Zielsetzung- Bestimmung einer der wichtigsten physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ionenaustauschers - der gesamten dynamischen Austauschkapazität (PDEC).
Essenz der Arbeit. Höchstbetrag der Ionen, die ein Ionenaustauscher aufnehmen kann, bestimmt seine gesamte Austauschkapazität. Sie entspricht der Konzentration an ionogenen Gruppen. Die Kapazität wird ausgedrückt als Anzahl Millimoläquivalente des ausgetauschten Ions pro 1 g trockenem (mmol Äquiv./g) oder 1 ml gequollenem Ionenaustauscher (mmol Äquiv./ml) bei pH-Werten, die seiner vollständigen Ionisation entsprechen. Die Kapazitätsbestimmung von Ionenaustauschern erfolgt unter statischen oder dynamischen Bedingungen (in einer Ionenaustauschersäule).
Die Kapazität von Ionenaustauschern unter dynamischen Bedingungen wird aus den in den Koordinaten "Konzentration des ausgetauschten Ions am Ausgang der Säule - Eluatvolumen" konstruierten Leistungskurven ermittelt. Sie werden verwendet, um die volle dynamische Austauschkapazität (PDOE) und die dynamische Austauschkapazität bis zum Durchbruch (DOE) zu finden, die die Menge der absorbierten Ionen anzeigt, bis sie im Eluat erscheinen (Durchbruch).
In Laborarbeiten ist es notwendig, die PDOE des stark sauren Kationenaustauschers KU-2 für Kupfer (II) zu bestimmen. Dazu eine Lösung von CuSO 4 ständigüber eine mit KU-2-Kationenaustauscher in H + -Form gefüllte Säule laufen lassen und getrennte Portionen der ablaufenden Lösung auffangen ( eluieren) in Messkolben zur anschließenden Bestimmung der Cu 2+ -Konzentration in jedem von ihnen.
Wenn eine CuSO 4 -Lösung durch die Ionenaustauscherschicht geleitet wird, läuft die Ionenaustauschreaktion ab:
2 R–SO 3 H + CuSO 4 Û (R–SO 3) 2 Cu + H 2 SO 4.
In den ersten Portionen des Eluats sollten Cu 2+ -Ionen fehlen, da sich die Ionenaustauscherschicht beim Durchlaufen der Lösung allmählich mit diesen Ionen sättigt. Dann kommt Unterhose Cu 2+ -Ionen in das Eluat, woraufhin die Cu 2+ -Konzentration am Säulenauslass ansteigt, bis sie gleich der Cu 2+ -Konzentration am Säuleneinlass ist, was anzeigt volle Sättigung Ionit-Schicht.
Die Analyse des Eluats auf den Gehalt an Cu 2+ -Ionen erfolgt photometrisch. Die Definition basiert auf der Bildung von Kupfer(II)-Ammoniak, das eine intensive blaue Farbe hat:
Cu 2+ + 4NH 3 ↔ 2+.
Das Lichtabsorptionsmaximum dieser Verbindung entspricht λ = 620 nm. Die Kalibrierkurvenmethode wird verwendet, um die unbekannte Konzentration zu finden.
Ausrüstung, Utensilien, Reagenzien: Säule mit KU-2-Sulfokationit in Wasserstoffform; photoelektrischer Kolorimeter; Küvetten ( l= 3 cm); eine Mariotte-Flasche zur gleichmäßigen Zufuhr der Lösung zur Säule; Brille; Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 25,0 ml (3 Stk.) und 50,0 ml (6 Stk.); graduierte Pipetten; Messzylinder mit einem Fassungsvermögen von 25 ml, 0,1 N. Standardlösung CuSO 4 ; 3 k. HCl-Lösung; Reagenzien zum Nachweis von Cu 2+ ; 5 % wässrige NH 3 -Lösung; universelles Indikatorpapier.
Abschluss der Arbeiten
1. Vorbereitung des Ionenaustauschers für die Arbeit. In der Arbeit wird eine vorgefertigte Säule mit Kationenaustauscher verwendet, deren Gewicht mit der Lehrkraft abgeklärt werden muss.
Zunächst ist es notwendig, den Kationenaustauscher in die Wasserstoffform zu überführen. Dazu werden 80–100 ml 3 N Salzsäure durch die Säule geleitet. HCl-Lösung, Kontrolle des Filtrats auf den Gehalt an Cu(II). Als analytische Reagenzien zum Nachweis von Kupfer (II) können Sie eine Lösung von NaOH oder KOH ( es bildet sich ein blauer Niederschlag Cu (OH) 2), eine wässrige Lösung von NH 3 ( ein Ammoniakkomplex von Kupfer(II) wird intensiv gebildet von blauer Farbe ) usw.
Bei Abwesenheit von Cu(II)-Kationen im Filtrat wird der Kationenaustauscher in der Kolonne mit destilliertem Wasser neutral gewaschen. In dieser Form gilt der Ionenaustauscher als betriebsbereit.
2. Ionenaustausch unter dynamischen Bedingungen durchführen. Eine Lösung von CuSO 4 wird in einen am Kopf der Säule angebrachten Mariottenkolben gegossen. Dann beginnen sie, es durch eine Kationitschicht zu leiten, halten eine konstante (~ 1 ml/min) Filtrationsrate aufrecht und regulieren sie am Auslass mit einer Schraubklemme. Bei der Durchführung von Arbeiten ist darauf zu achten, dass der Lösungsspiegel in der Säule konstant gehalten wird. Das Filtrat wird in Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 25,0 ml in getrennten Portionen gesammelt und in jedem von ihnen die Konzentration von Cu (II) bestimmt ( siehe unten).
Der Durchlauf der CuSO 4 -Lösung durch den Kationenaustauscher wird gestoppt, wenn der Gehalt des sättigenden Cu(II)-Ions in den letzten beiden Proben konstant bleibt.
3. Durchführung einer Analyse.
§ Aufbau einer Eichkurve. Aliquots von Standard 0,1 N. CuSO 4 -Lösung (1,00; 2,50; 4,00; 5,00; 6,00 ml) wird in Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 50,0 ml vorgelegt, 25 ml 5 %ige Ammoniaklösung zugesetzt und zu jedem Kolben Wasser bis zur Marke destilliert. In einem Messkolben gleichen Fassungsvermögens eine Referenzlösung mit 25 ml Ammoniaklösung herstellen.
Lichtabsorption messen ( ABER) eine der vorbereiteten Lösungen in einer Küvette mit einer Schichtdicke von 3 cm mit allen Filtern und entsprechend der Abhängigkeit EIN = f(λ) führt die Filterauswahl durch.
Messen Sie anschließend die Lichtabsorption aller Referenzlösungen mit dem gewählten Lichtfilter. Die Messergebnisse werden durch das Verfahren verarbeitet kleinsten Quadrate, vorzugsweise mit einem PC, und erstellen Kalibrierungskurve in Koordinaten EIN – AUS, mmol Äquiv./ml.
§ Filtratanalyse. Jede gesammelte Portion des Eluats (25,0 ml) wurde quantitativ in einen Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 50,0 ml überführt und mit 5 %iger Ammoniaklösung bis zur Marke verdünnt. Die Lichtabsorption wird in Bezug auf die Referenzlösung gemessen und die Konzentration von Cu (II) in der Lösung wird aus der Eichkurve ermittelt.
Wenn der gemessene Wert EIN≥ 0,6, dann wird ein Aliquot dieser Lösung (10,0 ml) in einen Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 50,0 ml gegeben, mit 20 ml einer 5%igen NH 4 OH-Lösung versetzt und mit destilliertem Wasser bis zur Marke verdünnt. Die resultierende Lösung wird photometrisch gemessen. Bei der Berechnung der Konzentration von Kupfer (II) in jeder Portion des Eluats muss die durchgeführte Verdünnung berücksichtigt werden.
4. Verarbeitung empfangener Daten.
4.1. Berechnung von PDOE:
durch den gemessenen Wert der Lichtabsorption ( ABER) jede der Lösungen die Konzentration von Cu(II)-Ionen anhand einer Eichkurve bestimmt;
· nach dem Äquivalentgesetz wird die Konzentration der Cu(II)-Ionen in allen Portionen des Eluats (25 ml) unter Berücksichtigung aller zuvor vorgenommenen Verdünnungen berechnet;
· Berechnung chemische Menge Cu(II)-Ionen (mmol-Äquiv.) in volle Lautstärke verpasst Lösung nach Formel
wo v(Cu 2+) = 25 ml – das Volumen einer Portion des Eluats; p- die Anzahl der Portionen.
Berechnen Sie die chemische Menge an Cu(II)-Ionen (mmol-Äquiv.) in allen Teilen des Eluats gemäß der Formel
wo C ich(1/2 Cu 2+) - Konzentration von Kupfer in ich-ten Teil des Eluats.
Finden Sie als Differenz die Anzahl der mmol-Äquivalente von Cu (II), die vom Ionenaustauscher absorbiert wurden:
Der Wert der dynamischen Austauschkapazität des Ionenaustauschers (PDOE) wird durch die Formel berechnet
In einigen Fällen wird auf Anweisung des Lehrers zusätzlich DOE berechnet.
