Основы ионообменных процессов
Download 38.46 Kb. Pdf ko'rish
|
Основы ионообменных процессов
- Bu sahifa navigatsiya:
- Основная часть
Введение В ионообменных процессах осуществляется избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с помощью ионитов. Есть отличие между ионообменными процессами и обычными адсорбционными. Обмен ионами, происходящий между ионитами и раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитом и химическими соединениями, находящимися в водном растворе. Ионный обмен — это процесс, в котором твердый ионит реагирует с раствором электролита, обмениваясь с ним ионами. Такой обмен происходит в природе, в живом организме ионообменные процессы имеют важное значение и в технике, где иониты применяют для очистки растворов, для улавливания ценных металлов, для разделения различных веществ. Исследования показывают реакцию обмена, помимо ионов-водорода, еще в состав входят ионы щелочного металла стекла. При этом они частично заменяются на ионы водорода, а сами переходят в раствор. Между поверхностным слоем стек ла и раствором устанавливается равновесие ионообменного процесса. Для все еще достаточно трудного в настоящее время разделения ионов щелочных металлов большие возможности представляют недавно синтезированные иониты на основе изо- и гетерополикислот. Ионообменные процессы ускоряются, с помощью применения новых растворителей, а также они способствуют расширению границ применения ионного обмена. Основная часть Как устроен ионообменник, как работает и из чего состоит. Большое распространение в производстве имеют ионообменные установки периодического действия с неподвижным слоем ионита. Они состоят из цилиндрического корпуса и опорной решетки, на которой в свою очередь расположен слой гранулированного ионита. Для равномерного распределения раствора по площади поперечного сечения аппарата и предотвращения уноса мелких частиц ионита, имеются распределительные устройства в виде труб, а они снабжены колпачками или щелями для прохода раствора. Иногда в качестве распределительного устройства используют подушку из инертного зернистого материала (например гравия), который насыпают на решетку. Полный цикл работы аппарата складывается из следующих стадий: 1) ионообмен; 2) отмывка ионита от механических примесей, 3) регенерация ионита; 4) отмывка ионита от регенерирующего раствора. На первой стадии обрабатываемый раствор поступает через распределительное устройство, дальше проходит сквозь слой ионита сверху вниз и удаляется через распределительное устройство. На второй стадии через устройство подается под давлением промывная вода, которая проходит сквозь слой ионита снизу вверх и удаляется через распределительное устройство. Для регенерации отработанного ионита через распределительное устройство (насосом из бака) в аппарат поступает регенерирующий раствор, который движется, следующим образом, сквозь слой ионита в том же направлении, что и обрабатываемый раствор на первой стадии процесса. В качестве регенерирующих растворов при очистке воды используют растворы солей (например, хлористого натрия), а также растворы различных кислот и щелочей (серной кислоты, едкого натра и др). В некоторых ионообменных аппаратах исходный и регенерирующий растворы движутся в противоположных направлениях. При этом степень очистки повышается, так как обрабатываемый раствор, приближаясь к выходу из слоя ионита, взаимодействует с лучше отрегенерированной частью этого слоя. Когда стадия регенерации заканчивается, производят тщательную отмывку ионита от регенерирующего раствора водой, которая проходит сквозь слой в направлении сверху вниз. Пoсле этой завершающей стадии цикл работы аппарата начинается снова. Работа ионообменных установок в ряде случаев мoжет быть интенсифицирована при использовании движущегося или кипящего слоя ионита, способствующего повышению скорости сорбции и лучшему использованию емкости ионита. Ионообменные колонны периодического действия с неподвижным и взвешенным слоем могут применяться (как и обычные адсорберы) в виде батареи колонн в ионообменных установках непрерывного действия. Ионообменные колонны непрерывного действия могут работать с движущимся и кипящим слоем ионита. В промышленной практике непрерывную ионообменную сорбцию из пульп в кипящем слое ионита проводят с помощью нескольких последовательно соединенных полых колонн с пневматическим перемешиванием. В каждой колонне осуществляется интенсивная циркуляция пульпы посредством сжатого воздуха, подаваемого в центральную трубу, которая работает по принципу эрлифта. Эрлифтное устройство прилагается также для транспортирования ионита от ступени к ступени. Унос мелких зерен ионита с пульпой предотвращается с помощью сетки. Хотя каждый из аппаратов работает в режиме, близком к идеальному смешению, при достаточном числе последовательных ступеней (колонн) в установке достигается высокая степень насыщения ионита. Установки такого типа отличаются простотой устройства. Различают две основные характеристики ионообменных смол: набухание и обменная емкость. Начнем с набухания. Воздушно-сухих иониты, которые выпускаются промышленностью, состоят из твердых гранул. Когда иониты соприкасаются с водой, то набухают вследствие поглощения определенного количества воды. Оно сопровождается растяжением пространственной сетки смолы и увеличением ее объема (иногда даже в несколько раз). Способность к набуханию зависит от числа ионогенных групп и поперечных связок. С увеличением числа поперечных связок набухаемость уменьшается. В случае жесткой структуры стремление к набуханию может привести к растрескиванию смолы. Проникновение воды в поры ионита обусловлено стремлением ионов, находящихся в порах смолы в высокой концентрации, к гидратации. Набухание характеризуется коэффициентом набухания, равным отношению удельного объема набухшей смолы к Удельному объему смолы в исходной форме. Так же обменная емкость характеризуется максимальным количеством ионов, которое может быть поглощено смолой при ее насыщении. Это постоянная для данной смолы величина, которую можно определить либо в статических, либо в динамических условиях. При сорбции в статических условиях навеску смолы перемешивают с раствором определенного объема, содержащего большой избыток сорбируемого иона. При сорбции в динамических условиях раствор пропускают (фильтруют) через слой смолы, находящейся в колонке. Так же бы хотелось отметить количественные характеристики равновесия. При контакте ионита с раствором электролита происходит ионный обмен до достижения равновесия. Реакция обмена обратима и протекает в эквивалентных соотношениях аналогично обычным химическим реакциям. В общем виде реакция обмена ионов А и В описывается уравнением: где z A и z B — заряды ионов A и B (фаза ионита отмечена чертой). Для реакции по закону действующих масс термодинамическая константа равновесия , где a A , ,a B , ,a A ,a B — активности ионов в смоле и в растворе. Термодинамическую константу используют при теоретическом обсуждении ионообменного равновесия. На практике вследствие отсутствия данных о коэффициентах активности в фазе смолы применяют кажущуюся (концентрационную) константу равновесия : где С A , ,С B , ,С A ,С B — молярные концентрации в смоле и растворе. Иногда содержание ионов в растворе выражают в молярных концентрациях, а в смоле — в молярных долях NА и Nв . В этом случае При обмене ионов с одинаковой величиной зарядов константа обмена K В/А , — безразмерная величина и не зависит от единиц измерения концентраций в водной фазе и в ионите. Задача В каком случае более вероятен режим гелевой кинетики: при радиусе зерен ионит 0,1 или 1 мм; при концентрации внешнего раствора 0,0001 или 0,01 моль/л. Гелевая кинетика – кинетика диффузии в зерне ионита. Download 38.46 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling