Методы ионного обмена

Рассмотренные методы все же не дают степени умягчения, которая требуется для некоторых областей применения воды. Кроме того, они громоздки и связаны со значительным расходом реагентов. В последние годы широкое распространение получил метод ионного обмена.

Применяемые в данном методе соединения называются ионитами – это твердые материалы, способные обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде.

К ионитам относятся различные вещества – как неорганические, так и органические, природные и синтетические. Одним из простейших ионообменных материалов является сульфоуголь, получаемый обработкой бурых углей концентрированной Н₂SO₄ при нагревании. Неорганические иониты – пермутиты. Это искусственно приготовленные зернистые материалы, по своей природе являющиеся алюмосиликатами. Их получают сплавлением кварца (SiO₂) с каолином (Al₂O₃) и содой (Na₂CO₃). Состав может быть условно обозначен [Na₂П].

В настоящее время наибольшее значение приобрели различные ионообменные смолы, вырабатываемые на основе синтетических полимеров. В зависимости от того какие ионы в этих смолах обмениваются – катионы или анионы, различают катиониты и аниониты.

Методы ионного обмена применяются как для умягчения воды, так и для ее обессоливания. По виду обмениваемых ионов катиониты подразделяют на Na – катиониты – Na₂R (для умягчения воды), Н – катиониты (для обессоливания воды).

При пропускании воды через колонку, заполненную Na – катионитом (зерна 0,2-0,3 мм), происходят обменные реакции:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂R = 2NaНСО₃ + CaR;

CaCl₂ + Na₂R = 2NaCl + CaR;

Mg(HCO₃) + Na₂R = 2NaНСО₃ + MgR,

где R – практически нерастворимый анион ионита. Вода полностью освобождается от Ca²⁺ и Mg²⁺.

Когда весь Na⁺ в катионите заменится на Ca²⁺ и Mg²⁺, катион утрачивает способность смягчать воду, но он может быть легко восстановлен – регенерирован концентрированным раствором NaCl:

CaR + 2NaCl = CaCl₃ + Na₂R;

MgR + 2NaCl = MgCl₂ + Na₂R.

Сущность Н – катионирования состоит в реакции обмена иона Н⁺ из катиона на ионы Ca²⁺,Mg²⁺, Na⁺ в воде.

Ca(HCO₃)₂ + Н₂R = CaR + 2Н₂О + 2СО₂;

CaCl₂ + Н₂R = CaR + 2НCl;

MgSO₄ + Н₂R = MgR + Н₂SO₄.

В результате обработки в воде вместо солей появляется эквивалентное количество кислоты. Происходит обессоливание воды.

Регенерация Н – катионов осуществляется раствором кислоты:

CaR + Н₂SO₄ = CaSO₄ + Н₂R.

Аниониты способны к обмену ионов только в кислой среде. С помощью анионитов осуществляется обмен всех кислотных анионов, содержащихся в воде, на ионы ОН^-:

SO₄^2- + R(ОН)₂ = RSO₄ + 2ОН^-,

CO₃^2- + R(ОН)₂ = RCO₃ + 2ОН^-,

Cl^- + R(ОН)₂ = RCl₂ + 2ОН^-.

Аниониты регенерируются раствором NaОН:

RSO₄ + 2NaОН = Na₂SO₄ + R(ОН)₂.

Кроме перечисленных методов на практике применяются еще магнитные, ультразвуковые, электрохимические и другие методы обработки воды.

Частичное удаление солей из воды может быть осуществлено путем вымораживания. Этот способ применяется для опреснения морской воды. При замерзании воды основная масса солей остается в незамерзшей воде, а лед сравнительно мало содержит солей.

Вода, используемая для питьевых нужд, подвергается очистке от взвесей (коагуляцией, осветлением) и обеззараживанию с помощью жидкого хлора, хлорной извести, озона.

Примеры решения задач

Пример 1. Определите общую Ж_о, карбонатную Ж_к и некарбонатную Ж_нк жесткость воды, если на титрование её 100 мл потребовалось 8 мл 0.1н. раствора трилона Б и 5 мл 0.1н. раствора соляной кислоты.

Решение:

Расчёт жёсткости воды ведётся по закону эквивалентов:

ммоль/л,

где V_B – объём анализируемой пробы воды, мл; V_T – объём титрующего раствора, мл; С_Н – нормальная (эквивалентная) концентрация титрующего раствора, моль/л.

После подстановки заданных значений получим:

ммоль/л,

ммоль/л,

Ж_нк = Ж_о – Ж_к = 8 – 5 = 3 ммоль/л.

 

 

Пример 2. Анализ воды показал, что в ней содержится гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂ массой 1386 мг, хлорид кальция CaCl₂ массой 610 мг, хлорид натрия NaCl массой 480 мг. Объём воды составил5 л. Определите общую жёсткость Ж_о, карбонатную Ж_к, некарбонатную Ж_нк жесткость, солесодержание, рН воды.