4.2. Erstellen einer Ausgabekurve. Basierend auf den erhaltenen Daten wird eine Ausgabekurve erstellt, die das Volumen des Eluats (ml) vom Beginn des Experiments auf der Abszissenachse und die Konzentration von Kupfer (II) in jeder Portion des Eluats (mmol Äquiv./l ) entlang der Ordinatenachse.
Eine beträchtliche Anzahl von in der Natur vorkommenden und in der Praxis durchgeführten Prozessen sind Ionenaustauschprozesse. Ionenaustausch liegt der Migration von Elementen in Böden und Organismen von Tieren und Pflanzen zugrunde. In der Industrie wird es zur Trennung und Gewinnung von Stoffen, Wasserentsalzung, Abwasserbehandlung, Konzentration von Lösungen usw. verwendet. Der Ionenaustausch kann sowohl in einer homogenen Lösung als auch in einem heterogenen System stattfinden. BEI dieser Fall unter Ionenaustausch verstehen den heterogenen Prozess, bei dem ein Austausch zwischen Ionen in Lösung und in einer festen Phase stattfindet, genannt Ionenaustauscher oder Ionenaustauscher. Der Ionenaustauscher nimmt Ionen aus der Lösung auf und gibt im Gegenzug die Ionen, die Teil seiner Struktur sind, an die Lösung ab.
3.5.1. Einteilung und physikalisch-chemische Eigenschaften von Ionenaustauschern
Ionenaustausch-Sorbentien, Ionenaustauscher sind Polyelektrolyte, die zusammengesetzt sind aus Matrizen- unbewegliche Gruppen von Atomen oder Molekülen (hochmolekulare Ketten) mit Wirkstoff ionogene Gruppen Atome, die seine Ionenaustauschkapazität bereitstellen. Ionische Gruppen wiederum bestehen aus unbeweglichen Ionen, die durch Kräfte an die Matrix gebunden sind chemische Wechselwirkung, und ihre äquivalente Anzahl beweglicher Ionen mit der entgegengesetzten Ladung - Gegenionen. Gegenionen können sich unter Einwirkung eines Konzentrationsgradienten bewegen und gegen Ionen aus einer Lösung mit gleicher Ladung ausgetauscht werden. Im System Ionenaustauscher-Elektrolytlösung findet neben der Verteilung der auszutauschenden Ionen auch eine Umverteilung zwischen diesen Phasen der Lösungsmittelmoleküle statt. Zusammen mit dem Lösungsmittel wird eine gewisse Menge an coions(gleichnamige Ionen zuständig mit festen). Da die elektrische Neutralität des Systems gewahrt bleibt, gelangt zusammen mit den Koionen eine zusätzliche, ihnen äquivalente Menge an Gegenionen in den Ionenaustauscher.
Je nachdem, welche Ionen beweglich sind, werden Ionenaustauscher in Kationenaustauscher und Anionenaustauscher unterteilt.
Kationenaustauscher enthalten immobile Anionen und Austauschkationen, sie zeichnen sich durch saure Eigenschaften aus - ein mobiles Wasserstoff- oder Metallion. Beispielsweise Kationenaustauscher R / SO 3 - H + (hier ist R eine strukturelle Base mit einer festen funktionellen Gruppe SO 3 - und Gegenion H +). Je nach Art der im Kationenaustauscher enthaltenen Kationen spricht man von H-Kationenaustauschern, wenn alle seine beweglichen Kationen nur durch Wasserstoff repräsentiert werden, oder Na-Kationenaustauscher, Ca-Kationenaustauscher usw. Sie werden mit RH, RNa, R 2 Ca bezeichnet, wobei R das Gerüst mit dem festen Teil der aktiven Gruppe des Kationenaustauschers ist. Kationenaustauscher mit festen funktionellen Gruppen -SO 3 -, -PO 3 2-, -COO-, -AsO 3 2- usw. sind weit verbreitet.
Anionenaustauscher enthalten immobile Kationen und tauschen Anionen aus, sie zeichnen sich durch die Haupteigenschaften aus - ein mobiles Hydroxidion oder ein Ion eines Säurerests. B. Anionenaustauscher R/N(CH 3 ) 3 + OH -, mit funktionelle Gruppe-N(CH 3) 3 + und Gegenion OH – . Der Anionenaustauscher kann sein verschiedene Formen, wie der Kationenaustauscher: OH-Anionenaustauscher oder ROH, SO 4 - Anionenaustauscher oder RSO 4, wobei R ein Rahmen mit einem festen Teil der aktiven Gruppe des Anionenaustauschers ist. Die am häufigsten verwendeten Anionenaustauscher mit festen Gruppen - +, - +, NH 3 +, NH + usw.
Je nach Dissoziationsgrad der aktiven Gruppe des Kationenaustauschers und entsprechend der Fähigkeit zum Ionenaustausch werden Kationenaustauscher eingeteilt stark sauer und schwach sauer. Die aktive Gruppe -SO 3 H ist also vollständig dissoziiert, daher ist ein Ionenaustausch in einem weiten pH-Bereich möglich, Kationenaustauscher mit Sulfogruppen werden als stark sauer eingestuft. Mittelstarke Kationenaustauscher umfassen Harze mit Phosphorsäuregruppen. Darüber hinaus hat bei zweibasischen Gruppen, die zur schrittweisen Dissoziation befähigt sind, nur eine der Gruppen die Eigenschaften einer Säure mittlerer Stärke, die zweite verhält sich wie schwache Säure. Da diese Gruppe in stark saurem Milieu praktisch nicht dissoziiert, ist es daher zweckmäßig, diese Ionenaustauscher in leicht saurem oder alkalischem Milieu bei pH4 einzusetzen. Schwach saure Kationenaustauscher enthalten Carboxylgruppen, die auch in schwach sauren Lösungen wenig dissoziiert sind, ihr Wirkungsbereich liegt bei pH5. Es gibt auch bifunktionelle Kationenaustauscher, die sowohl Sulfogruppen als auch Carboxylgruppen oder Sulfo- und Phenolgruppen enthalten. Diese Harze wirken in stark sauren Lösungen und erhöhen bei hoher Alkalität ihre Kapazität stark.
Ähnlich wie Kationenaustauscher werden Anionenaustauscher unterteilt in hoch basisch und niedrig basisch. Hochbasische Anionenaustauscher enthalten als aktive Gruppen gut dissoziierte quartäre Ammonium- oder Pyridinbasen. Solche Anionite sind in der Lage, Anionen nicht nur in sauren, sondern auch in alkalischen Lösungen auszutauschen. Mittel- und niedrig basische Anionenharze enthalten primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen, die schwache Basen sind, deren Betriebsbereich bei pH89 liegt.
Auch amphotere Ionenaustauscher werden eingesetzt - Ampholyte, die funktionelle Gruppen mit Eigenschaften sowohl von Säuren als auch von Basen umfassen, beispielsweise Gruppen von organischen Säuren in Kombination mit Aminogruppen. Einige Ionenaustauscher haben neben Ionenaustauschereigenschaften auch Komplexbildner- oder Redoxeigenschaften. Beispielsweise ergeben Ionenaustauscher mit ionogenen Aminogruppen Komplexe mit Schwermetallen, deren Bildung gleichzeitig mit dem Ionenaustausch erfolgt. Der Ionenaustausch kann von einer Komplexbildung in der flüssigen Phase begleitet werden, indem ihr pH-Wert eingestellt wird, was die Trennung von Ionen ermöglicht. Elektronen-Ionen-Austauscher werden in der Hydrometallurgie zur Oxidation oder Reduktion von Ionen in Lösungen bei gleichzeitiger Sorption aus verdünnten Lösungen eingesetzt.
Der Vorgang der Desorption eines an einem Ionenaustauscher absorbierten Ions wird als Desorption bezeichnet Elution, dabei wird der Ionenaustauscher regeneriert und überführt Ausgangsform. Durch die Elution der aufgenommenen Ionen werden bei ausreichender „Beladung“ des Ionenaustauschers Eluate mit einer 100-fach höheren Ionenkonzentration als in den Ausgangslösungen erhalten.
