· характеристик исходного раствора для сорбции - природы ионов и их концентрации, значений pH среды, температуры комплексообразования, содержания в ионите и др.;
· особенностей ионитов, содержащихся в фильтре, - фракционного состава ионита, высоты слоя фильтра, способа и степени регенерации, строения макрорадикала, его пористости, природы функциональных групп и их содержания в ионите;
· гидродинамики процесса и качества фильтрата для потребителя, например, скорости фильтрации, концентрации примесей в фильтрате, выбранной за проскок.
В связи с этим определение ДОЕ в лаборатории выполняют в условиях, подобных реальному технологическому процессу, или для проведения сравнения сорбируемости ионов в заранее выбранных одинаковых условиях. Для определения ДОЕ применяют лабораторную фильтрующую установку, состоящую из стеклянной трубки, в нижней части которой впаяна стеклянная пластинка с мелкими отверстиями, которые меньше, чем фракция ионита, обладающая малым сопротивлением фильтрации. Навеску кондиционного ионита, равную 2,5 г, помещают в химический стакан, заливают водой для набухания и оставляют примерно на 1-2 ч. Взвесь ионита с водой помещают в колонку, наполовину заполненную водой. Взвесь добавляют порциями по стеклянной палочке, прислоненной к внутренней стенке колонки, не дожидаясь полного осаждения частиц ионита из предыдущей порции. Необходимо следить за наполнением колонки, не допускать перелива воды с суспензией ионита.
При заполнении ионитом колонки малого объема следует непрерывно пропускать воду. После заполнения колонки ионит промывают водой до прекращения усадки слоя. Надо следить за тем, чтобы воздух не попадал в колонку с ионитом, а уровень воды в колонке не опускался ниже верхнего уровня сорбента. Наличие пузырьков воздуха в колонке нарушает однородность потока жидкости и снижает эффективность использования ионита [2].
Через подготовленную колонку пропускают исследуемый раствор катионов или анионов со скоростью 1-2 капли в секунду, что составляет около 10 м/ч, и собирают фракции фильтрата, равные 25 см3 , из которых отбирают пробы для анализа проскочивших ионов.
Данные изменения концентраций сорбируемых ионов Ci в каждой фракции и объем пропущенной воды заносят в таблицу и строят график Ci = f ?Дфильтрат. ДОЕ рассчитывают по формуле
Исходя из условий, целесообразно применять для большинства сорбентов с ионообменными свойствами (пермутиты, оксиды алюминия, кремния и др.) в качестве тестового иона ион Cu2+ ( при определении катионной емкости поглощение) и ион Cl-- (при определении анионной емкости поглощения), так как они легко определяются аналитически [2]. Для ионитов, применяющихся для умягчения воды, определение ДОЕ проводят с использованием раствора CaCl2.
Степень использования определяется методом регенерации и расходом регенерирующего агента, временем контакта ионита с водой и с регенерирующим агентом, концентрацией солей, рН, конструкцией и гидродинамикой используемого аппарата. На рисунке 6 показано, что процесс очистки воды прекращают при определенной концентрации лимитирующего иона, как правило, задолго до полного насыщения ионита [4]. Количество поглощенных при этом ионов, соответствующее площади прямоугольника А, отнесенное к объему ионита, и будет ДОЕ.
Количество поглощенных ионов, соответствующее полному насыщению, когда проскок равен 1, соответствующее сумме ДОЕ и площади заштрихованной фигуры над S -образной кривой, называют полной динамической обменной емкостью (ПДОЕ). В типовых процессах водоподготовки ДОЕ обычно не превышает 0,4-0,7 ПОЕ.
Рисунок 7 - Сравнение полной динамической ПДОЕ и динамической обменной емкости ДОЕ. Заштрихованная площадь А соответствует ДОЕ, а вся площадь над кривой с учетом проскока солей - ПДОЕ
Заключение
В настоящее время наблюдается высокий уровень загрязнения окружающей среды, представляющий опасность для экосистем и здоровья населения. Поверхностные воды испытывают большую антропогенную нагрузку, подвергаясь загрязнению сточными водами предприятий горнодобывающей, топливо-энергетической, металлургической, коксохимической, химической, деревообрабатывающей промышленности, агропромышленного комплекса и коммунального хозяйства.
