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 CuCl 2 (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
|
С, ммоль/л |
||||
Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.
Рис. 3.4
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.
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.
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.
Введение
Полная обменная емкость анионита определяется при его нейтрализации раствором HCl или H 2 SO 4 в статических или динамических условиях и выражается в эквивалентах на 1г сухого или набухшего анионита.
Реакции обмена анионов / А-анионит/ имеют вид:
А. /OH/ +H /Cl = A.OH.Cl +H O;
A. /OH/ + H /SO = A.SO +2 H O .
Помимо обменной емкости к основным показателям пригодности анионита относят: обесцвечивающую способность, степень набухания, способность к старению, нерастворимость в воде и органических растворителях, простоту регенерации, термическую и механическую прочность.
Полная обменная емкость различных марок анионитов, используемых в сахарной промышленности, может быть 1 - 10 мг-экв/г. Применяемый для обесцвечивания сахарных растворов отечественный макропористый анионит АВ-17-2П имеет полную обменную емкость по 0,1 н. раствору HCl 3,8 мг-экв/г, а по 0,1 н. раствору NaCl 3,4 мг-экв/г.
Цель анализа - оценить качество анионита для обесцвечивания сахарных растворов.
Принцип метода анализа основан на титровании непоглощенного анионитом раствора кислоты 0,1 н. раствором NaOH.
Реактивы :
0,1 н. растворы HCl и NaOH.
Приборы и материалы:
Стеклянная колонка диаметром 18 мм, высотой 250 мм с оттянутым в нижней части концом, на который надевают резиновую трубку с винтовым зажимом;
Стеклянная воронка;
Мерная колба на 500 см 3 ;
Бюретка для титрования;
Химический стакан;
Анионообменная смола.
Ход определения
10г приготовленного для анализа анионита в ОН - форме переводят водой в стеклянную колонку диаметром 18 мм с тампоном из стеклянной ваты на дне, а избыток воды спускают через резиновую трубку с винтовым зажимом.
После этого через слой анионита в течение 30 мин равномерно пропускают 400 см 3 0,1 н. раствора HCl, поддерживая уровень раствора над слоем анионита равным 1 см. Затем его промывают двойным по объему анионита количеством воды. Фильтрат и промывные воды собирают в мерную колбу и доводят их объем до 500 см 3 . Отбирают из общего объема в стакан 50 см 3 и титруют 0,1 н. раствором NaOH.
Расчеты:
1. Для получения сравнимых результатов обменную емкость анионита выражают также, как и катионита через мг-экв/г сухого ионита.
Поэтому, если 1 г абсолютно сухого анионита поглотит
см 3 0,1 н. раствора HCl, а 1 см 3 этого раствора содержит 0,1 мг-экв/г, то полная обменная емкость анионита Е А может быть рассчитана из формулы
,
где E А - полная обменная емкость анионита, мг-экв/г абсолютно сухого ионита;
a - количество фильтрата, собранное для титрования, см 3 ;
V О – количество 0,1 н. раствора HCl, пропущенного через анионит, см 3 ;
V b - общее количество фильтрата, см 3 ;
g - количество сухого анионита, взятого для определения его емкости, г;
W – влажность анионита, %. Определяют методом высушивания в течение 3-х часов при 95-100˚С.
2. Емкость анионита может быть выражена и в процентах по HCl. В этом случае учитывают то, что 1 см 3 0,1 н. раствора HCl содержит 0,0036 г HCl, расчет E ведут по формуле
6.3. Регенерация ионообменных смол
Введение
Отработанные в рабочем цикле ионообменные смолы после их промывки водой подвергают регенерации (восстановлению).
Катиониты восстанавливают слабыми растворами HCl и H SO
K.Na + H /SO = K.H+ Na /SO ;
KNa + HCl = KH + NaCl.
Для восстановления анионитов применяются слабые растворы NaOH, KOH, NaCl и др.
A.OH.Cl + Na /OH = A./OH/ + Na /Cl .
В конце цикла регенерации кислотность регенерата из катионообменника или щелочность регенерата из анионообменника должны приближаться к кислотности и щелочности регенерационных растворов. Окончание регенерации устанавливают путем титрования.
Цель анализа - восстановить обменную емкость ионитов.
Принцип метода анализа основан на титровании регенерационных растворов из катионообменника 0,1 н. раствора NaOH, а из анионообменника - 0,1 н. раствором HCl.
Реактивы:
5%-ный раствор HCl;
4%-ный раствор NaOH;
0,1 н. раствор NaOH;
0,1 н. раствор HCl.
Приборы и материалы:
Стеклянные колонки с катионообменной смолой и анионообменной смолой.
Ход определения
После промывания смолы водой в колонках проводят регенерацию: катионита – 5%-ным раствором HCl, а анионита - 4%-ным раствором NaOH, пропуская их со скоростью 20 см 3 /мин.
Окончание регенерации катионита устанавливают титрованием его регенерационных растворов 0,1 н. раствором NaOH , а анионообменника – 0,1 н. раствором HCl.
После регенерации катионит отмывают водой до нейтральной или слабокислой реакции, а анионит – до нейтральной или слабощелочной реакции.
1. Что представляет собой ионный обмен?
2. Что такое ионообменные смолы?
3. Какие ионообменные смолы применяют в сахарном производстве?
4. Расскажите о статической и динамической обменной емкости ионитов?
5. Что определяет полная обменная емкость ионитов?
6. В каких единицах выражается полная обменная емкость?
7. С какой целью используют иониты в сахарном производстве?
8. На каком принципе основано определение полной обменной емкости ионитов?
9. Для чего проводят регенерацию ионообменных смол?
10. На каком принципе основано выполнение регенерации ионитов?
11. Как определяют окончание процесса регенерации ионитов?
Лабораторная работа № 7
Анализ сточных вод сахарного производства
Введение
В пищевой промышленности наибольшее количество воды потребляется сахарными заводами. Если для нужд свеклосахарного завода использовать только чистую воду из естественных водоемов, не возвращая части отработавшей воды в производство, то общий расход промышленной (свежей) воды составит 1200-1500% к массе свеклы. Сократить расход свежей воды до 150-250% к массе свеклы можно при условии использования на многих участках сахарного завода отработавшую воду по схеме оборотного водоснабжения. Артезианская вода расходуется только на промывание сахара-песка в центрифугах, для раскачки утфеля Ι кристаллизации и нужд заводской лаборатории.
Сточные (отработавшие) воды сахарных заводов разнообразны по своему физико-химическому составу, степени загрязнения и способу требуемой очистки. По степени загрязнения их классифицируют на три категории. Каждую категорию подразделяют на две подгруппы: А и Б, из которых вода подгруппы А по качеству лучше подгруппы Б.
Сточные воды сахарного производства содержат большое количество органических веществ, и их очистка в естественных условиях связана с определенными трудностями, требует значительных земляных площадей и может оказывать отрицательное влияние на окружающую среду. В последние годы разработан ряд способов биологической очистки и соответствующее оборудование для их реализации. Предлагаемые в настоящее время способы очистки в основном базируются на анаэробных и аэробных процессах разложения примесей сточных вод сахарных и крахмалопаточных заводов.
Современная технология очистки сточных вод заключается в последовательном отделении содержащихся в них примесей механическим, анаэробным и аэробным способами. При этом анаэробный способ является новым процессом в технологии очистки сточных вод. Анаэробный процесс очистки требует для его проведения выдерживания температур в интервале 36-38 0 С, что связано с дополнительным расходом тепла. Его отличие от широко распространенного аэробного способа состоит прежде всего в минимальном приросте биоосадка и превращении углеводсодержащих примесей в биогаз, основным компонентом которого является метан.
Аэробный процесс
С 6 Н 12 О 6 + О 2 ---- СО 2 + Н 2 О + Биоосадок + Тепло (6360 кДж).
Анаэробный процесс
С 6 Н 12 О 6 ---- СН 4 + СО 2 + Биоосадок + Тепло (0,38 кДж).
Анаэробные способы подразделяют на четыре основные группы по типу используемых в процессах очистки реакторов:
С рециркуляцией биоосадка (активного ила):
Со слоем анаэробного осадка и внутренним его осаждением;
С инертными наполнителями для биоосадка;
Специальные.
Сточные воды, подвергаемые анаэробной очистке, должны содержать как можно меньше механических примесей и веществ, ингибирующих метаногенный процесс. В них должна пройти гидролизно-кислотная фаза и кроме этого сточные воды должны иметь определенную величину рН и температуру в диапазоне 36-38 0 С.
Считается, что анаэробный способ очистки экономически выгоден для сточных вод с загрязнением более 1,2-2,0 г/дм 3 БПК 5 (биологическое потребление кислорода). Верхний предел загрязнения при этом не ограничен. Он может равняться и 100 г/дм 3 ХПК (химическое потребление кислорода).
К ним относят:
А) Избыточную свежую воду из напорного резервуара, от охлаждения утфеля в утфелемешалках, от насосов и других установок с температурой ниже 30°С. Для возврата в производство эти воды не требуют очистки;
Б) Барометрическую, аммиачную и другие с температурой выше 30°С. Для возврата этих вод требуется предварительное охлаждение и аэрация.
К сточным водам II категории относят транспортерно-моечную воду из гидравлических транспортеров и свекломоек. Для повторного использования этих вод в производстве требуется их предварительная механическая очистка путем отстаивания в специальных отстойниках.
К сточным водам III категории относят: жомопрессовую воду, ее отстой, лаверные воды, осадок транспортерно-моечной воды, жидкий фильтрационный осадок, хозяйственно-бытовые, фекальные и другие вредные воды. Для очистки вод III категории требуются биологические и комбинированные способы очистки в соответствующих отстойниках и на полях фильтрации.
На действующих сахарных заводах за основу принимают следующие основные показатели баланса воды (% к массе свеклы): забор свежей воды из водоема – 164; количество оборотных вод I категории – 898; II категории –862; сточных вод III категории – 170 или 110 при условии отстаивания суспензии транспортерно-моечного осадка в вертикальных отстойниках-сгустителях Ш1-ПОС-3 и возврате декантата в контур рециркуляции вод II категории.
Для вновь строящихся свеклосахарных заводов потребление свежей воды на производственные нужды не должно превышать 80% к массе свеклы, а количество сбрасываемых очищенных производственных сточных вод в природные водоемы – не более 75% к массе свеклы.
При анализе качества промышленных и сточных вод определяют их температуру, цвет, запах, прозрачность, характеристику осадка, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, рН, общую щелочность (кислотность), окисляемость, биохимическое потребление кислорода (БПК), химическое потребление кислорода (ХПК), концентрацию аммиака, нитратов, хлоридов и другие показатели.
Цель работы - освоить методы контроля качества промышленной (свежей) и сточных вод.
6. Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-12-94)
7. ИЗДАНИЕ (январь 2002 г.) с Поправкой (ИУС 3-91)
Настоящий стандарт распространяется на иониты и устанавливает методы определения динамической обменной емкости с полной регенерацией ионита и с заданным расходом регенерирующего вещества.
Методы заключаются в определении количества ионов, поглощаемых из рабочего раствора единицей объема набухшего ионита при непрерывном протекании раствора через слой ионита.
1. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ
1. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ
1.1. Метод отбора проб указывают в нормативно-технической документации на конкретную продукцию.
1.2. Для ионитов, у которых массовая доля влаги менее 30%, отбирают пробу (100±10) г. Для набухания пробу помещают в стакан вместимостью 600 см и заливают насыщенным раствором хлористого натрия, который должен с избытком покрывать слой ионита с учетом его набухаемости. Через 5 ч ионит промывают дистиллированной водой.
1.3. Для ионитов с массовой долей влаги более 30% отбирают пробу (150±10) г в стакан вместимостью 600 см и приливают 200 см дистиллированной воды.
2. РЕАКТИВЫ, РАСТВОРЫ, ПОСУДА, ПРИБОРЫ
Вода дистиллированная по ГОСТ 6709 или деминерализованная, отвечающая требованиям ГОСТ 6709 .
Барий хлористый по ГОСТ 742 , х.ч., раствор с массовой долей 10%.
Кальций хлористый 2-водный, х.ч., растворы концентраций (СаСl=0,01 моль/дм (0,01 н.) и (СаСl)=0,0035 моль/дм (0,0035 н.).
Кислота соляная по ГОСТ 3118 , х.ч., растворы с массовой долей 5% и концентраций (НСl)=0,5 моль/дм (0,5 н.), (НСl)=0,1 моль/дм (0,1 н.) и (НСl)=0,0035 моль/дм (0,0035 н.).
Кислота серная по ГОСТ 4204 , х.ч., растворы с массовой долей 1%, концентрации (HSO)=0,5 моль/дм (0,5 н.).
Натрия гидроокись по ГОСТ 4328 , х.ч., растворы с массовой долей 2, 4, 5%, концентраций (NaOH)=0,5 моль/дм (0,5 н.), (NaOH)=0,1 моль/дм (0,1 н.), (NaOH)=0,0035 моль/дм (0,0035 н.).
Натрий хлористый по ГОСТ 4233 , х.ч., насыщенный раствор и раствор концентрации (NaCI)=0,01 моль/дм (0,01 н.).
Индикатор смешанный, состоящий из метилового красного и метиленового голубого или из метилового красного и бромкрезолового зеленого, готовят по ГОСТ 4919.1 .
Индикатор метиловый оранжевый или метиловый красный, раствор с массовой долей 0,1%, готовят по ГОСТ 4919.1 .
Индикатор фенолфталеин, спиртовой раствор с массовой долей 1%, готовят по ГОСТ 4919.1 .
Поглотитель химический известковый ХПИ-1 по ГОСТ 6755 или известь натронная.
Трубка (хлоркальциевая) по ГОСТ 25336 .
Мензурка 1000 по ГОСТ 1770 .
Цилиндры по ГОСТ 1770 исполнений 1-4 вместимостью 100 и 250 см и исполнений 1, 2 вместимостью 500 и 1000 см.
Стаканы В или Н по ГОСТ 25336 в любом исполнении вместимостью 600 и 1000 см.
Колбы Кн-1-250 по ГОСТ 25336 .
Пипетки 2-2-100, 2-2-25, 2-2-20 и 2-2-10 по НТД.
Бюретки по НТД типов 1, 2, исполнений 1-5, классов точности 1, 2, вместимостью 25 или 50 см, с ценой деления не более 0,1 см и бюретки типов 1, 2, исполнения 6, классов точности 1, 2, вместимостью 2 или 5 см, с ценой деления не более 0,02 см.
Колбы мерные исполнений 1, 2 по ГОСТ 1770 , классов точности 1, 2, вместимостью 10, 25 и 100 см.
Сито с контрольной сеткой 0315К по ГОСТ 6613 с обечайкой диаметром 200 мм.
Чашка ЧКЦ-5000 по ГОСТ 25336 или из полимеризационного материала, достаточная для помещения в нее сита.
Установка лабораторная (см. чертеж) состоит из бутыли 1 и стеклянной колонки 6 внутренним диаметром (25,0±1,0) мм и высотой не менее 600 мм для определения динамической обменной емкости в условиях полной регенерации ионита и внутренним диаметром (16,0±0,5) мм и высотой не менее 850 мм для определения в условиях заданного расхода регенерирующего вещества. В нижнюю часть колонки впаян фильтр 7 типа ФКП ПОР 250 ХС по ГОСТ 25336 или другое фильтрующее устройство, устойчивое к действию кислот и щелочей, не пропускающее зерен ионита размером более 0,25 мм и обладающее малым сопротивлением фильтрации. Колонку соединяют с бутылью с помощью стеклянной трубки 3 и резинового шланга 4 с винтовым зажимом 5. Для предотвращения попадания углекислого газа из воздуха в раствор гидроокиси натрия в пробку бутыли устанавливают хлоркальциевую трубку 2 с поглотителем ХПИ-1.