Einige haben Ionenaustauscheigenschaften. natürliche Materialien: Zeolithe, Holz, Zellulose, Sulfonkohle, Torf usw., werden jedoch fast nie für praktische Zwecke verwendet, da sie keine ausreichend hohe Austauschkapazität, Stabilität in den behandelten Medien haben. Am weitesten verbreitet sind organische Ionenaustauscher - synthetische Ionenaustauscherharze, bei denen es sich um feste hochmolekulare Polymerverbindungen handelt, die funktionelle Gruppen enthalten, die zur elektrolytischen Dissoziation befähigt sind, daher werden sie als Polyelektrolyte bezeichnet. Sie werden durch Polykondensation und Polymerisation von Monomeren, die die erforderlichen ionogenen Gruppen enthalten, oder durch Hinzufügen ionogener Gruppen zu einzelnen Einheiten eines zuvor synthetisierten Polymers synthetisiert. Polymere Gruppen sind chemisch miteinander verbunden, vernetzt zu einem Gerüst, das heißt zu einem räumlichen dreidimensionalen Netzwerk, das als Matrix bezeichnet wird, mit Hilfe einer Substanz, die mit ihnen interagiert - einem Brunnenkresse-Mittel. Als Vernetzer wird häufig Divinylbenzol verwendet. Durch die Anpassung der Menge an Divinylbenzol ist es möglich, die Größe der Harzzellen zu verändern, was es ermöglicht, Ionenaustauscher zu erhalten, die aufgrund des "Siebeffekts" jedes Kation oder Anion selektiv absorbieren, Ionen, die größer als die Zellgröße sind, nicht vom Harz absorbiert. Um die Zellgröße zu erhöhen, werden Reagenzien mit größeren Molekülen als denen von Vinylbenzol verwendet, beispielsweise Dimethacrylate von Ethylenglykolen und Biphenolen. Durch den Einsatz von Telogenen, Substanzen, die die Bildung langer linearer Ketten verhindern, wird eine erhöhte Permeabilität von Ionenaustauschern erreicht. An den Stellen, an denen die Ketten gebrochen sind, treten Poren auf, dadurch bekommen die Ionenaustauscher ein beweglicheres Gerüst und quellen bei Kontakt stärker auf wässrige Lösung. Als Telogene verwendet man Tetrachlorkohlenstoff, Alkylbenzole, Alkohole etc. Die so erhaltenen Harze haben Gel Struktur oder mikroporös. Zum bekommen makroporös Ionite in der Reaktionsmischung fügen organische Lösungsmittel hinzu, die höhere Kohlenwasserstoffe sind, wie Isooctan, Alkohole. Das Lösungsmittel wird von der polymerisierenden Masse eingefangen und nach Abschluss der Gerüstbildung abdestilliert, wobei Poren im Polymer zurückbleiben. große Größe. Daher werden Ionenaustauscher je nach Struktur in makroporöse und gelartige unterteilt.
Makroporöse Ionenaustauscher haben im Vergleich zu Gel-Ionenaustauschern bessere kinetische Austauscheigenschaften, da sie eine entwickelte spezifische Oberfläche von 20-130 m 2 /g (im Gegensatz zu Gel-Ionenaustauschern, die eine Oberfläche von 5 m 2 /g haben) und große Poren haben - 20-100 nm, was den heterogenen Austausch von Ionen erleichtert, der auf der Oberfläche der Poren stattfindet. Die Austauschrate hängt maßgeblich von der Porosität der Körner ab, beeinflusst aber in der Regel nicht deren Austauschfähigkeit. Je größer das Volumen und die Korngröße, desto schneller die interne Diffusion.
Gel-Ionenaustauscherharze bestehen aus homogenen Körnern, die in trockener Form keine Poren aufweisen und für Ionen und Moleküle undurchlässig sind. Sie werden nach Quellung in Wasser oder wässrigen Lösungen durchlässig.
Aufquellen von Ionenaustauschern
Schwellung bezeichnet den Prozess der allmählichen Volumenzunahme des Ionenaustauschers, der sich in einem flüssigen Lösungsmittel befindet, aufgrund des Eindringens von Lösungsmittelmolekülen tief in das Kohlenwasserstoffgerüst. Je stärker der Ionenaustauscher aufquillt, desto geht schneller Ionenaustausch. Schwellung charakterisiert Gewichtsschwellung- die Menge an absorbiertem Wasser pro 1 g trockenem Ionenaustauscher oder Quellverhältnis- das Verhältnis der spezifischen Volumina von gequollenem und trockenem Ionenaustauscher. Oft kann das Volumen des Harzes beim Quellen um das 10-15-fache zunehmen. Die Quellung des hochmolekularen Harzes ist um so größer weniger Grad Quervernetzungen der ihn bildenden Verbindungen, das heißt, je weniger starr sein makromolekulares Netzwerk ist. Die meisten Standard-Ionenaustauscher enthalten 6-10 % Divinylbenzol in Copolymeren (manchmal 20 %). Bei Verwendung von langkettigen Mitteln anstelle von Divinylbenzol zur Vernetzung erhält man gut durchlässige makrovernetzte Ionenaustauscher, an denen ein Ionenaustausch mit hoher Geschwindigkeit stattfindet. Neben der Struktur der Matrix wird die Quellung des Ionenaustauschers durch die darin enthaltenen hydrophilen funktionellen Gruppen beeinflusst: Je mehr hydrophile Gruppen vorhanden sind, desto stärker quillt der Ionenaustauscher. Außerdem quellen Ionenaustauscher mit einfach geladenen Gegenionen im Gegensatz zu zwei- und dreifach geladenen Gegenionen stärker, in konzentrierten Lösungen tritt eine geringere Quellung auf als in verdünnten. Die meisten anorganischen Ionenaustauscher quellen nicht oder fast nicht, obwohl sie Wasser aufnehmen.
Kapazität des Ionenaustauschers
Die Ionenaustauschkapazität von Sorbentien wird durch ihre charakterisiert Austauschkapazität, abhängig von der Anzahl funktioneller ionogener Gruppen pro Massen- oder Volumeneinheit des Ionenaustauschers. Sie wird in Milliäquivalenten pro 1 g trockenem Ionenaustauscher oder in Äquivalenten pro 1 m 3 Ionenaustauscher ausgedrückt und liegt für die meisten industriellen Ionenaustauscher im Bereich von 2–10 meq / g. Volle Austauschfähigkeit(POE) - die maximale Anzahl an Ionen, die der Ionenaustauscher aufnehmen kann, wenn er gesättigt ist. Das Konstante für einen gegebenen Ionenaustauscher, der sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen bestimmt werden kann.
Unter statischen Bedingungen, in Kontakt mit einem bestimmten Volumen an Elektrolytlösung, bestimmen volle statische Austauschkapazität(PSOE) und statische Austauschkapazität im Gleichgewicht(PCOE), die abhängig von Faktoren variiert, die das Gleichgewicht beeinflussen (Lösungsvolumen, Zusammensetzung, Konzentration usw.). Gleichgewicht Ionenaustauscher - Lösung entspricht der Gleichheit ihrer chemischen Potentiale.
Unter dynamischen Bedingungen, bei kontinuierlicher Filtration der Lösung durch eine bestimmte Menge Ionenaustauscher, bestimmen dynamische Austauschkapazität- die Anzahl der vom Ionenaustauscher absorbierten Ionen vor dem Durchbruch der sorbierten Ionen (DOE), volle dynamische Austauschkapazität bis zur vollständigen Entwicklung des Ionenaustauschers (PDOE). Die Kapazität vor dem Durchbruch (Arbeitskapazität) wird nicht nur von den Eigenschaften des Ionenaustauschers bestimmt, sondern hängt auch von der Zusammensetzung der Ausgangslösung, der Geschwindigkeit ihres Durchgangs durch die Ionenaustauscherschicht und der Höhe (Länge) des Ions ab Austauscherschicht, der Grad ihrer Regeneration und die Größe der Körner.
Die Betriebskapazität wird aus der Leistungskurve Abb. 3.5.1
S 1 - Arbeitsaustauschkapazität, S 1 + S 2 - volle dynamische Austauschkapazität.
Wenn die Elution unter dynamischen Bedingungen durchgeführt wird, hat die Elutionskurve die Form der in Fig. 1 gezeigten Kurve. 3.5.2
Typischerweise ist die DEC größer als 50 % der PDOE für stark saure und stark basische Ionenaustauscher und 80 % für schwach saure und schwach basische Ionenaustauscher. Die Kapazität von stark sauren und stark basischen Ionenaustauschern bleibt in einem weiten Bereich von pH-Lösungen praktisch unverändert. Die Kapazität von schwach sauren und schwach basischen Ionenaustauschern hängt stark vom pH-Wert ab.
Der Nutzungsgrad der Austauschkapazität des Ionenaustauschers hängt von der Größe und Form der Körner ab. Üblicherweise liegen die Korngrößen im Bereich von 0,5–1 mm. Die Form der Körner hängt von der Art der Herstellung des Ionenaustauschers ab. Sie können kugelförmig oder unregelmäßig geformt sein. Sphärische Körner sind vorzuziehen – sie bieten eine bessere hydrodynamische Umgebung und große Geschwindigkeit Prozess. Es werden auch Ionenaustauscher mit zylindrischen Körnern, faserigen und anderen verwendet. Je feiner die Körnung ist, desto besser wird die Austauschkapazität des Ionenaustauschers genutzt, gleichzeitig erhöht sich jedoch je nach verwendeter Ausrüstung entweder der hydraulische Widerstand der Sorbensschicht oder die Entfernung kleiner Körner des Ionenaustauschers durch die Lösung steigt. Durch die Verwendung von Ionenaustauschern mit ferromagnetischem Zusatz kann eine Verschleppung vermieden werden. Dadurch können Sie das feinkörnige Material in der Zone in Schwebe halten - dem Magnetfeld, durch das sich die Lösung bewegt.
Ionenaustauscher müssen mechanisch und chemisch beständig sein, dh sie dürfen nicht durch Quellen und Betrieb in wässrigen Lösungen zerstört werden. Außerdem sollen sie sich leicht regenerieren lassen, dabei ihre aktiven Eigenschaften lange behalten und über mehrere Jahre unverändert wirken.
6. Die Beschränkung der Gültigkeitsdauer wurde gemäß Protokoll N 5-94 des Interstate Council for Standardization, Metrology and Certification (IUS 11-12-94) aufgehoben.
7. AUSGABE (Januar 2002) in der geänderten Fassung (IUS 3-91)
Diese Norm gilt für Ionenaustauscher und legt Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität bei vollständiger Regeneration des Ionenaustauschers und bei gegebener Durchflussmenge des Regeneriermittels fest.