Решение:

Общая жесткость воды Ж_о – суммарная концентрация ионов Ca²⁺и Mg²⁺, выраженная в ммоль/л:

где m₁, m₂ – масса катионов Ca²⁺и Mg²⁺ в воде или соответствующих им солей, мг; Э₁, Э₂ – молярная масса эквивалентов (эквивалент) катионов Ca²⁺и Mg²⁺ или соответствующих им солей, г/моль; V – объём воды, л.

Определим эквиваленты солей, характеризующих жёсткость воды:

Э(Ca(HCO₃)₂) = М/2 = 81.05 г/моль, Э(CaCl₂) = М/2 = 55.5 г/моль.

Общую жёсткость воды можно рассчитать:

ммоль/л.

Поскольку карбонатная жёсткость Ж_к – это часть Ж_о, обусловленная содержание в воде гидрокарбонатов кальция и магния, то она равна:

ммоль/л.

Некарбонатная жесткость Ж_нк исследуемой воды обусловлена содержанием в ней соли хлорида кальция:

ммоль/л.

Солесодержание:

г/л.

Расчёт рН воды. Соли NaCl, CaCl₂ образованы сильными основаниями и сильными кислотами. Их растворы в воде имеют нейтральную реакцию среды, рН=7. Соль Ca(HCO₃)₂ образована сильным основанием Ca(OH)­₂ и слабой кислотой H₂CO₃, поэтому при растворении в воде подвергается гидролизу, и её раствор имеет основную реакцию среды:

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-.

Константа гидролиза соли вычисляется по формуле:

,

где К_ώ = 10^-14 – ионное произведение воды; К_д1(H₂CO₃) = 4.45●10^-7 – константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени.

Уравнение диссоциации гидрокарбоната кальция:

Ca(HCO₃)₂ ↔ Ca²⁺ + 2HCO₃^-,

поэтому исходная концентрация гидрокарбонат-ионов: С₀ = 2С(Ca(HCO₃)₂) = 3.3●10^-3 моль/л.

Определяем степень гидролиза гидрокарбоната кальция:

Находим концентрацию гидроксид-ионов и рН раствора соли:

моль/л,

,

- основная реакция среды.

Пример 3. Природная вода имеет следующие исходные показатели качества: общая жёсткость Ж_о = 5.15 ммоль/л, солесодержание Р = 0.47 г/л. Солевой состав воды: 1386 мг Ca(HCO₃)₂, 500 мг MgCl₂, 480 мг NaCl. Объём воды V = 5 л. Определите жёсткость и солесодержание воды после Na – катионирования.

Решение:

При Na-катионировании исходная вода пропускается через слой Na-катионита. При этом ионы Ca²⁺и Mg²⁺ из природной воды обмениваются на ионы Na⁺ из катионита:

2R^-Na⁺_(И) + Ca²⁺_(р-р) ↔ R^-₂Сa²⁺_(И) + 2Na⁺_(р-р)

2R^-Na⁺_(И) + Mg²⁺_(р-р) ↔ R^-₂Mg²⁺_(И) + 2Na⁺_(р-р).

Обмен происходит по закону эквивалентов, т.е.

N_Э(Ca²⁺, Mg²⁺) = N_Э(Na⁺) или Ж_оV = N_Э(Na⁺).

Молярные массы эквивалентов солей жёсткости и солей натрия:

Э(Ca(HCO₃)₂) = М/2 = 162.11/2 = 81.05 г/моль;

Э(MgCl₂) = М/2 = 95.21/2 = 47.62 г/моль;

Э(NaHCO₃) = М = 84 г/моль; Э(NaCl) = М = 58.5 г/моль.

Тогда солесодержание Na-катионированной воды будет определяться содержанием в воде солей натрия:

 

г/л.

Видно, после полного Na – катионирования воды её солесодержание осталось, примерно, как в исходной воде.

Пример 4. Определите жёсткость, солесодержание и рН воды после её обработки методом Н – катионирования, если её природная вода имеет следующий солевой состав: 1386 мг Ca(HCO₃)₂, 500 мг MgCl₂, 480 мг NaCl. Объём воды V = 5 л.

Решение:

При Н-катионировании исходная вода пропускается через слой Н-катионита. При этом катионы из обрабатываемой воды обмениваются на ионы водорода из катионита:

2R^-Н⁺_(И) + Ca²⁺_(р-р) ↔ R^-₂Сa²⁺_(И) + 2Н⁺_(р-р)

2R^-Н⁺_(И) + Mg²⁺_(р-р) ↔ R^-₂Mg²⁺_(И) + 2Н⁺_(р-р)

R^-Н⁺_(И) + Na⁺_(р-р) ↔ R^-Na⁺_(И) + Н⁺_(р-р).