Лабораторная установка
Допускается применение других средств измерения с метрологическими характеристиками не хуже указанных, а также реактивов по качеству не ниже указанных.
3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИ С ПОЛНОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИОНИТА
3.1. Подготовка к испытанию
3.1.1. Подготовку к испытанию проводят по ГОСТ 10896 и после подготовки ионит хранят в закрытой колбе под слоем дистиллированной воды.
Катионит марки КУ-2-8чС и анионит марки АВ-17-8чС к испытанию по ГОСТ 10896 не готовят.
3.1.2. Пробу ионита из колбы в виде водной суспензии переносят в цилиндр вместимостью 100 см и уплотняют слой ионита постукиванием о твердую поверхность дна цилиндра до прекращения усадки. Объем ионита доводят до 100 см и с помощью дистиллированной воды переносят ионит в колонку, следя за тем, чтобы между гранулами ионита не попали пузырьки воздуха. Избыток воды из колонки сливают, оставляя над уровнем ионита слой высотой 1-2 см.
3.1.3. Ионит в колонке промывают дистиллированной водой, пропуская ее сверху вниз со скоростью 1,0 дм/ч. При этом анионит отмывают от щелочи (по фенолфталеину), а катионит от кислоты (по метиловому оранжевому).
3.1.4. Сильноосновные аниониты в гидроксильной форме быстро загружают и промывают водой, не содержащей углекислый газ.
3.2. Проведение испытания
3.2.1. Определение динамической обменной емкости ионитов состоит из нескольких циклов, каждый из которых включает три последовательные операции - насыщение, регенерацию, отмывку, условия проведения которых приведены в табл.1.
Таблица 1
Условия определения динамической обменной емкости с полной регенерацией ионита
Показатель | Класс ионитов | Рабочий раствор для насыщения ионитов | Контроль насыщения | Регенери- | |||
насыще- | отмыв- | регене- |
|||||
Динамическая обменная емкость до проскока () | Сильно- | Кальций хлористый (CaCl)=0,01 моль/дм (0,01 н.) | До концентрации ионов кальция в фильтрате (Са)=0,05 ммоль/дм (0,05 мг·экв/дм) определяют по ГОСТ 4151 | Соляная кислота, раствор с массовой долей 5% | |||
Сильно- | Натрий хлористый (NaCl)=0,01 моль/дм (0,01 н.) | До снижения концентрации щелочи на 0,5 ммоль/дм (0,5 мг·экв/дм) в сравнении с максимально устойчивым ее значением в фильтрате [индикатор смешанный, титрующий раствор, соляная кислота концентрации (НСl)=0,01 моль/дм (0,01 н.)] и до повышения содержания ионов хлора в сравнении с его устойчивым содержанием в фильтрате (определяют по ГОСТ 15615) | Гидроокись натрия, раствор с массовой долей 5% | ||||
Слабо- | До появления в фильтрате кислоты (по метиловому оранжевому) | ||||||
Полная динамическая обменная емкость () | Слабо- | Соляная кислота (НСl)=0,1 моль/дм (0,1 н.) | До уравнивания концентрации фильтрата с концентрацией рабочего раствора | Гидроокись натрия, раствор с массовой долей 2% | |||
Примечания:
1. При определении концентрации ионов Ca по ГОСТ 4151
2. Удельная нагрузка - это объем раствора, пропускаемый через объем ионита за 1 ч. Например, 5 дм/дм·ч соответствует скорости фильтрации, при которой через 100 см ионита за 1 ч проходит 500 см раствора (8,3 см/мин).
3. Скорость фильтрации устанавливают измерением в мерном цилиндре объема фильтрата, полученного за определенный интервал времени.
Растворы и воду подают сверху вниз. При насыщении анионита марок АН-1 и АН-2ФН растворы подают снизу вверх.
3.2.2 Перед проведением операций насыщения, регенерации и отмывки колонку заполняют соответствующим раствором. Слой раствора над ионитом должен быть (15±3) см.
3.2.3. После насыщения, регенерации и отмывки в колонке над ионитом оставляют слой жидкости высотой 1-2 см.
3.2.4. Колонку с ионитом заполняют рабочим раствором для конкретного класса ионита (см. табл.1) так, чтобы слой раствора над ионитом составлял (15±3) см, и выбирают соответствующую скорость фильтрации.
При пропускании через колонку с ионитом рабочих растворов концентрации 0,1 моль/дм (0,1 н.), фильтрат собирают в цилиндры вместимостью 250 см, при концентрации 0,01 моль/дм (0,01 н.) - в цилиндры вместимостью 1000 см. Во втором и последующих циклах насыщения перед появлением ионов рабочего раствора в фильтрате (определяют после первого цикла) фильтрат собирают порциями по 100 и 250 см соответственно концентрациям рабочего раствора.
3.2.5. От каждой порции фильтрата отбирают пробу и контролируют насыщение в соответствии с табл.1.
3.2.6. После появления в порции фильтрата ионов рабочего раствора вычисляют общий объем фильтрата.