Die Verfahren bestehen darin, die Menge an Ionen zu bestimmen, die von einer Volumeneinheit des gequollenen Ionenaustauschers während des kontinuierlichen Flusses der Lösung durch die Ionenaustauscherschicht aus der Arbeitslösung absorbiert wird.
1. PROBENAHMEMETHODE
1. PROBENAHMEMETHODE
1.1. Das Probenahmeverfahren ist in den behördlichen und technischen Unterlagen für bestimmte Produkte angegeben.
1.2. Bei Ionenaustauschern, bei denen der Massenanteil an Feuchtigkeit weniger als 30% beträgt, wird eine Probe (100 ± 10) g entnommen, zum Quellen wird die Probe in ein Glas mit einem Fassungsvermögen von 600 cm 3 gegeben und mit einer gesättigten Flüssigkeit gegossen Kochsalzlösung, die die Ionenaustauscherschicht unter Berücksichtigung ihrer Quellung im Überschuss bedecken sollte. Nach 5 Stunden wird der Ionenaustauscher mit destilliertem Wasser gewaschen.
1.3. Für Ionenaustauscher mit Massenanteil mehr als 30 % Feuchtigkeit, wird eine Probe (150 ± 10) g in ein Glas mit einem Fassungsvermögen von 600 cm 3 genommen und 200 cm 3 destilliertes Wasser werden gegossen.
2. REAGENZIEN, LÖSUNGEN, LAGER, INSTRUMENTE
Destilliertes Wasser gemäß GOST 6709 oder demineralisiertes Wasser, das die Anforderungen von GOST 6709 erfüllt.
Bariumchlorid nach GOST 742, chemisch reine Lösung mit einem Massenanteil von 10 %.
Calciumchlorid 2-wässrige, chemisch reine Lösungen der Konzentrationen (СаСl=0,01 mol/dm (0,01 N) und (СаСl)=0,0035 mol/dm (0,0035 N).
Salzsäure nach GOST 3118, chemisch reine Lösungen mit einem Massenanteil von 5 % und Konzentrationen (HCl) = 0,5 mol/dm (0,5 N), (HCl) = 0,1 mol/dm (0,1 N) und (HCl ) = 0,0035 mol/dm (0,0035 N).
Schwefelsäure nach GOST 4204, chemisch rein, Lösungen mit einem Massenanteil von 1%, Konzentration (HSO) = 0,5 mol / dm (0,5 N).
Natriumhydroxid nach GOST 4328, chemisch rein, Lösungen mit einem Massenanteil von 2, 4, 5 %, Konzentrationen (NaOH) = 0,5 mol/dm (0,5 N), (NaOH) = 0,1 mol/dm (0,1 N), (NaOH) = 0,0035 mol/dm (0,0035 N).
Natriumchlorid nach GOST 4233, chemisch reine, gesättigte Lösung und Konzentrationslösung (NaCl) = 0,01 mol/dm (0,01 N).
Ein gemischter Indikator, bestehend aus Methylrot und Methylenblau oder Methylrot und Bromkresolgrün, wird gemäß GOST 4919.1 hergestellt.
Indikator Methylorange oder Methylrot, eine Lösung mit einem Massenanteil von 0,1%, wird nach GOST 4919.1 hergestellt.
Indikator-Phenolphthalein, eine Alkohollösung mit einem Massenanteil von 1%, wird gemäß GOST 4919.1 hergestellt.
Chemischer Kalkabsorber KhPI-1 nach GOST 6755 oder Atemkalk.
Rohr (Kalziumchlorid) nach GOST 25336.
Becher 1000 nach GOST 1770.
Zylinder nach GOST 1770 Versionen 1-4 mit einem Fassungsvermögen von 100 und 250 cm3 und Versionen 1, 2 mit einem Fassungsvermögen von 500 und 1000 cm3.
Gläser B oder H nach GOST 25336 in beliebiger Ausführung mit einer Kapazität von 600 und 1000 cm.
Kolben Kn-1-250 nach GOST 25336.
Pipetten 2-2-100, 2-2-25, 2-2-20 und 2-2-10 gemäß NTD.
Büretten nach NTD Typ 1, 2, Ausführungen 1-5, Genauigkeitsklassen 1, 2, mit einem Fassungsvermögen von 25 oder 50 cm 3, mit einem Teilungswert von nicht mehr als 0,1 cm und Büretten der Typen 1, 2, Ausführung 6 , Genauigkeitsklassen 1, 2, mit einer Kapazität von 2 oder 5 cm, mit einem Teilungswert von nicht mehr als 0,02 cm.
Messkolben der Ausführungen 1, 2 nach GOST 1770, Genauigkeitsklassen 1, 2, mit einem Fassungsvermögen von 10, 25 und 100 cm3.
Sieb mit einem Kontrollgitter 0315K nach GOST 6613 mit einer Schale mit einem Durchmesser von 200 mm.
Cup ChKTs-5000 gemäß GOST 25336 oder aus Polymerisationsmaterial, ausreichend, um ein Sieb darin zu platzieren.
Der Laboraufbau (siehe Zeichnung) besteht aus einer Flasche 1 und einer Glassäule 6 mit einem Innendurchmesser von (25,0 ± 1,0) mm und einer Höhe von mindestens 600 mm zur Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität unter Bedingungen der vollständigen Regeneration des Ions Austauscher und einem Innendurchmesser von (16,0 ± 0,5) mm und einer Höhe von mindestens 850 mm zur Bestimmung unter Bedingungen einer gegebenen Durchflussrate des Regenerierungsmittels. BEI unterer Teil die Säulen sind mit einem Filter 7 vom Typ FKP POR 250 XC nach GOST 25336 oder einer anderen säure- und laugenbeständigen Filtervorrichtung, die keine Ionenaustauscherkörner größer als 0,25 mm durchlässt und einen geringen Filterwiderstand aufweist, verschlossen. Die Säule wird über ein Glasrohr 3 und einen Gummischlauch 4 mit einer Schraubklemme 5 mit der Flasche verbunden Kohlendioxid Aus der Luft in eine Natriumhydroxidlösung wird im Korken der Flasche ein Calciumchloridrohr 2 mit einem Absorber KhPI-1 installiert.
Laboraufbau
Es ist erlaubt, andere Messgeräte mit messtechnischen Eigenschaften, die nicht schlechter als die angegebenen sind, sowie Reagenzien mit einer Qualität von mindestens den angegebenen zu verwenden.
3. VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER DYNAMISCHEN AUSTAUSCHKAPAZITÄT BEI VOLLSTÄNDIGER REGENERATION DES IONITS
3.1. Vorbereitung auf die Prüfung
3.1.1. Die Vorbereitung zum Testen erfolgt gemäß GOST 10896 und nach der Vorbereitung wird der Ionenaustauscher in einem geschlossenen Kolben unter einer Schicht aus destilliertem Wasser gelagert.
Kationenaustauscherharz der Sorte KU-2-8chS und Anionenaustauscherharz der Sorte AV-17-8chS sind nicht für die Prüfung nach GOST 10896 vorbereitet.
3.1.2. Eine Ionenaustauscherprobe aus dem Kolben in Form einer wässrigen Suspension wird in einen Zylinder mit einem Fassungsvermögen von 100 cm 3 überführt und die Ionenaustauscherschicht durch Klopfen auf die harte Oberfläche des Zylinderbodens verdichtet, bis die Schrumpfung aufhört. Das Volumen des Ionenaustauschers wird auf 100 cm 3 eingestellt und der Ionenaustauscher wird mit destilliertem Wasser in die Säule überführt, wobei darauf zu achten ist, dass keine Luftblasen zwischen das Granulat des Ionenaustauschers gelangen. Überschüssiges Wasser wird aus der Säule abgelassen, wobei eine 1–2 cm hohe Schicht über dem Niveau des Ionenaustauschers zurückbleibt.
3.1.3. Der Ionenaustauscher in der Kolonne wird mit destilliertem Wasser gewaschen, wobei es von oben nach unten mit einer Geschwindigkeit von 1,0 dm/h geleitet wird. In diesem Fall wird der Anionenaustauscher von Alkali (durch Phenolphthalein) und der Kationenaustauscher von Säure (durch Methylorange) gewaschen.
3.1.4. Stark basische Anionenharze in der Hydroxylform werden schnell geladen und mit kohlendioxidfreiem Wasser gewaschen.
3.2. Durchführung eines Tests
3.2.1. Die Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität von Ionenaustauschern besteht aus mehreren Zyklen, von denen jeder drei aufeinanderfolgende Operationen umfasst - Sättigung, Regenerierung, Waschen, deren Bedingungen in Tabelle 1 angegeben sind.