Анализ известных методов очистки от органических соединений различных классов позволяет сделать заключение, что несмотря на кажущееся их разнообразие, не существует такого универсального и одновременно экономичного метода, который можно было бы рекомендовать для очистки любых вод от органических соединений в широком концентрационном диапазоне, с выделением ценных компонентов. Широкие перспективы открывает в этом направлении применение сорбционных методов очистки. Такие методы характеризуются высокой эффективностью, экономичностью, универсальностью, простотой аппаратурного оформления и ведения технологического процесса, небольшой стоимостью при высокой степени очистки.
Адсорбционная очистка, как правило, может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из сорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные загрязнения уничтожаются как не представляющие технической ценности.
Значительный вклад в развитие теории и практики сорбционных процессов внесли М.М. Дубинин, А.М. Когановский, А.Н. Фрумкин, Р.М. Марутовский, Н.В. Кельцев, В.Б. Фенелонов и др. [8].
Эффективным и широко используемым методом очистки является ионный обмен, или ионообменная сорбция - процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы - ионита. Этот метод применяется в случаях, когда необходима самая глубокая очистка.
Развитию данного вида технологии способствует большое количество типов, марок ионообменных смол с разнообразным механизмом действия и невысокой ценовой категорией. При использовании ионитов важное значение имеют показатели сорбционной ёмкости, оценка которых позволяет контролировать весь технологический процесс очистки.
В данной работе мы рассмотрели методы определения и расчёта статической сорбционной емкости (СОЕ), динамической объемной емкости (ДОЕ), ионитовой полной динамической емкости (ПДОЕ).
Полная обменная емкость (ПОЕ) определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену, в единице массы воздушно-сухого или набухшего ионита и выражается в мг-экв/г или мг-экв/л. Она является постоянной величиной, которую указывают в паспорте ионита, и не зависит от концентрации или природы обменивающегося иона. ПОЕ может изменяться (уменьшаться) из-за термического, химического или радиационного воздействия. В реальных условиях эксплуатации ПОЕ уменьшается со временем вследствие старения матрицы ионита, необратимого поглощения ионов-отравителей (органики, железа и т. п.), которые блокируют функциональные группы.
Равновесная (статическая) обменная емкость зависит от концентрации ионов в воде, рН и отношения объемов ионита и раствора при измерениях. Её величина необходима для проведения расчетов технологических процессов.
Но самый важный показатель - это динамическая обменная емкость (ДОЕ) - обменная емкость ионита, определяемая по появлению данного иона в вытекающем из колонки раствора (по «проскоку»). Она наиболее полно отражает сорбционный процесс на практике. В реальных условиях многократного применения ионита в цикле сорбции-регенерации обменная емкость используется не полностью, а лишь частично. Поэтому, важно знать величину ПДОЕ.
ПДОЕ (полная динамическая обменная емкость) - определяется по полному прекращению извлечения данного иона из раствора, т.е. в момент выравнивания концентрации поглощаемого иона в растворе и фильтрате при пропускании раствора через колонку с ионитом.
Литература
1. Н.Л. Глинка «Общая химия: учебное пособие для вузов».
2. Комиссаренков А.А., Федорова О.В. Сорбционные технологии.
3. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии. Учебник для вузов / Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002.
4. http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=5489
5. НПО Экология. Природные технологии жизни // Очистка от тяжелых металловводы : [сайт]. www.promc.ru, http://www.promc.ru/zeolite/index. php? page=metal
6. Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки воды / С.В. Яковлев [и др.] - Л.: Стройиздат, 1987. - 312 с.
7. Масленицкий И.Н., Чугаев Л.В., Борбат В.Ф.. Металлургия благородных металлов// Под ред. Л.В. Чугаева. M/: Металлургия, 1987
8. Теоретические и практические аспекты сорбционных и мембранных процессов: материалы Международной конференции / под общ. ред. Т.А. Красновой; ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». - Кемерово, 2014 - 229 с.
9. https://infopedia.su/17xa6c8.html Сорбенты / [сайт]. URL: http://vseokraskah.net/ochistka-stochnyh-vod/5-3-sorbciya.html
10. Сорбенты / [сайт]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сорбенты
11. Сорбенты / [сайт]. URL: http://www.twirpx.com/file/341131/
12. Адсорбенты / Химическая энциклопедия, т. 1-4. М. Советская энциклопедия. Большая Российская энциклопедия, 1988- 1995, стр. 261
13. Скорость процесса адсорбции / Кнунянц И.Л. (ред.) Химический энциклопедический словарь. 1983.