Как видно, после Н-катионирования в обработанной воде практически не остаётся растворённых солей, т.е. солесодержание и жёсткость воды становятся близкими к нулю: Р=0; Ж_о=0. Однако обработанная вода в результате образования избытка ионов водорода становится более коррозионно-агрессивной, так как уменьшается рН среды. Обмен катионов происходит по закону эквивалентов:

поэтому концентрация ионов водорода в обработанной воде будет равна:

моль/л.

Определим рН обработанной воды:

рН = -lg a(H⁺) ≈ -lg C(H⁺) = - lg(7.1●10^-3) = 2.2 – среда кислая.

Пример 5. Определите жёсткость, солесодержание и рН воды после параллельного Н-Na – катионирования. Природная вода имеет исходные показатели качества: жесткость карбонатная Ж_К = 3.3 ммоль/л, жесткость некарбонатная Ж_НК = 2.2 ммоль/л, солесодержание Р = 0.47 г/л. Солевой состав: 1386 мг Ca(HCO₃)₂, 500 мг MgCl₂, 480 мг NaCl. Объём воды V = 5 л.

Решение:

В методе параллельного H-Na – катионирования весь объём воды делится на два потока, один из которых (эквивалентный некарбонатной жёсткости) направляется на Na – катионирования, а другой (эквивалентный карбонатной жёсткости) – на Н - катионирование:

После обработки потоки воды объединяются. Процессы в катионитах:

2R^-Na⁺_(И) + Mg²⁺_(р-р) + 2Cl^-_(p-p) ↔ R^-₂Mg²⁺_(И) + 2Na⁺_(р-р) + 2Cl^-_(p-p),

2R^-Н⁺_(И) + Ca²⁺_(р-р) + 2HCO₃^-_(p-p) ↔ R^-₂Сa²⁺_(И) + 2Н⁺_(р-р) + 2HCO₃^-_(p-p).

Как видно из уравнений процессов H-Na – катионирования, при полном сдвиге равновесия вправо в воде не остаётся ионов Ca²⁺и Mg²⁺, следовательно, Ж_о=0. Солесодержание обработанной воды определяется растворённой в воде солью NaCl (исходная соль плюс продукт катионирования):

г/л.

Как видно, солесодержание воды после параллельного Н-Na – катионирования стало меньше, чем в исходной воде, но не стало равным нулю, как при Н-катионировании.

Водородные показатель среды после параллельного Н-Na – катионирования определяется наличием в обработанной воде избытка водородных ионов, концентрация которых эквивалентна Ж_К исходной воды:

моль/л,

рН = -lg a(H⁺) ≈ -lg C(H⁺) = - lg(3.3●10^-3) = 2.48 – среда кислая.

Пример 6. Определите массы реагентов, требуемых для полного умягчения воды, если природная вода имеет следующие показатели жесткости (ммоль/л): Ж_К = 3.3, Ж_НК = 2.2. Объём воды V = 5 л. Солевой состав воды Ca(HCO₃)₂, MgCl₂.

Решение:

Умягчение воды методом осаждения – это обработка воды химическими реагентами: содой и известью. В результате образуются труднорастворимые вещества CaCO₃ и Mg(OH)₂, выделяемые из воды фильтрованием:

При добавлении в воду извести Ca(OH)₂ снижается карбонатная жёсткость:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2Н₂О.

При добавлении в воды соды Na₂CO₃ снижается некарбонатная жёсткость воды:

MgCl₂ +Na₂CO₃ = MgCO₃ + 2NaCl.

Массу используемых реагентов можно определить по закону эквивалентов:

Эквивалентные массы реагентов:

Э(Ca(OH)₂) = 37 г/моль, Э(Na₂CO₃) = 53 г/моль.

Определим массы реагентов для умягчения воды:

г или 611 мг,

г или 583 мг.

Пример 7. Общая жёсткость воды Жо = 5.5 ммоль/л, карбонатная жёсткость Ж_К = 3.3 ммоль/л. Объём воды V = 5 л. Определите массу осадка, выпавшего при термическом умягчении воды.

Решение:

При термическом умягчении воды происходит снижение карбонатной жёсткости в соответствии с реакцией

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + Н₂О + СО₂ .

Массу образовавшегося карбоната кальция (осадка) можно определить по закону эквивалентов:

Эквивалент карбоната кальция: Э(CaCO₃) = M/2 = 50 г/моль, тогда масса образовавшегося карбоната кальция

г.

Определим, сколько карбоната кальция растворится в 5 л воды. Согласно справочным данным произведение растворимости ПР(CaCO₃) = 4.8●10^-9. Предельная растворимость в воде карбоната кальция:

моль/л,

предельная масса растворённого в 5 л воды карбоната кальция:

г.

Таким образом, в осадок при термическом умягчении воды выпадет:

г.

Остаточная жёсткость воды после её термического умягчения будет практически равна некарбонатной жесткости 2.2 ммоль/л.