Tabelle 1
Bedingungen zur Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität bei vollständiger Regeneration des Ionenaustauschers
Index | Ionitische Klasse | Gebrauchslösung zur Sättigung von Ionenaustauschern | Sättigungskontrolle | Regenerieren | |||
sättigen | waschen- | regenerieren |
|||||
Dynamische Austauschkapazität vor dem Durchbruch () | Stark- | Calciumchlorid (CaCl) = 0,01 mol/dm (0,01 N) | Bis zur Konzentration von Calciumionen im Filtrat (Ca) = 0,05 mmol/dm (0,05 mg eq/dm) wird nach GOST 4151 bestimmt | Salzsäure, Lösung mit einem Massenanteil von 5 % | |||
Stark- | Natriumchlorid (NaCl) = 0,01 mol/dm (0,01 N) | Bis die Alkalikonzentration um 0,5 mmol/dm (0,5 mg eq/dm) im Vergleich zu ihrem maximalen stabilen Wert im Filtrat [Indikator gemischt, Titrierlösung, Salzsäure Konzentration (HCl) = 0,01 mol / dm (0,01 N.)] und bis der Gehalt an Chlorionen im Vergleich zu seinem stabilen Gehalt im Filtrat ansteigt (bestimmt nach GOST 15615) | Natriumhydroxid, Lösung mit einem Massenanteil von 5 % | ||||
Schwach- | Bis Säure im Filtrat erscheint (durch Methylorange) | ||||||
Volle dynamische Austauschkapazität () | Schwach- | Salzsäure (HCl) = 0,1 mol/dm (0,1 N) | Vorher die Konzentration des Filtrats mit der Konzentration der Arbeitslösung ausgleichen | Natriumhydroxid, Lösung mit einem Massenanteil von 2 % | |||
Anmerkungen:
1. Bei der Bestimmung der Konzentration von Ca-Ionen nach GOST 4151
2. Spezifische Belastung ist das Volumen der Lösung, das in 1 Stunde durch das Volumen des Ionenaustauschers geleitet wird Beispielsweise entsprechen 5 dm / dm h der Filtrationsrate, bei der 500 cm der Lösung (8,3 cm / min) passieren 100 cm des Ionenaustauschers in 1 Stunde.
3. Die Filtrationsrate wird eingestellt, indem in einem Messzylinder das Volumen des über ein bestimmtes Zeitintervall erhaltenen Filtrats gemessen wird.
Lösungen und Wasser werden von oben nach unten zugeführt. Wenn der Anionenaustauscher der Sorten AN-1 und AN-2FN gesättigt ist, werden die Lösungen von unten nach oben zugeführt.
3.2.2 Vor Durchführung der Sättigungs-, Regenerations- und Waschvorgänge wird die Säule mit der entsprechenden Lösung gefüllt. Die Lösungsschicht über dem Ionenaustauscher sollte (15 ± 3) cm betragen.
3.2.3. Nach dem Sättigen, Regenerieren und Waschen verbleibt eine 1–2 cm hohe Flüssigkeitsschicht in der Säule über dem Ionenaustauscher.
3.2.4. Die Ionenaustauschersäule wird z. B. mit Arbeitslösung gefüllt bestimmte Klasse Ionit (siehe Tabelle 1), so dass die Lösungsschicht über dem Ionit (15 ± 3) cm betrug, und wählen Sie die geeignete Filtrationsrate.
Beim Durchleiten von Arbeitslösungen mit einer Konzentration von 0,1 mol / dm (0,1 N) durch eine Säule mit Ionenaustauscher wird das Filtrat in Zylindern mit einem Fassungsvermögen von 250 cm 3 bei einer Konzentration von 0,01 mol / dm (0,01 N) gesammelt. - in Zylindern mit einem Fassungsvermögen von 1000 cm Im zweiten und den folgenden Sättigungszyklen wird vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung im Filtrat (bestimmt nach dem ersten Zyklus) das Filtrat in Portionen von 100 und 250 cm3 gesammelt bzw. die Konzentrationen der Arbeitslösung.
3.2.5. Aus jeder Portion des Filtrats wird eine Probe entnommen und die Sättigung gemäß Tabelle 1 kontrolliert.
3.2.6. Nachdem die Ionen der Arbeitslösung in einem Teil des Filtrats erscheinen, wird das Gesamtvolumen des Filtrats berechnet.
3.2.7. Zur Bestimmung der gesamten dynamischen Austauschkapazität wird die Lösung solange durchgeleitet, bis sich die Konzentration des Filtrats der Konzentration der Arbeitslösung angeglichen hat. Die Sättigungskontrolle erfolgt in diesem Fall durch Titration der Probe mit einer Säurelösung (Natronlauge) mit einem Mischindikator bis zum Farbumschlag.
3.2.8. Vor der Regeneration wird der Ionenaustauscher in der Säule durch einen Strom destillierten Wassers von unten nach oben aufgelockert, so dass alle Körner des Ionenaustauschers in Bewegung kommen. Das Auflockern des Kationenaustauschers KU-1 und der Anionenaustauscher AN-1 und AN-2FN erfolgt vor dem Sättigungsvorgang.
3.2.9. Die Regenerierung des Ionenaustauschers erfolgt mit einer Säurelösung (Natronlauge) mit der in Tabelle 1 angegebenen Geschwindigkeit. Das Filtrat wird kontinuierlich in Portionen mit einem Zylinder von 250-1000 cm 3 gesammelt, wobei 3-4 Tropfen des Indikators hinzugefügt werden. Wenn im Filtrat eine Säure (Natriumhydroxid) auftritt, wird ihre Konzentration in nachfolgenden Portionen bestimmt. Zur Kontrolle des Filtrats wird eine Probe mit Pipette oder Messkolben entnommen und mit einer Säurelösung (Natronlauge) Konzentrationen (HCl, HSO) = 0,5 mol/dm (0,5 N), (NaOH) = 0,5 mol/dm ( 0,5 n.) in Anwesenheit eines Indikators
3.2.10. Die Säurelösung (Natriumhydroxid) wird durchgeleitet, bis die Konzentration des Filtrats gleich der Konzentration der Regenerierlösung ist.
3.2.11. Nach der Regenerierung wird der Ionenaustauscher mit destilliertem Wasser bis zur Neutralität in Bezug auf Methylorange (Phenolphthalein) mit der in Tabelle 1 angegebenen Geschwindigkeit gewaschen. Anschließend wird der Ionenaustauscher 1 Stunde in destilliertem Wasser gehalten und das Filtrat erneut kontrolliert. Wenn das Filtrat nicht neutral ist, wird das Harz erneut gewaschen.
3.2.12. Die Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität ist abgeschlossen, wenn in den letzten beiden Zyklen Ergebnisse erzielt werden, deren Abweichung 5 % des Durchschnittsergebnisses nicht überschreitet.
3.2.13. Die dynamische Austauschkapazität des Anionenaustauscherharzes AV-17-8chS wird an zwei parallelen Proben im ersten Sättigungszyklus vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung im Filtrat bestimmt. Das Filtrat wird in Portionen von 250 cm3 gesammelt und als Ergebnis das arithmetische Mittel der Ergebnisse zweier Bestimmungen gebildet, deren zulässige Abweichung 5 % des Durchschnittsergebnisses nicht überschreitet.
(Änderung, IUS 3-91).
4. METHODE ZUR BESTIMMUNG DER DYNAMISCHEN AUSTAUSCHKAPAZITÄT BEI EINEM GEGEBENEN VERBRAUCH DES REGENERIERSTOFFES
4.1. Vorbereitung auf die Prüfung
4.1.1. Der gemäß den Absätzen 1.2 und 1.3 ausgewählte Ionit wird durch Nasssiebung gemäß GOST 10900 unter Verwendung eines Siebs mit einer Maschenweite N 0315K von feinen Fraktionen getrennt.
4.1.2. Das gesiebte Anionenaustauscherharz wird in ein Becherglas gegeben, mit 500 ml Natronlauge mit einem Massenanteil von 4 % versetzt und gemischt. Nach 4 Stunden wird die Hydroxidlösung abgelassen und der Anionenaustauscher mit Wasser bis zu einer schwach alkalischen Reaktion gegenüber Phenolphthalein gewaschen und auf eine Säule, wie in Abschnitt 3.1.2 angegeben, überführt.
4.1.3. Der gesiebte Kationenaustauscher wird mit destilliertem Wasser durch Dekantieren von Suspension und Trübung gewaschen, bis klares Waschwasser erscheint und gemäß Abschnitt 3.1.2 auf die Säule überführt.
4.2. Durchführung eines Tests
4.2.1. Die Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität von Ionenaustauschern vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung im Filtrat () besteht aus mehreren Zyklen, von denen jeder drei aufeinanderfolgende Vorgänge umfasst - Sättigung, Regenerierung, Waschen, deren Bedingungen in Tabelle 2 angegeben sind. Lösungen und Wasser werden von oben nach unten zugeführt. Die Höhe der Flüssigkeitsschicht über dem Niveau des Ionenaustauschers wird wie in den Abschnitten 3.2.2 und 3.2.3 angegeben eingestellt.