3.2.7. Для определения полной динамической обменной емкости продолжают пропускать раствор до выравнивания концентрации фильтрата с концентрацией рабочего раствора. Контроль насыщения в этом случае проводят титрованием пробы раствором кислоты (гидроокиси натрия) со смешанным индикатором до изменения окраски.
3.2.8. Перед проведением регенерации ионит в колонке взрыхляют током дистиллированной воды снизу вверх так, чтобы все зерна ионита были в движении. Взрыхление катионита марки КУ-1 и анионитов марок АН-1 и АН-2ФН проводят перед операцией насыщения.
3.2.9. Регенерацию ионита проводят раствором кислоты (гидроокиси натрия) со скоростью, указанной в табл.1. Фильтрат непрерывно собирают порциями цилиндром объемом 250-1000 см, добавляя 3-4 капли индикатора. При появлении кислоты (гидроокиси натрия) в фильтрате в последующих порциях определяют ее концентрацию. Для контроля фильтрата отбирают пипеткой или мерной колбой пробу и титруют раствором кислоты (гидроокиси натрия) концентрации (НСl, HSO)=0,5 моль/дм (0,5 н.), (NaOH)=0,5 моль/дм (0,5 н.) в присутствии индикатор
3.2.10. Раствор кислоты (гидроокиси натрия) пропускают до уравнивания концентрации фильтрата с концентрацией регенерирующего раствора.
3.2.11. Ионит после регенерации промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции по метиловому оранжевому (фенолфталеину) со скоростью, указанной в табл.1. Затем ионит выдерживают в дистиллированной воде в течение 1 ч и снова проверяют фильтрат. Если фильтрат не имеет нейтральной реакции, ионит промывают повторно.
3.2.12. Определение динамической обменной емкости заканчивают, если в двух последних циклах получены результаты, расхождение между которыми не превышает 5% среднего результата.
3.2.13. Динамическую обменную емкость анионита АВ-17-8чС определяют на двух параллельных пробах по первому циклу насыщения, перед появлением ионов рабочего раствора в фильтрате. Фильтрат собирают порциями по 250 см. За результат принимают среднее арифметическое результатов двух определений, допускаемое расхождение между которыми не превышает 5% среднего результата.
(Поправка, ИУС 3-91).
4. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИ С ЗАДАННЫМ РАСХОДОМ РЕГЕНЕРИРУЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА
4.1. Подготовка к испытанию
4.1.1. Ионит, отобранный в соответствии с пп.1.2 и 1.3, отделяют от мелких фракций методом мокрого рассева по ГОСТ 10900 , используя сито с сеткой N 0315К.
4.1.2. Отсеянный анионит помещают в стакан, приливают 500 см раствора гидроокиси натрия с массовой долей 4% и перемешивают. Через 4 ч раствор гидроокиси сливают, а анионит промывают водой до слабощелочной реакции по фенолфталеину и переносят в колонку, как указано в п.3.1.2.
4.1.3. Отсеянный катионит промывают от взвеси и мути дистиллированной водой декантацией до появления светлой промывной воды и переносят в колонку в соответствии с п.3.1.2.
4.2. Проведение испытания
4.2.1. Определение динамической обменной емкости ионитов до появления ионов рабочего раствора в фильтрате () состоит из нескольких циклов, каждый из которых включает три последовательные операции - насыщение, регенерацию, отмывку, условия проведения которых приведены в табл.2. Растворы и воду подают сверху вниз. Высоту слоя жидкости над уровнем ионита устанавливают, как указано в пп.3.2.2 и 3.2.3.
Таблица 2
Условия определения динамической обменной емкости ионитов при заданном расходе регенерирующего вещества
Класс ионитов | Регенери- | Норма удельного расхода регене- | Контроль отмывки | Рабочий раствор для насыщения ионита | Контроль насыщения | Скорость фильтрации |
||
насы- | отмывка | реге- |
||||||
Сильно | До остаточной концентрации кислоты в фильтрате не более | Кальций хлористый (СаСl=0,0035 моль/дм (0,0035 н.) | До концентрации ионов кальция в фильтрате более (Ca)=0,05 ммоль/дм | |||||
Слабо- | Серная кислота, раствор с массовой долей 1% | До отсутствия в фильтрате сульфатионов (проба с BaCl в присутствии НСl) | Гидроокись натрия (NaOH)=0,0035 моль/дм (0,0035 н.) | До концентрации в фильтрате гидроокиси натрия (NaOH)=0,1 ммоль/дм | ||||
Сильно- | Гидроокись натрия с массовой долей 4% | До остаточной концентрации гидроокиси натрия в фильтрате не более (NaOH)=0,2 ммоль/дм | Натрий хлористый (NaCI)=0,01 моль/дм (0,01 н.) | До снижения концентрации щелочи на (NaOH)=0,7 ммоль/дм | ||||
Слабо- | Гидроокись натрия, раствор с массовой долей 4% | До остаточной концентрации гидроокиси натрия в фильтрате не более (NaOH)=0,2 ммоль/дм (0,2 мг·экв/дм) по фенолфталеину | Соляная (серная) кислота (НСl,HSO)=0,0035 моль/дм (0,0035 н.) | До остаточной концентрации кислоты в фильтрате не более (Н)=0,1 ммоль/дм (0,1 мг·экв/дм), индикатор смешанный, титрующий раствор - гидроокись натрия концентрации (NaOH)=0,01 моль/дм (0,01 н.) | ||||
Примечания:
1. При выражении нормы удельного расхода регенерирующего вещества () в граммах на моль под словом "моль" имеется в виду молярная масса эквивалента иона (Na, K, Са, Mg, Сl, NO, НСО, HSO, СО, SO
И т.д.).
