO 3 Na), wodorowym (Kt H: np. Kt SO 3 H) lub zarówno w cyklu sodowym, jak i wodorowym (Kt Na/H, np. Kt SO 3 H/Na). Kationity silnie kwaśne są mocnymi kwasami (np. Kt SO 3 H) lub ich solami (np. Kt SO 3 Na). Posiadają one dobrze zdysocjowane grupy funkcyjne (np. SO 3, CH 2 SO 3 ) zdolne do wymiany wszystkich kationów. Mogą być stosowane w roztworach w szerokim 2

zakresie ph, ponieważ ich grupy jonowymienne są zdysocjowane w zakresie ph 1 14. Kationity słabo kwaśne posiadają słabo zdysocjowane grupy funkcyjne (np. O, COO, S, CH 2 S ). Są one zdolne do wymiany tylko kationów pochodzących z soli słabych kwasów i są efektywne w obojętnym lub słabo alkalicznym środowisku. Anionity to jonity z grupą jonowymienną, zawierającą ruchliwy anion. Wśród anionitów wyróżnia się główne trzy rodzaje: pracujące w cyklu wodorotlenowym (An OH, np. An N(CH 3 ) 2 H + OH, chlorkowym (An Cl, np. An N(CH 3 ) 2 H + Cl ), wodorotlenowym i chlorkowym (An OH/Cl, np. An N(CH 3 ) 2 H + OH /Cl ). Anionity silnie zasadowe posiadają dobrze zdysocjowane grupy funkcyjne, zdolne do wymiany anionów nawet bardzo słabych kwasów, np. czwartorzędowe grupy amoniowe ( N(CH 3 ) + 3 ). Anionity silnie zasadowe występują w postaci zdysocjowanej w całym zakresie ph (1 14), dlatego mogą być stosowane bez względu na odczyn roztworu. Słabo zasadowe anionity zawierają słabo zdysocjowane grupy funkcyjne, np. pierwszorzędowe grupy aminowe NH + 3, drugorzędowe grupy aminowe NR 1 H + 2, trzeciorzędowe grupy aminowe NR 1 R 2 H + (R 1, R 2 podstawniki alkilowe). Jonity te mogą reagować z substancjami łatwo oddającymi protony (mocne kwasy), gdyż one łatwo protonują aminę: An N(CH 3 ) 2 + H + + Cl An N(CH 3 ) 2 H + Cl 2. 2. Zdolność wymienna jonitu Zdolność wymienna jonitu jest głównym parametrem charakteryzującym chemiczne właściwości jonitu oraz determinuje jego przydatność w oczyszczaniu wody. Zdolność wymienna jonitu określa ilość miligramorównoważników (mgr, val lub mval) wymienianych przeciwjonów na jednostkę masy (g) lub objętości jonitu (dm 3 ), wyrażoną w jednostkach: mgr/dm 3, val/dm 3 lub mval/dm 3. Wartość zdolności wymiennej zwiększa się wraz ze wzrostem liczby grup funkcyjnych, a zmniejsza się wraz ze wzrostem stopnia usieciowania szkieletu jonitu. Wyróżnia się: zdolność wymienną całkowitą, zdolność wymienną roboczą (użytkową). Zdolność wymienna całkowita jest w zasadzie stała dla danego jonitu. Określa łączną liczbę miligramorównoważników przeciwjonów, które w najkorzystniejszych warunkach mogą być wymienione przez jednostkę masy lub objętości jonitu. Zdolność wymienna robocza ma znaczenie praktyczne, ponieważ stanowi tę część całkowitej zdolności wymiennej, która może być wykorzystana w czasie eksploatacji jonitów. Zdolność wymienna robocza wyraża liczbę miligramorównoważników przeciwjonów, które są wymieniane przez jednostkową ilość jonitu, aż do chwili przebicia złoża jonowymiennego. Stanowi ona zwykle 60 80% całkowitej zdolności wymiennej i nie jest wartością stałą. Zależy od warunków prowadzenia procesu wymiany jonowej, składu uzdatnianej wody, dawki i stężenia czynników regenerujących, dokładnego przepłukania złoża po regeneracji. Punkt przebicia jonitu jest to punkt, w którym podczas prowadzenia wymiany jonowej osiągamy założone stężenie wymienianego jonu w oczyszczonym roztworze, po którym złoże wyłącza się z pracy i poddaje regeneracji [1]. W zależności od zastosowania procesu wymiany jonowej i stopnia w jakim chcemy usunąć jony z roztworu zewnętrznego, np. wody poddawanej uzdatnianiu, punkt przebicia może występować w różnych miejscach na krzywej przebicia (rysunek 1). W procesie demineralizacji wody, który ma na celu uzyskanie wody ultraczystej, punkt przebicia będzie zdefiniowany jako punkt, w którym podczas wymiany jonów, w wycieku pojawiają się usuwane jony. Jest to punkt oznaczony na rysunku 1 literą a. Wartość oznaczanego w tym punkcie stężenia zależy od zakresu i dokładności wybranej metody analitycznej. W innym przypadku, kiedy celem wymiany 3 3

jonowej będzie uzyskanie wody, w której stężenie usuwanego jonu nie przekracza największego dopuszczalnego stężenia określonego przez Ustawę, punkt przebicia będzie odpowiadał punktowi oznaczonemu na rysunku literą c. 4 max. 1 C NDS z 0 0 a b c d V Rysunek 1. Przykładowa krzywa przebicia przy wymianie jednego jonu (C- stężenie wymienianego jonu w wycieku, V objętość wycieku, NDS najwyższe dopuszczalne stężenie usuwanego jonu). Objętość oznaczona literą d wyznacza punkt przebicia kolumny, w sytuacji kiedy nastąpiło całkowite wysycenie złoża. W wycieku odbieranym z kolumny stężenie usuwanych jonów osiąga wartość maksymalną i jest ono równe stężeniu jonów w wodzie poddawanej wymianie jonowej (we wcieku). Punkt przebicia może być również określony przez objętość b. Odpowiada to sytuacji, kiedy stężenie usuwanych jonów w wycieku osiąga założoną przez nas wartość z. 2. 3. Cykl wymiany jonowej Pełny cykl pracy wymienników jonowych składa się z: przygotowanie złoża do pracy czasu pracy użytecznej jonitu (wymiana jonowa) do założonego stężenia wymienianego jonu (punktu przebicia), regeneracji złoża, która wymaga: a) spulchnienia złoża, b) regeneracji właściwej, c) płukania złoża. Jonity sprzedawane są w postaci suchej. Przed wprowadzeniem ich do kolumny jonowymiennej należy zgodnie (z właściwą dla nich procedurą) poddać je procesowi pęcznienia. Określoną masę jonitu należy zalać wodą destylowaną lub roztworem wodnym kwasu/zasady/ soli na czas wskazany przez producenta. Długość czasu użytecznej pracy jonitu zależy przede wszystkim od roboczej zdolności wymiennej jonitu, ilości wymienianych jonów oraz przygotowania złoża do wymiany jonowej. Pomiędzy stopniem zregenerowania złoża a czasem jego użytecznej pracy istnieje wprost proporcjonalna zależność. Podczas wymiany jonowej oczyszczany roztwór 4

z określoną prędkością przepływa przez złoże (najczęściej w kierunku z góry na dół). Prędkość ta zależy od rodzaju jonitu, wysokości złoża, średnicy kolumny i zwykle mieści się w granicach 20 60 m/h. Proces wymiany jonowej trwa do momentu przebicia złoża, tzn. osiągnięcia założonego stężenie wymienianego jonu w oczyszczonym roztworze (rys.1). Regeneracja właściwa polega na przepuszczeniu przez zużyte złoże roztworu czynnika regenerującego, np. roztworu chlorku sodu w przypadku gdy stosowano kationit w formie sodowej. Z grup funkcyjnych jonitu usuwane są jony, które wprowadzone zostały w czasie wymiany jonowej. Zastępowane są one przez odpowiednie jony pochodzące od czynnika regenerującego (regeneranta), np. Na + z NaCl lub H + z HCl. Do regeneracji jonitów (kationitów i anionitów) stosuje się odpowiednio roztwory kwasów, zasad i soli, np. HCl, H 2 SO 4, CaCl 2, NaOH, Na 2 CO 3, NH 4 OH. W celu usunięcia ze złoża pozostałego regeneranta złoże należy przepłukać wodą zdemineralizowaną. Koniec tego etapu kontrolować można analitycznie (np. oznaczając stężenie jonów chlorkowych w wycieku z kolumny, jeżeli do regeneracji zastosowano chlorek sodu lub mierząc ph wycieku, jeżeli do regeneracji zastosowano kwas solny). 