Tabelle 2
Bedingungen zur Bestimmung der dynamischen Austauschkapazität von Ionenaustauschern bei einem gegebenen Volumenstrom des Regeneriermittels
Ionitische Klasse | Regenerieren | Die Rate des spezifischen Verbrauchs von Regenerativ- | Waschkontrolle | Gebrauchslösung zur Sättigung des Ionenaustauschers | Sättigungskontrolle | Filtrationsgeschwindigkeit |
||
böse- | Waschen | reg- |
||||||
Stark | Bis zu einer Restsäurekonzentration im Filtrat, nicht mehr als | Calciumchlorid (СаСl=0,0035 mol/dm (0,0035 N) | Bis zu einer Konzentration an Calciumionen im Filtrat von mehr als (Ca) = 0,05 mmol/dm | |||||
Schwach- | Schwefelsäure, Lösung mit einem Massenanteil von 1 % | Bis zur Abwesenheit von Sulfationen im Filtrat (Probe mit BaCl in Gegenwart von HCl) | Natriumhydroxid (NaOH)=0,0035 mol/dm (0,0035 N) | Bis zur Konzentration im Filtrat von Natronlauge (NaOH) = 0,1 mmol/dm | ||||
Stark- | Natriumhydroxid mit einem Massenanteil von 4 % | Bis zu einer Restkonzentration an Natronlauge im Filtrat von höchstens (NaOH) = 0,2 mmol/dm | Natriumchlorid (NaCl) = 0,01 mol/dm (0,01 N) | Bis die Alkalikonzentration um (NaOH) = 0,7 mmol/dm abnimmt | ||||
Schwach- | Natriumhydroxid, Lösung mit einem Massenanteil von 4 % | Bis zu einer Restkonzentration an Natriumhydroxid im Filtrat, nicht mehr als (NaOH) = 0,2 mmol/dm (0,2 mg eq/dm) für Phenolphthalein | Salzsäure (Schwefelsäure) (HCl, HSO) \u003d 0,0035 mol / dm (0,0035 N.) | Bis zu einer Restsäurekonzentration im Filtrat von nicht mehr als (N)=0,1 mmol/dm (0,1 mg Äquiv/dm) wird der Indikator gemischt, die Titrierlösung ist Natronlauge Konzentration (NaOH)=0,01 mol/dm (0 0,01 N.) | ||||
Anmerkungen:
1. Wenn die Rate des spezifischen Verbrauchs der regenerierenden Substanz () in Gramm pro Mol ausgedrückt wird, bedeutet das Wort "Mol". Molmasse Ionenäquivalent (Na, K, Ca, Mg, Cl, NO, HCO, HSO, CO, SO
Usw.).
2. Der tatsächliche Verbrauch des Regeneriermittels sollte um nicht mehr als 5 % von der angegebenen Menge abweichen.
3. Bei der Bestimmung der Konzentration von Ca-Ionen nach GOST 4151 dürfen 2-3 Tropfen eines Chrom-Dunkelblau-Indikators verwendet und mit einer Lösung der Trilon B-Konzentration (NaHCON 2HO) = 0,01 mol / dm (0,01
4. Spezifische Belastung ist das Volumen der Lösung, das in 1 Stunde durch das Volumen des Ionenaustauschers geleitet wird Beispielsweise entsprechen 5 dm / dm h der Filtrationsrate, bei der 500 cm der Lösung (8,3 cm / min) passieren 100 cm des Ionenaustauschers in 1 Stunde.
5. Die Filtrationsrate wird eingestellt, indem in einem Messzylinder das Volumen des über ein bestimmtes Zeitintervall erhaltenen Filtrats gemessen wird.
Um eine Vergipsung des Kationenaustauschers zu vermeiden, erfolgt die Regenerierung mit Säure und das Waschen von Regenerierungsprodukten ohne Unterbrechung, wodurch eine Arbeitspause vermieden wird.
Vor jedem weiteren Zyklus wird der Ionenaustauscher durch einen Wasserstrom von unten nach oben aufgelockert, so dass alle Körner des Ionenaustauschers in Bewegung kommen.
4.2.2. Durch den Ionenaustauscher in der Säule wird eine Regenerierlösung geleitet, deren Volumen () in Kubikzentimetern nach der Formel berechnet wird
Dabei ist die angegebene Rate des spezifischen Verbrauchs des regenerierenden Stoffes, g/mol (g/g eq);
- dynamische Austauschkapazität; Wählen Sie gemäß den behördlichen und technischen Unterlagen für einen bestimmten Ionenaustauscher mol / m (g eq / m); für Ionenaustauscher der Klassen AV-17-8, AN-31 und EDE-10P ist ein erhöhter Wert der dynamischen Austauschkapazität bis zu 3 für die erste Regeneration zulässig;
ist das Volumen der Ionenaustauscherprobe, cm;
- Konzentration der Regenerationslösung, g/dm.
Die Menge an Regenerierlösung wird am Ausgang der Kolonne mit einem Zylinder oder Becher gemessen. Dann wird die Säule abgekoppelt, der Lösungsspiegel über dem Ionenaustauscher in der Säule auf 1–2 cm abgesenkt und die Bodenkappe geschlossen.
4.2.3. Nach der Regenerierung werden die Ionenaustauscher mit destilliertem Wasser gewaschen, um überschüssige Säure (Natriumhydroxid) mit der in Tabelle 2 angegebenen Geschwindigkeit zu entfernen.
Nehmen Sie regelmäßig eine Probe des Filtrats und titrieren Sie mit Lösungen von Natriumhydroxid (Säure)-Konzentration (NaOH, HCl, HSO) = 0,1 mol/dm (0,1 N) in Gegenwart von Methylorange (Phenolphthalein).
Waschkontrolle nach Tabelle.2.
4.2.4. Nach dem Waschen wird die Säule mit einer Arbeitslösung gefüllt und die Sättigungsrate gemäß Tabelle 2 eingestellt.
Wenn Arbeitslösungen mit einer Konzentration von 0,01 mol / dm (0,01 N) durch die Säule geleitet werden, wird das Filtrat in einem Zylinder mit einem Fassungsvermögen von 250 ml gesammelt, bei einer Konzentration von 0,0035 mol / dm (0,0035 N), einem Zylinder mit einem Fassungsvermögen von 1000 ml. Im zweiten und den folgenden Sättigungszyklen wird das Filtrat vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung im Filtrat (bestimmt nach dem ersten Zyklus) in 100 bzw. 250 ml gesammelt. der Konzentrationen der Arbeitslösung.
4.2.5. Zur Kontrolle der Sättigung wird aus einem Teil des Filtrats eine Probe entnommen und gemäß Tabelle 2 analysiert. Wenn das Ergebnis der Analyse zeigt, dass der Sättigungsgrad die in Tabelle 2 angegebenen Werte nicht erreicht hat, dürfen alle vorherigen Proben des Filtrats nicht analysiert werden.
4.2.6. Nachdem die Ionen der Arbeitslösung in dem Teil des Filtrats in den in Tabelle 2 angegebenen Mengen erscheinen, ist die Sättigung abgeschlossen und das Gesamtvolumen des Filtrats () und die dynamische Austauschkapazität werden berechnet.
4.2.7. Der Ionenaustauscher wird der zweiten Regenerierung unterzogen und gemäß den Absätzen 4.2.2 und 4.2.3 gewaschen.
Bei der Berechnung des für den zweiten Zyklus erforderlichen Regeneriermittels ist der im ersten Zyklus erhaltene Wert der dynamischen Austauschkapazität gemäß Absatz 4.2.6 zu verwenden.
Vor der Durchführung nachfolgender Sättigungszyklen wird der Verbrauch der regenerierenden Substanz aus dem Wert der im vorangegangenen Zyklus erhaltenen dynamischen Austauschkapazität berechnet.
4.2.8. Die Bestimmung ist abgeschlossen, wenn in den letzten beiden Zyklen Ergebnisse erzielt werden, deren zulässige Abweichungen 5 % des Durchschnittsergebnisses nicht überschreiten, wobei der tatsächliche spezifische Verbrauch des Regenerierstoffs nicht mehr von der angegebenen Norm abweicht als 5%.
5. VERARBEITUNG DER ERGEBNISSE
5.1. Dynamische Austauschkapazität () in Mol pro Kubikmeter(g Eq/m) vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung im Filtrat wird nach der Formel berechnet
wo ist das Gesamtvolumen des Filtrats, das durch den Ionenaustauscher geleitet wird, bis die Ionen der Arbeitslösung erscheinen, cm;
- das Volumen des Ionenaustauschers, siehe
5.2. Der tatsächliche Verbrauch des regenerierenden Stoffes () in Gramm pro Mol (g/g eq) absorbierter Ionen errechnet sich aus der Formel
wo ist das Volumen der Regenerierungslösung, cm;
- Konzentration der Regenerationslösung, g/dm;
- das Gesamtvolumen des durch den Ionenaustauscher geleiteten Filtrats vor dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung, cm;
- Konzentration der Arbeitslösung, mol / dm (n.
5.3. Die gesamte dynamische Austauschkapazität () in Mol pro Kubikmeter (g eq / m) wird nach der Formel berechnet
wobei ist das Gesamtvolumen des Filtrats, das durch den Ionenaustauscher geleitet wird, bevor die Konzentrationen des Filtrats und der Arbeitslösung angeglichen werden, cm;
- Konzentration der Arbeitslösung, mol / dm (n.);
- das Volumen des Teils des Filtrats nach dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung (Durchbruch), cm;
- Konzentration der Lösung in einem Teil des Filtrats nach dem Auftreten von Ionen der Arbeitslösung (Durchbruch), mol / dm (n.);
- das Volumen des Ionenaustauschers,
5.4. Das Ergebnis der Bestimmung wird als arithmetisches Mittel der Ergebnisse von zwei genommen letzten Zyklen, zulässige Abweichungen zwischen denen ± 5% nicht überschreiten, mit Vertrauensniveau =0,95.