2. Фактический расход регенерирующего вещества не должен отличаться от заданной нормы более чем на 5%.
3. При определении концентрации ионов Са по ГОСТ 4151 допускается использование 2-3 капель индикатора хром-темно-синего и титрование раствором трилона Б концентрации (NaHCON·2HO)=0,01 моль/дм (0,01
4. Удельная нагрузка - это объем раствора, пропускаемый через объем ионита за 1 ч. Например, 5 дм/дм·ч соответствует скорости фильтрации, при которой через 100 см ионита за 1 ч проходит 500 см раствора (8,3 см/мин).
5. Скорость фильтрации устанавливают измерением в мерном цилиндре объема фильтрата, полученного за определенный интервал времени.
Во избежание загипсовывания катионита регенерацию кислотой и отмывку от продуктов регенерации проводят без остановок, не допуская разрыва между операциями.
Перед проведением каждого последующего цикла ионит взрыхляют током воды снизу вверх так, чтобы все зерна ионита были в движении.
4.2.2. Через ионит в колонке пропускают регенерирующий раствор, объем которого () в кубических сантиметрах вычисляют по формуле
где - заданная норма удельного расхода регенерирующего вещества, г/моль (г/г·экв);
- динамическая обменная емкость; выбирают по нормативно-технической документации на конкретный ионит, моль/м (г·экв/м); для ионитов марок АВ-17-8, АН-31 и ЭДЭ-10П допускается для первой регенерации увеличенное значение динамической обменной емкости до 3;
- объем пробы ионита, см;
- концентрация регенерирующего раствора, г/дм.
Количество регенерирующего раствора измеряют на выходе из колонки цилиндром или мензуркой. Затем колонку отсоединяют, уровень раствора над ионитом в колонке опускают до 1-2 см и закрывают нижний за
4.2.3. Иониты после регенерации промывают дистиллированной водой от избытка кислоты (гидроокиси натрия) со скоростью, указанной в табл.2.
Периодически отбирают пробу фильтрата и титруют растворами гидроокиси натрия (кислоты) концентрации (NaOH, HCl, HSO)=0,1 моль/дм (0,1 н.) в присутствии метилового оранжевого (фенолфталеина).
Отмывку контролируют по табл.2.
4.2.4. После отмывки колонку заполняют рабочим раствором и устанавливают по табл.2 скорость насыщения.
При пропускании через колонку рабочих растворов концентрации 0,01 моль/дм (0,01 н.) фильтрат собирают в цилиндр вместимостью 250 см, при концентрации 0,0035 моль/дм (0,0035 н.) используют цилиндр вместимостью 1000 см. Во втором и последующих циклах насыщения перед появлением ионов рабочего раствора в фильтрате (определяют после первого цикла) фильтрат собирают по 100 и 250 см соответственно концентрациям рабочего раствора.
4.2.5. Для контроля насыщения от порции фильтрата отбирают пробу и анализируют ее в соответствии с табл.2. Если результат анализа показывает, что уровень насыщения не достиг значений, указанных в табл.2, все предыдущие пробы фильтрата можно не анализировать.
4.2.6. После появления в порции фильтрата ионов рабочего раствора в количествах, указанных в табл.2, насыщение заканчивают и вычисляют общий объем фильтрата () и динамическую обменную емкость.
4.2.7. Ионит подвергают второй регенерации и отмывают в соответствии с пп.4.2.2 и 4.2.3.
При расчете регенерирующего вещества, необходимого для второго цикла, используют значение динамической обменной емкости, полученное в первом цикле в соответствии с п.4.2.6.
Перед проведением последующих циклов насыщения расход регенерирующего вещества вычисляют по величине динамической обменной емкости, полученной в предыдущем цикле.
4.2.8. Определение заканчивают, если в двух последних циклах получены результаты, допускаемые расхождения между которыми не превышают 5% среднего результата, при фактическом удельном расходе регенерирующего вещества, отличающемся от заданной нормы не более чем на 5%.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Динамическую обменную емкость () в молях на кубический метр (г·экв/м) до появления ионов рабочего раствора в фильтрате вычисляют по формуле
где - общий объем фильтрата, пропущенный через ионит до появления ионов рабочего раствора, см;
- объем ионита, см.
5.2. Фактический расход регенерирующего вещества () в граммах на моль (г/г·экв) поглощенных ионов вычисляют по формуле
где - объем регенерирующего раствора, см;
- концентрация регенерирующего раствора, г/дм;
- общий объем фильтрата, пропущенного через ионит до появления ионов рабочего раствора, см;
- концентрация рабочего раствора, моль/дм (н.