3. Zastosowanie wymiany jonowej Proces wymiany jonowej znajduje głównie zastosowanie do: zmiękczania, demineralizacji i odsalania, usuwania fosforanów i azotanów, usuwania azotu amonowego, metali i radionuklidów, usuwania niektórych zanieczyszczeń organicznych. Twardość niewęglanowa jest wynikiem obecności w wodzie chlorków, siarczanów, krzemianów, azotanów, fosforanów wapnia i magnezu. Twardość węglanowa wynika z obecności w wodzie wodorowęglanów wapnia i magnezu. Twardość ogólna jest sumą wartości węglanowej i niewęglanowej. W zależności od wymaganego stopnia zmniejszenia twardości wody oraz rodzaju usuwanej twardości stosuje się wymianę jonową: a) w cyklu wodorowym na kationitach słabo kwaśnych usuwanie twardości węglanowej, b) w cyklu sodowym lub wodorowym na kationitach silnie kwaśnych usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej, c) w cyklu wodorowym i cyklu sodowym usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej, d) w cyklu wodorowym (kationit słabo kwaśny dekarbonizacja + kationit silnie kwaśny usuwanie twardości niewęglanowej), e) dekarbonizacja i dekationizacja na kationicie silnie kwaśnym pracującym w cyklu sodowym i anionicie silnie zasadowym pracującym w cyklu chlorkowym. Zmiękczanie wody polega na przepuszczaniu wody przez kationit sodowy. W ten sposób usuwa się z wody twardość wapniową i magnezową. Podczas zmiękczania wody na jonitach zasadowość jej nie ulega zmianie, gdyż wodorowęglany wapnia i magnezu przechodzą w wodorowęglan sodu w ilościach równoważnych. Pozbywanie się zasadowości równoznaczne z pozbywaniem się węglanów nosi nazwę dekarbonizacji. Dekarbonizację można przeprowadzić na kationicie słabo kwaśnym w formie wodorowej oraz na kationicie silnie kwaśnym pracującym w cyklu wodorowym. W drugim przypadku, oprócz dwutlenku węgla, powstają kwasy mineralne. Zwiększają one korozyjne właściwości wody i z tego powodu nie zleca się ich stosowania jako jedynych jonitów w układzie technologicznym. Zastosowanie tego typu jonitów pozwala jednak na usunięcie twardości węglanowej i niewęglanowej. 5 5

Demineralizacja wody polega na usunięciu z niej wszystkich kationów i anionów. Wymianę jonów zapewnia układ technologiczny obejmujący dekationizację i deanionizację. W tabeli nr 1 zaprezentowano zastosowanie procesu wymiany jonowej. Tabela 1. Zastosowanie procesu wymiany jonowej. 6 Zastosowanie wymiany jonowej Stosowany jonit Usuwane jony Produkt uboczny wymiany jonów Usuwanie twardości niewęglanowej (zmiękczanie) Kt Na silnie kwaśny Mg 2+, Ca 2+ Usuwanie twardości węglanowej (zmiękczanie i dekarbonizacja) Kt H słabo kwaśny Mg 2+, Ca 2+, HCO 3 CO 2 - można usunąć z wody przez odgazowywanie Usuwanie twardości węglanowej i niewęglanowej Kt H silnie kwaśny Mg 2+, Ca 2+, HCO 3 CO 2 - można usunąć z wody przez odgazowywanie, kwasy mineralne obecne w wodzie zdekationizowanej można usunąć z wody przez zastosowanie slnie kwaśnego kationitu w formie sodowej Demineralizacja, odsalanie (częściowa demineralizacja) Kt H silnie kwaśny + An OH silnie zasadowy + złoże mieszane Wszystkie kationy i aniony CO 2 - można usunąć z wody przez odgazowywanie, kwasy mineralne obecne w wodzie zdekationizowanej można usunąć z wody przez zastosowanie slnie kwaśnego kationitu w formie sodowej. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem ćwiczenia jest usunięcie twardości wapniowej z wody wodociągowej lub przygotowanego roztworu CaCl 2 oraz wyznaczenie zdolności wymiennej roboczej jonitu. Proces prowadzony jest w układzie kolumnowym. Woda wodociągowa podawana na kolumnę spływa pod ciśnieniem hydrostatycznym przez nieruchome złoże umieszczone w kolumnie. Roztwór wpływający do kolumny nazywa się wciekiem, a wypływający z kolumny wyciekiem. 6