Notiz. Bei der Angabe der dynamischen Austauschkapazität von Ionenaustauschern in Mol pro Kubikmeter bezieht sich das Wort "Mol" auf die Molmasse des Ionenäquivalents (Na, K, Ca, Mg, Cl, NO, HCO, HSO, CO, SO, etc.).
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amtliche Veröffentlichung
Ioniten. Methoden der Bestimmung
Austauschkapazität: Sa. GOSTs. -
Moskau: IPK Standards Publishing House, 2002
Einführung
Die Gesamtaustauschkapazität des Anionenaustauscherharzes wird durch seine Neutralisation mit einer Lösung aus HCl oder H 2 SO 4 unter statischen oder dynamischen Bedingungen bestimmt und wird in Äquivalenten pro 1 g trockenem oder gequollenem Anionenaustauscherharz ausgedrückt.
Anionenaustauschreaktionen / A-Anionenaustauscherharz / haben die Form:
A. /OH/ +H /Cl = A.OH.Cl +HO;
A. /OH/ + H /SO = A.SO +2HO.
Wichtige Indikatoren für die Eignung des Anionenaustauschers sind neben der Austauschkapazität: Verfärbung, Quellgrad, Alterungsfähigkeit, Unlöslichkeit in Wasser und organischen Lösungsmitteln, Regenerierbarkeit, thermische und mechanische Festigkeit.
Die Gesamtaustauschkapazität verschiedener Qualitäten von Anionenaustauschern, die in der Zuckerindustrie verwendet werden, kann 1–10 meq/g betragen. Das zum Bleichen von Zuckerlösungen verwendete makroporöse Anionenaustauscherharz AV-17-2P hat eine Gesamtaustauschkapazität von 0,1 N. HCl-Lösung 3,8 mg-eq/g und 0,1 n. NaCl-Lösung 3,4 mg-eq/g.
Zweck der Analyse - Beurteilung der Qualität des Anionenaustauscherharzes zum Entfärben von Zuckerlösungen.
Prinzip der Analysemethode basiert auf der Titration einer 0,1 N Säurelösung, die nicht vom Anionenaustauscher absorbiert wird. NaOH-Lösung.
Reagenzien:
0,1 N HCl- und NaOH-Lösungen.
Geräte und Materialien:
Eine Glassäule mit einem Durchmesser von 18 mm, einer Höhe von 250 mm, mit einem im unteren Teil eingezogenen Ende, auf das ein Gummischlauch mit einer Schraubklemme aufgesteckt ist;
Glastrichter;
Messkolben für 500 cm 3;
Bürette für die Titration;
Becherglas;
Anionenaustauscherharz.
Definitionsfortschritt
10 g des für die Analyse vorbereiteten Anionenaustauschers in OH-Form werden mit Wasser in eine Glassäule mit einem Durchmesser von 18 mm mit einem Glaswolletupfer am Boden überführt und überschüssiges Wasser durch einen Gummischlauch mit Schraubklemme abgelassen.
Danach 400 cm 3 0,1 n. HCl-Lösung, wobei der Stand der Lösung über der Anionenaustauscherschicht gleich 1 cm gehalten wird, dann wird mit dem doppelten Volumen des Anionenaustauschers mit Wasser gewaschen. Das Filtrat und die Waschlösungen werden in einem Messkolben gesammelt und auf ein Volumen von 500 cm 3 gebracht. Aus dem Gesamtvolumen in einem Glas von 50 cm 3 ausgewählt und mit 0,1 N titriert. NaOH-Lösung.
Berechnungen:
1. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wird die Austauschkapazität des Anionenaustauschers in gleicher Weise wie beim Kationenaustauscher in mg-eq / g trockener Ionenaustauscher ausgedrückt.
Daher nimmt man 1 g absolut trockenen Anionenaustauscher auf
cm 3 0,1 k. HCl-Lösung, und 1 cm 3 dieser Lösung enthält 0,1 mg-eq/g, dann kann die Gesamtaustauschkapazität des Anionenaustauscherharzes E A aus der Formel berechnet werden
,
wo E A- Gesamtaustauschkapazität des Anionenaustauschers, mg-eq/g absolut trockener Ionenaustauscher;
a- Menge des für die Titration gesammelten Filtrats, cm 3 ;
V O - die Menge von 0,1 n. Durch den Anionenaustauscher geleitete HCl-Lösung, cm 3;
Vb - gesamt Filtrat, cm³;
g- die Menge an trockenem Anionenaustauscherharz zur Bestimmung seiner Kapazität, g;
W ist der Feuchtigkeitsgehalt des Anionits, %. Bestimmt durch Trocknen für 3 Stunden bei 95-100˚C.
2. Die Kapazität des Anionenaustauschers kann auch in Prozent HCl ausgedrückt werden. Berücksichtigen Sie in diesem Fall, dass 1 cm 3 0,1 n. HCl-Lösung enthält 0,0036 g HCl, Berechnung von E erfolgt nach Formel
6.3. Regeneration Ionenaustauscherharze
Einführung
Die im Arbeitszyklus verbrauchten Ionenaustauscherharze werden nach dem Waschen mit Wasser einer Regenerierung (Rückgewinnung) unterzogen.
Kationenaustauscher werden mit schwachen Lösungen von HCl und HSO reduziert
K.Na + H/SO = K.H + Na/SO;
KNa + HCl = KH + NaCl.
Zur Rückgewinnung werden Anionenaustauscher eingesetzt schwache Lösungen NaOH, KOH, NaCl usw.
A.OH.Cl + Na /OH = A./OH/ + Na /Cl.
Am Ende des Regenerierzyklus sollte die Acidität des Regenerates aus dem Kationenaustauscher bzw. die Alkalität des Regenerates aus dem Anionenaustauscher der Acidität und Alkalität der Regenerierlösungen angenähert sein. Das Ende der Regeneration wird durch Titration bestimmt.
Zweck der Analyse - Wiederherstellung der Austauschkapazität von Ionenaustauschern.
Prinzip der Analysemethode bezogen auf die Titration von Regenerierlösungen aus einem Kationenaustauscher 0,1 N. NaOH-Lösung und vom Anionenaustauscher - 0,1 n. HCl-Lösung.
Reagenzien:
5 % HCl-Lösung;
4 % NaOH-Lösung;
0,1 N NaOH-Lösung;
0,1 N HCl-Lösung.
Geräte und Materialien:
Glassäulen mit Kationenaustauscherharz und Anionenaustauscherharz.
Definitionsfortschritt
Nach dem Waschen des Harzes mit Wasser wird eine Regenerierung in den Säulen durchgeführt: Kationenaustauscher – mit 5 %iger HCl-Lösung und Anionenaustauscher – mit 4 %iger NaOH-Lösung, wobei sie mit einer Geschwindigkeit von 20 cm 3 /min durchgeleitet werden.
Das Ende der Regeneration des Kationenaustauschers wird durch Titration seiner Regenerationslösungen mit 0,1 N festgestellt. NaOH-Lösung und Anionenaustauscher - 0,1 n. HCl-Lösung.
Nach der Regenerierung wird der Kationenaustauscher mit Wasser bis zu einer neutralen oder leicht sauren Reaktion und der Anionenaustauscher bis zu einer neutralen oder leicht alkalischen Reaktion gewaschen.
1. Was ist Ionenaustausch?
2. Was sind Ionenaustauscherharze?
3. Welche Ionenaustauscherharze werden bei der Zuckerherstellung verwendet?
4. Erzählen Sie uns etwas über die statische und dynamische Austauschkapazität von Ionenaustauschern?
5. Was bestimmt die Gesamtaustauschkapazität von Ionenaustauschern?
6. In welchen Einheiten wird die gesamte Austauschkapazität ausgedrückt?
7. Wozu dient der Einsatz von Ionenaustauschern in der Zuckerherstellung?
8. Auf welchem Prinzip basiert die Bestimmung der Gesamtaustauschkapazität von Ionenaustauschern?
9. Warum wird Ionenaustauscherharz regeneriert?
10. Auf welchem Prinzip basiert die Regeneration von Ionenaustauschern?
11. Wie wird das Ende der Ionentauscher-Regeneration festgestellt?
Labor arbeit № 7
Analyse Abwasser Zuckerproduktion
Einführung
BEI Nahrungsmittelindustrie die größte Zahl Wasser wird von Zuckerraffinerien verbraucht. Nur für den Bedarf der Zuckerrübenpflanze sauberes Wasser aus natürlichen Stauseen, ohne dass ein Teil des Abwassers in die Produktion zurückgeführt wird, beträgt der Gesamtverbrauch an industriellem (Frisch-)Wasser 1200-1500 Gew.-% der Rüben. Es ist möglich, den Frischwasserverbrauch auf 150-250 Gew.-% der Rübe zu reduzieren, vorausgesetzt, dass Abwasser in vielen Bereichen der Zuckerfabrik gemäß dem Schema verwendet wird Wasserversorgung recyceln. Artesisches Wasser wird nur zum Waschen des Kristallzuckers in Zentrifugen, zum Pumpen der Magmakristallisation und für die Bedürfnisse des Fabriklabors verwendet.