5.3. Полную динамическую обменную емкость () в молях на кубический метр (г·экв/м) вычисляют по формуле
где - общий объем фильтрата, пропущенный через ионит до уравнивания концентраций фильтрата и рабочего раствора, см;
- концентрация рабочего раствора, моль/дм (н.);
- объем порции фильтрата после появления ионов рабочего раствора (проскока), см;
- концентрация раствора в порции фильтрата после появления ионов рабочего раствора (проскока), моль/дм (н.);
- объем ионита,
5.4. За результат определения принимают среднее арифметическое результатов двух последних циклов, допускаемые расхождения между которыми не превышают ±5%, при доверительной вероятности =0,95.
Примечание. При выражении динамической обменной емкости ионитов в молях на кубический метр под словом "моль" имеется в виду молярная масса эквивалента иона (Na, K, Ca, Mg, Сl, NO, НСО, HSO, CO, SO и т.д.).
Текст документа сверен по:
официальное издание
Иониты. Методы определения
обменной емкости: Сб. ГОСТов. -
М.: ИПК Издательство стандартов, 2002
Обменная емкость ионитов является их важнейшей технологической характеристикой. Способность к ионному обмену определена, как известно, наличием в ионитах функциональных групп, которые у катионитов носят кислотный характер -SO 3 H (сульфогруппа), -COOH (карбоксильная группа), у анионитов - основной. Монофункциональные катионы, содержащие сульфогруппы, являются сильнокислотными (сильно диссоциирующими), а содержащие карбоксильные группы - слабокислотными (слабо диссоциирующими). Сильнокислотные катиониты(например, КУ-2-8) осуществляют обмен ионов практически при любых значениях pH среды, так как их функциональные группы диссоциируют, как и сильные кислоты, при любыхзначениях pH. Слабокислотные функциональные группы в кислой среде практически остаются в недиссоциированном состоянии, что резко уменьшает способность карбоксильных катионитов (типа КБ) к ионному обмену в таких условиях, поэтому их рекомендуется применять при обработке растворов с pH ³ 7. Отечественный катионит "сульфоуголь" содержит оба типа функциональных групп, поэтому его относят к среднекислотным катионитам.
Функциональными группами анионитов являются различные амины (-NH 2 , =NH, ºN), расположенные в порядке возрастания силы их основности, а также группы четвертичного аммониевого основания (-NR 3 OH). При присоединении первых трех групп образуются слабоосновные аниониты, а группа -NR 3 OH придает аниониту сильноосновной характер. Аминогруппы способны присоединять ион водорода с образованием комплексов -NH 3 , =NH 2 (потенциалообразующих ионов) с последующим образованием диффузного слоя противоионов. Из-за низкой основности функциональных аминогрупп слабоосновные аниониты работоспособны лишь в кислых средах и могут осуществлять ионный обмен только с анионами сильных кислот(Cl - , SO 4 2- , NO 3 -).
Сильноосновные (сильно диссоциирующие) аниониты с группой -NR 3 OH вступают в обменные реакции с анионами как сильных, так и слабых кислот (например, HCO 3 - , HSiO 3) в широкой области значений pH. Среди сильноосновных анионитов различают - аниониты типа 1 с функциональной группой -N(CH 3) 3 OH и типа 2 с группой -N(CH 3) 2 · (CH 2 · CH 2 OH)OH. Их отличие состоит в том, что анионит типа 2 хуже поглощает анион HSiO 3 - , но имеет более высокую обменную емкость и лучшую регенерируемость по сравнению с анионитом типа 1.
Возвращаясь к понятию "обменная емкость" ионитов, отметим, что на практике различают полную обменную емкость и рабочую обменную емкость . Полная обменная емкость ионита, выраженная в эквивалентах на единицу объема смолы, определяется числом привитых к матрице функциональных групп. Примерные значения полных обменных емкостей (E п) для ионитов различных типов приведены в табл. 4.2.
Цель работы – определить одну из основных физико-химических характеристик ионита – полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ).
Сущность работы . Максимальное количество ионов, которое может поглотить ионообменник, определяет его полную обменную емкость. Она соответствует концентрации ионогенных групп. Емкость выражается числом миллимоль эквивалентов обмениваемого иона, приходящимся на 1 г сухого (ммоль экв/г) или 1 мл набухшего ионита (ммоль экв/мл) при значениях рН, соответствующих его полной ионизации. Определение емкости ионитов проводят в статических или динамических условиях (в ионообменной колонке).
Емкость ионитов в динамических условиях определяют по выходным кривым, построенным в координатах «Концентрация обмениваемого иона на выходе из колонки – объем элюата». По ним находят полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ) и динамическую обменную емкость до проскока (ДОЕ), которая показывает количество поглощенных ионов до момента появления их в элюате (проскока).
В лабораторной работе необходимо определить ПДОЕ сильнокислотного катионита КУ-2 по меди (II). Для этого раствор CuSO 4 непрерывно пропускают через колонку, заполненную катионитом КУ-2 в Н + –форме, и собирают отдельные порции вытекающего раствора (элюата ) в мерные колбы для последующего определения концентрации Cu 2+ в каждой из них.
При пропускании раствора CuSO 4 через слой ионита протекает реакция ионного обмена:
2 R–SO 3 H + CuSO 4 Û (R–SO 3) 2 Cu + Н 2 SO 4 .
В первых порциях элюата ионы Cu 2+ должны отсутствовать, так как слой ионита будет постепенно насыщаться этими ионами по мере пропускания раствора. Затем наступит проскок ионов Cu 2+ в элюат, после которого концентрация Cu 2+ на выходе из колонки будет увеличиваться, пока не сравняется с концентрацией Cu 2+ на входе в колонку, что свидетельствует о полном насыщении слоя ионита.