7 wciek Ca 2+ woda wodociągowa lub roztwór CaCl 2 1. W procesie zmiękczania wody zastosowano kationit silnie kwaśny firmy Wofatit KPS, pracujący w cyklu sodowym (Kt Na). 2. Zdolność wymienna całkowita tego kationitu jest równa 1800 mval/dm 3. Prędkość przepływu wody ok. 60 cm 3 /min. Do regeneracji złoża można zastosować nasycony lub 5% roztwór chlorku sodu. 3. Stężenie jonów Ca 2+ oznacza się we wcieku i wycieku oznaczone Ca 2+ wyciek Ca 2+ woda zmiękczona Według Polskiej Normy (PN 71/C 04554) twardość wody oznacza się metodą miareczkową za pomocą wersenianu disodowego. Metoda ta opiera się na tworzeniu się związków kompleksowych soli disodowej kwasu etylenodiaminotetraoctowego EDTA (wersenianu disodowego) z jonami wapnia(ii) i magnezu(ii). Jako wskaźnika używa się czerni eriochromowej T, która przy ph = 10 tworzy z kationami Ca 2+ i Mg 2+ czerwono zabarwione związki kompleksowe. Są one mniej trwałe niż kompleksy tych metali z wersenianem. Z tego powodu w trakcie miareczkowania badanej wody wersenianem disodowym rozkładają się kompleksy tych metali z czernią eriochromową. W końcowym punkcie miareczkowania czerń eriochromowa T zostaje całkowicie uwolniona z kompleksów wapnia i magnezu, co prowadzi do zmiany barwy roztworu z czerwonej na niebieską. Właściwy przebieg miareczkowania warunkuje odpowiednie środowisko reakcji - ph = 10 i czas miareczkowania nie dłuższy niż 5 minut. Oznaczanie jonów wapnia(ii) wykonuje się w środowisku wodorotlenku sodowego (ph~12 13), miareczkując próbkę wersenianem disodowym wobec mureksydu lub kalcesu jako wskaźników. Magnez w takich warunkach (ph~12 13) strąca się w postaci Mg(OH) 2. Miareczkowanie jonów wapnia można prowadzić bez odsączania osadu. W laboratorium Inżynierii Środowiska oznaczamy stężenie jonów wapnia wykorzystując automatyczną biuretę firmy HACH. WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Zregenerować kationit nasyconym roztworem chlorku sodowego przez złoże przepuszczamy ok. 100 cm 3 tego roztworu. 2. Jonit przemyć 250 cm 3 wody dejonizowanej. 3. Zmierzyć wysokość warstwy kationitu w kolumnie oraz średnicę kolumny. 4. Oznaczyć twardość wapniową i magnezową w wodzie wodociągowej. 7

5. Uruchomić stanowisko badawcze. Zmierzyć natężenie przepływu zmiękczanej wody przez kolumnę ze złożem jonitowym. 6. Wyciek z kolumny jonitowej zbierać do cylindra. Należy mierzyć sumaryczną objętość wycieku aż do końca trwania wymiany jonowej (wysycenie jonitu). 7. Oznaczać twardość wapniową i magnezową w wycieku z kolumny: a) próby pobierać bezpośrednio z kolumny do przygotowanego naczynia, b) odpipetować 2 cm 3 próbki do kolby stożkowej, a pozostałość ponownie umieścić w cylindrze zawierającym wyciek, c) próby pobierać z częstotliwością co 100 cm 3 wycieku. Proces wymiany jonowej należy prowadzić do momentu wysycenia złoża (stężenie jonów jest takie same jak w wodzie wodociągowej). Objętości pobranych próbek należy dodać do sumarycznej objętości wycieku mierzonej w cylindrze. 8. Po skończonej pracy należy przepłukać kolumnę jonitową wodą destylowaną i pozostawić stanowisko do regeneracji dla następnej grupy. Jonit musi być zalany wodą dejonizowaną. WYKONANIE OZNACZENIA TWARDOŚCI WAPNIOWEJ 1. Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm 3 pobrać 2 cm 3 wody wodociągowej /wycieku z kationitu, 2. Uzupełnić wodą destylowaną do 100 cm 3, 3. Dodać 2 cm 3 roztworu buforowego (ph = 10), 4. Następnie dodać szczyptę wskaźnika czerni eriochromowej T (wskazana przez prowadzącego zajęcia), 5. Uzyskany roztwór miareczkować roztworem EDTA do zmiany barwy z fioletowej na niebieską. Do tego celu wykorzystać biuretę cyfrową. 6. Sumaryczne stężenie jonów wapnia(ii) (wyrażone w mval/dm 3 ) obliczamy ze wzoru: Σ [Ca 2+ ] = n Z / V gdzie: n liczba jednostek odczytana z biurety cyfrowej (liczba niemianowana), Z miano roztworu miareczkującego EDTA [mval] należy odczytać z etykiety na naboju z roztworem miareczkującym wykorzystywanym w biurecie cyfrowej. V objętość próbki pobrana do oznaczenia [dm 3 ]. 7. Wyznaczyć zdolność wymienną roboczą kationitu korzystając z zależności: Z rob = n rob / V K n rob = c rob V rob gdzie: Z rob zdolność wymienna robocza jonitu [mval/dm 3 ], V K objętość kationitu [dm3], n ilość mvali jonów wapnia(ii) w punkcie przebicia [mval], V objętość roztworu w punkcie przebicia [dm3], c stężenie roztworu w punkcie przebicia [mval/dm 3 ]. 8 8. Wyznaczyć zdolność wymienną całkowitą kationitu korzystając z zależności: Z nas = n nas / V K 8

9 n nas = c nas V nas gdzie: Z nas zdolność wymienna całkowita jonitu [mval/dm 3 ], V K objętość kationitu [dm 3 ], n ilość mvali jonów wapnia(ii) w punkcie wysycenia kationitu [mval], V objętość roztworu w punkcie wysycenia kationitu [dm3], c stężenie roztworu w punkcie wysycenia kationitu [mval/dm3]. OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI Sprawozdanie powinno być przygotowane wg Załącznika 1 i ma obejmować: 1. Cel badań 2. Schemat stanowiska badawczego 3. Zestawienie wyników w tabelach 4. Wykres zależności zawartości jonów Ca 2+ w wycieku z kolumny od jego objętości 5. Obliczoną całkowitą zdolność wymienną kolumny jonitowej 6. Zaznaczony na wykresie punkt przebicia kolumny 7. Obliczoną zdolność roboczą jonitu w przeprowadzonym doświadczeniu. LITERATURA 1. A. L. Kowal, M. Świderska - Bróż, Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa 1996. 2. B. i E Gomółkowie, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii wody, Wyd. Polit. Wrocławska 1992 3. A. Anielak, Chemiczne i fizykochemiczne oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, warszawa 2000. 9

10 WZÓR Załącznik 1 GRUPA... Imię i Nazwisko studenta 1.... 2.... DATA... Cel ćwiczenia: Sprawozdanie z ćwiczenia Nr 6 USUWANIE TWARDOŚCI WAPNIOWEJ W PROCESIE WYMIANY JONOWEJ Krótki opis doświadczenia: Wyniki: Tabela 1. Parametry kolumny jonitowej/kationitu parametr Wysokość złoża (kationitu) [dm] Średnica kolumny [dm] Objętość kationitu [dm 3 ] Natężenie przepływu roztworu [dm 3 /h] Tabela 2. Zawartość jonów Ca 2+ w wodzie dejonizowanej i wodzie wodociągowej Woda dejonizowana Woda wodociągowa Tabela 3. Przebieg wymiany jonowej Objętość wycieku z kolumny [dm 3 ] Liczba jednostek odczytanych z biurety (objętość roztworu EDTA) Liczba jednostek odczytanych z biurety (objętość roztworu EDTA) Stężenie jonów Ca 2+ [mgca 2+ /dm 3 ] Stężenie jonów Ca 2+ [mgca 2+ /dm 3 ] Opracowanie wyników: 1. Zdolność wymienna całkowita jonitu 2. Wykres zależności zawartości jonów Ca 2+ w wycieku z kolumny od jego objętości C Ca2+ [mgca 2+ /dm 3 ] V [dm 3 ] Wykres 1. Zależność zawartości jonów Ca 2+ w wycieku z kolumny od jego objętości 3. Punkt przebicia kolumny - zaznaczony na wykresie 4. Zdolność robocza jonitu w przeprowadzonym doświadczeniu WNIOSKI: 10