Abwässer von Zuckerfabriken sind vielfältig physikalische und chemische Zusammensetzung, dem Verschmutzungsgrad und der erforderlichen Reinigungsmethode. Je nach Verschmutzungsgrad werden sie in drei Kategorien eingeteilt. Jede Kategorie ist in zwei Untergruppen unterteilt: A und B, wobei das Wasser der Untergruppe A qualitativ besser ist als das der Untergruppe B.
Abwasser aus der Zuckerproduktion enthält große Menge organische Materie, und ihre Reinigung unter natürlichen Bedingungen mit gewissen Schwierigkeiten verbunden ist, erfordert erhebliche irdene Gebiete und liefern kann schlechter Einfluss auf der Umgebung. BEI letzten Jahren auf verschiedene Weise entwickelt Biologische Behandlung und zugehörige Ausrüstung für deren Umsetzung. Die derzeit vorgeschlagenen Reinigungsverfahren basieren hauptsächlich auf anaeroben und aeroben Verfahren zum Abbau von Abwasserverunreinigungen aus Zucker- und Stärkefabriken.
Moderne Technologie Die Abwasserbehandlung besteht in der sequentiellen Abtrennung der darin enthaltenen Verunreinigungen durch mechanische, anaerobe und aerobe Methoden. Gleichzeitig ist das anaerobe Verfahren ein neues Verfahren in der Abwasserreinigungstechnik. Der anaerobe Reinigungsprozess erfordert für seine Durchführung die Aufrechterhaltung von Temperaturen im Bereich von 36-38 0 С, was mit zusätzlichem Wärmeverbrauch verbunden ist. Der Unterschied zum weit verbreiteten aeroben Verfahren liegt vor allem im minimalen Bioschlammwachstum und der Umwandlung kohlenhydrathaltiger Verunreinigungen in Biogas, dessen Hauptbestandteil Methan ist.
Aerober Prozess
C 6 H 12 O 6 + O 2 ---- CO 2 + H 2 O + Biopräzipitat + Wärme (6360 kJ).
Anaerober Prozess
C 6 H 12 O 6 ---- CH 4 + CO 2 + Biopräzipitat + Wärme (0,38 kJ).
Anaerobe Verfahren werden nach der Art der in den Reinigungsprozessen verwendeten Reaktoren in vier Hauptgruppen eingeteilt:
Mit Rückführung von Bioschlamm (Belebtschlamm):
Mit einer Schicht anaerober Sedimente und ihrer inneren Sedimentation;
Mit inerten Füllstoffen für Bioschlamm;
Speziell.
Abwasser, das einer anaeroben Behandlung unterzogen wird, sollte möglichst wenig mechanische Verunreinigungen und Stoffe enthalten, die den methanogenen Prozess hemmen. In ihnen muss eine Hydrolysesäurephase passieren, und außerdem muss Abwasser einen bestimmten pH-Wert und eine Temperatur im Bereich von 36-38 0 С haben.
Es wird angenommen, dass das anaerobe Behandlungsverfahren für Abwässer mit einer Belastung von mehr als 1,2–2,0 g/dm 3 BSB 5 (biologischer Sauerstoffbedarf) wirtschaftlich vorteilhaft ist. Die Obergrenze der Verschmutzung ist nicht begrenzt. Er kann gleich 100 g/dm 3 CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) sein.
Diese beinhalten:
A) Überschüssiges Frischwasser aus dem Druckbehälter, aus der Kühlung der Magma in Magmamischern, aus Pumpen und anderen Anlagen mit einer Temperatur unter 30 °C. Diese Wässer müssen nicht behandelt werden, um in die Produktion zurückgeführt zu werden;
B) Barometer, Ammoniak und andere mit Temperaturen über 30°C. Um diese Wässer zurückzugeben, ist eine Vorkühlung und Belüftung erforderlich.
Nach Abwasserkategorie II B. Bandwaschwasser aus hydraulischen Förderern und Rübenwäschern. Die Wiederverwendung dieser Wässer in der Produktion erfordert ihre Vorstufe mechanische Reinigung B. durch Absetzen in speziellen Absetzbecken.
Nach Abwasserkategorie III Dazu gehören: Bagassewasser, sein Schlamm, Laver-Wasser, Förderbandwaschwasserschlamm, Flüssigfiltrationsschlamm, Haushaltsschlamm, Fäkalien und andere schädliche Gewässer. Die Wasserbehandlung der Kategorie III erfordert biologische und kombinierte Behandlungsmethoden in geeigneten Absetzbecken und Filterfeldern.
In bestehenden Zuckerfabriken werden die folgenden Hauptindikatoren für den Wasserhaushalt (Gewichtsprozent der Rüben) zugrunde gelegt: Frischwasseraufnahme aus einem Reservoir - 164; die Anzahl der recycelten Wässer der Kategorie I - 898; II. Kategorie -862; Abwasser der Kategorie III - 170 oder 110, vorausgesetzt, dass die Suspension des Förder-Waschschlamms in vertikalen Absetzbecken-Eindickern Sh1-POS-3 abgesetzt wird und das Dekantat in den Wasserkreislauf der Kategorie II zurückgeführt wird.
Bei neu gebauten Zuckerrübenfabriken sollte der Frischwasserverbrauch für Produktionszwecke 80 % des Rübengewichts nicht überschreiten, und die Menge an gereinigtem Industrieabwasser, das in natürliche Gewässer eingeleitet wird, sollte 75 % des Rübengewichts nicht überschreiten.
Bei der Analyse der Qualität von Industrie- und Abwasser, deren Temperatur, Farbe, Geruch, Transparenz, Sedimenteigenschaften, Schwebstoffgehalt, Trockenrückstand, pH-Wert, Gesamtalkalität (Säure), Oxidierbarkeit, biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB), chemischer Sauerstoffbedarf ( CSB) werden bestimmt , Konzentration von Ammoniak, Nitraten, Chloriden und anderen Indikatoren.
Zielsetzung - beherrschen die Methoden der Qualitätskontrolle von Industrie- (Frisch-) und Abwasser.
VION-Materialien werden zur Reinigung von Lüftungsabfällen verwendet Gasemissionen Industrie vor löslichen Bestandteilen, Aerosolen von Säuren und Salzen Schwermetalle, wo sie hauptsächlich in Form von Nadelvliesen eingesetzt werden.
Fortschritt:
2gr wiegen. Kationenaustauscher VION KN-1 (trocken). In eine Bürette gießen. Durch die mit Kationenaustauscher gefüllte Säule wird die Ausgangslösung von CuCl 2 (3,6 mmol/l) geleitet. Als nächstes reißen wir Proben von 50 ml durch Titration ab. Basierend auf der Methodik (Ziffer 3.1) ermitteln wir optische Dichte Proben und finden Sie die Konzentration von Kupfer. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3.5 dargestellt.
Tabelle 3.5
|
С, mmol/l |
||||
Wir haben die Abhängigkeit der Kupferkonzentration im Filtrat vom Volumen der durch den Ionenaustauscher geleiteten Lösung aufgetragen.
Reis. 3.4
Der Sorptionsprozess besteht in der vollständigen Absorption der ersten Kationenportionen durch den Kationenaustauscher, und der Absorptionsbereich bewegt sich allmählich entlang der Säule zum Auslass. Danach kommt ein Moment, in dem die Kationen aufgrund der Erschöpfung der Kapazität des Kationenaustauschers beginnen, die Säule zu verlassen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Kupferkonzentration am Auslass der Kolonne allmählich ansteigt und die Form einer S-förmigen Kurve hat, die von Nullkonzentrationen bis zum Maximum reicht. Diese Kurve dehnt sich bei niedrigen Salzkonzentrationen aus.
Die bis zur vollständigen Sättigung des Kationenaustauschers von der Säule aufgenommene Kupfermenge wurde als die durch die S-förmige Kurve und die Gerade begrenzte Fläche der Figur berechnet maximale Konzentration:
n = ?Vi*(Cmax - Ci) (3)
wobei Vi = 50 ml,
Cmax = 3,6 mmol
n1 = 2,20 mmol.
Berechnen Sie die volumetrische Kapazität des Kationenaustauschers:
s1 \u003d n1 / m c \u003d 2,20 / 2 \u003d 1,10 mmol / g. Kationenaustauscher.
Die Diskussion der Ergebnisse
Während experimentelle Arbeit ermittelten die Gesamtaustauschkapazität von drei verschiedenen Kationenaustauschern (KU-2-8, KU-1, VION KN-1). Die Ergebnisse sind in Abbildung 3.5 dargestellt.
Die Gesamtaustauschkapazität des Kationenaustauschers ist proportional zu der durch die S-förmige Kurve begrenzten Fläche der Figur und der direkten maximalen Konzentration. Wie aus Abbildung 3.5 ersichtlich. Die Kapazitäten verschiedener Ionenaustauscher sind unterschiedlich und kleiner als die im Reisepass deklarierte Gesamtaustauschkapazität der Kationenaustauscher. So wurde experimentell festgestellt, dass die Gesamtaustauschkapazität des KU-2-8-Kationenaustauschers um 28 % niedriger als der Passwert ist, die Gesamtaustauschkapazität von KU-1 um 57 % niedriger als der Passwert ist und die POE des VION KN-1 Kationenaustauscher ist 39 % niedriger. Diese Daten müssen bei der Berechnung und Auslegung von Ionenaustauschern und Filtern berücksichtigt werden.