Анализ элюата на содержание ионов Cu 2+ проводится фотометрически. Определение основано на образовании аммиаката меди (II), обладающего интенсивной синей окраской:
Cu 2+ + 4NH 3 ↔ 2+ .
Максимум светопоглощения этого соединения соответствует λ = 620 нм. Для нахождения неизвестной концентрации используется метод градуировочного графика.
Оборудование, посуда, реактивы : колонка с сульфокатионитом КУ-2 в водородной форме; фотоэлектроколориметр; кюветы (l = 3 см); склянка Мариотта для равномерной подачи раствора в колонку; стаканы; мерные колбы вместимостью 25,0 мл (3 шт.) и 50,0 мл (6 шт.); градуированные пипетки; цилиндр мерный вместимостью 25 мл, 0,1 н. стандартный раствор СuSO 4 ; 3 н. раствор HCl; реактивы для обнаружения Cu 2+ ; 5%-ный водный раствор NH 3 ; универсальная индикаторная бумага.
Выполнение работы
1. Подготовка ионита к работе . В работе используется заранее подготовленная колонка с катионитом, навеску которого необходимо уточнить у преподавателя.
Прежде всего необходимо перевести катионит в водородную форму. Для этого через колонку пропускают 80–100 мл 3 н. раствора HCl, проверяя фильтрат на содержание Cu (II). В качестве аналитических реагентов для обнаружения меди (II) можно использовать раствор NaOH или KOH (образуется голубой осадок Cu(OH) 2), водный раствор NH 3 (образуется аммиачный комплекс меди (II) интенсивно синего цвета ) и др.
При отсутствии катионов Cu (II) в фильтрате катионит в колонке промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции. В таком виде ионит считается подготовленным к работе.
2. Проведение ионного обмена в динамических условиях . В склянку Мариотта, присоединенную к верхней части колонки, заливают раствор CuSO 4 . Затем начинают пропускать его через слой катионита, поддерживая постоянной (~ 1 мл/мин) скорость фильтрации и регулируя ее на выходе винтовым зажимом. При выполнении работы необходимо следить за тем, чтобы уровень раствора в колонке поддерживался постоянным. Фильтрат собирают отдельными порциями в мерные колбы вместимостью 25,0 мл и в каждой из них определяют концентрацию Cu (II) (см. ниже ).
Пропускание раствора CuSO 4 через катионит прекращают тогда, когда содержание насыщающего иона Cu (II) в последних двух пробах остается постоянным.
3. Проведение анализа .
§ Построение градуировочного графика . Аликвоты стандартного 0,1 н. раствора CuSO 4 (1,00; 2,50; 4,00; 5,00; 6,00 мл) помещают в мерные колбы вместимостью 50,0 мл, добавляют в каждую колбу по 25 мл 5%-ного раствора аммиака и дистиллированную воду до метки. В мерной колбе той же вместимости готовят раствор сравнения, содержащий 25 мл раствора аммиака.
Измеряют светопоглощение (А ) одного из приготовленных растворов в кювете с толщиной слоя 3 см со всеми светофильтрами и по зависимости A = f (λ) проводят выбор светофильтра.
Затем измеряют светопоглощение всех эталонных растворов при выбранном светофильтре. Проводят обработку результатов измерений методом наименьших квадратов, желательно с использованием ПК, и строят градуировочный график в координатах A – С , ммоль экв/мл.
§ Анализ фильтрата . Каждую собранную порцию элюата (25,0 мл) количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50,0 мл и разбавляют до метки 5%-ным раствором аммиака. Измеряют светопоглощение по отношению к раствору сравнения и находят по градуировочному графику концентрацию Cu (II) в растворе.
Если измеренное значение A ≥ 0,6, то аликвоту этого раствора (10,0 мл) помещают в мерную колбу вместимостью 50,0 мл, прибавляют 20 мл 5%-ного раствора NH 4 OH и разбавляют дистиллированной водой до метки. Полученный раствор фотометрируют. При расчете концентрации меди (II) в каждой порции элюата необходимо учитывать проведенное разбавление.
4. Обработка полученных данных .
4.1. Расчет ПДОЕ :
· по измеренному значению светопоглощения (А ) каждого из растворов определяют концентрацию ионов Cu (II), используя градуировочный график;
· по закону эквивалентов рассчитывают концентрацию ионов Cu (II) во всех порциях элюата (25 мл), учитывая все предварительно сделанные разбавления;
· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) в общем объеме пропущенного раствора по формуле
где V (Cu 2+) = 25 мл – объем одной порции элюата; p – количество порций.
· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) во всех порциях элюата по формуле
где С i (1/2 Cu 2+) – концентрация меди в i -й порции элюата.
· по разности находят количество ммоль экв Cu (II), поглощенных ионитом:
· значение динамической обменной емкости ионита (ПДОЕ) рассчитывают по формуле
В некоторых случаях по указанию преподавателя, кроме того, рассчитывают ДОЕ.
4.2. Построение выходной кривой . По полученным данным строят выходную кривую, откладывая по оси абсцисс объем элюата (мл) от начала опыта, а по оси ординат – концентрацию меди (II) в каждой порции элюата (ммоль экв/л).
