Microsoft Word - zmiękczanie wody

1. Wstęp teoretyczny

Zmiękczenie i dekarbonizacja wody na jonitach opiera się na wykorzystaniu zjawiska
wymiany jonów pomiędzy substancją stałą (jonitem) a otaczającym ją roztworem
(uzdatnianą wodą). Ważne jest aby zachodzący proces był odwracalny i powodował
znacznych zmian w strukturze ciała stałego. Jonity dzielimy w zależności od rodzaju
usuwanych z wody jonów na: kationity (wymieniają kationy) i anionity (wymieniają
aniony). Ze względu na rodzaj grup funkcyjnych kationity dzielimy na: słabo kwaśne
(usuwają kationy związane z resztami słabych kwasów) oraz silnie kwaśne (usuwają
wszystkie kationy związane z resztami kwasów). Anionity dzielimy na: słabo
zasadowe (usuwają reszty mocnych kwasów) i silnie zasadowe (usuwają reszty
wszystkich kwasów).
Zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów wapnia i magnezu. W tym celu
stosuje się kationit silnie kwaśny w cyklu sodowym. W wyniku wymiany kationów z
wody na jon sodowy powstaje wodorowęglan sodu, który przy wysokim ciśnieniu i
temperaturze rozkłada się na NaOH i CO

, odpowiedzialne za pienienie się wody

oraz korozję.
Dekarbonizacja wody polega na usunięciu związanego dwutlenku węgla poprzez
użycie kationitu w cyklu wodorowym. W wyniku zachodzących reakcji powstają silne
kwasy mineralne oraz znaczne ilości CO

. Dwutlenek węgla usuwany jest w wyniku

odgazowania, natomiast kwaśny odczyn wody neutralizowany jest poprzez
zmieszanie strumieni wody z kationitów pracujących odpowiednio w cyklu sodowym i
wodorowym.

2. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia było przebadanie przebiegu procesu zmiękczania i dekarbonizacji
wody na kationitach sodowym i wodorowym pracujących w układzie równoległym
oraz ustalenie stosunku zmieszania strumieni cieczy z obu jonitów.
Zakres ćwiczenia obejmował:

 Przeprowadzenie procesu zmiękczania oraz dekarbonizacji wody w zadanych

warunkach

 Analizę właściwości wody przed i po uzdatnianiu
 Ustalenie odpowiedniego stosunku w celu uzyskania zadanych parametrów

3. Metodyka

Proces wymiany jonowej prowadzony był na dwóch kationitach pracujących
równolegle w cyklu sodowym i wodorowym przy ustalonej prędkości filtracji 5 [m/h].
W surowej oraz uzdatnionej wodzie oznaczano: twardość, zasadowość, kwasowość
ogólną i mineralną i pH.
Na podstawie uzyskanych wyników obliczono stopień wymieszania odcieków z
kationitów w celu uzyskania wartości wymaganych dla wody do celów
przemysłowych. Zmieszaną wodę doprowadzono do wrzenia w celu odpędzenia
CO

4. Otrzymane wyniki

Otrzymane wyniki przedstawiono w postaci tabelarycznej:

Oznaczany

wskaźnik

Jednostka

Woda

surowa

Na+

H+

Twardość

[mval/l]

6,00

0,00

Zasadowość

[mval/l]

3,60

3,25

0,00

Kwasowość og.

[mval/l]

0,50

0,60

5,10

Kwasowość min.

[mval/l]

4,50

[-]

7,02

7,21

2,67

Stopień wymieszania strumieni cieczy po kationitach obliczono z następującego
układu równań:

= 0,2

∙

−

∙

∙ 0,2

Gdzie:
- V

- objętość próbki po kationicie pracującym w cyklu sodowym [ml]

- V

- objętość próbki po kationicie pracującym w cyklu wodorowym [ml]

- Z- zasadowość po kationicie pracującym w cyklu sodowym [mval/l]

- K

min

- kwasowość

po kationicie pracującym w cyklu wodorowym [mval/l]

x- założona zasadowość w wodzie po zmieszaniu strumieni cieczy [mval/l]

Przy założeniu x=0,5[mval/l] otrzymano następujące objętości wymieszania:

= 0,13 = 130

= 0,07 = 70

Dla wody po wymieszaniu w powyższym stosunku uzyskano następujące wyniki
badań:

  pH=5,62
  zasadowość = 0,7[mval/l]
  twardość= 0 [mval/l]

Po odpędzeniu CO

z wody po wymieszaniu pH wynosi 6,5.

5. Analiza wyników. Wnioski.

Uzyskane podczas badań wyniki porównano z wartościami wymaganymi dla wody do
celów przemysłowych:

 Twardość = 0

[mval/l]

 Zasadowość

(0,3 ÷ 1,0)

[mval/l]

 pH

(6,5 ÷ 9,0)

Analiza wyników:

 kationit pracujący w cyklu sodowym:

 twardość wody uzyskała wartość 0 [mval/l]

co świadczy o pełnej skuteczności

w usunięciu jonów wapnia i magnezu

 zasadowość utrzymuje się na podobnym poziomie. Zmienia się rodzaj

zasadowości, ponieważ w wyniku pojawienia się wodorowęglanu sodu
(NaHCO

) pojawiła się zasadowość alkaliczna.

 kationit pracujący w cyklu sodowym nie wpływa w sposób znaczący na zmianę

kwasowości ogólnej

 nie odnotowujemy kwasowości mineralnej, ponieważ pH znajduje się w

zakresie 4,5-8,3

 ponieważ kwasowość oraz zasadowość pozostają na porównywalnym

poziomie, nie odnotowuje się zmiany pH

 kationit pracujący w cyklu wodorowym:

 twardość wody uzyskała wartość 0 [mval/l]

co świadczy o pełnej skuteczności

w usunięciu jonów wapnia i magnezu

 kwasowość mineralna wrasta (z 0 do 4,5), ponieważ po kationicie wodorowym

pojawiają się silne kwasy mineralne: kwas solny i kwas siarkowy

 kwasowość ogólna wzrasta, w wyniku pojawienia się kwasów mineralnych
 w wyniku znacznego wzrostu kwasowości oraz spadku pH poniżej wartości

4,5, nie odnotowujemy występowania zasadowości

 pH spada w znacznym stopniu (z 7,02 do 2,67), ponieważ następuje wymiana

kationów z wody na jony H

oraz powstają silne kwasy mineralne

 woda powstała w wyniku wymieszania cieczy po kationitach:

 w wyniku wymiany jonowej na kationicie pracującym w cyklu sodowym jak i

na kationicie pracującym w cyklu wodorowym uzyskano spadek twardości do
0[mval/l], dlatego w wodzie po zmieszaniu twardość również nie występuje co
odpowiada wymaganiom stawianym wodzie na cele przemysłowe

 po zmieszaniu wody z obu kationitów w obliczonych proporcjach uzyskaliśmy

wartość zasadowości 0,7[mval/l] mieszczącą się w przedziale wymaganym dla
wody przeznaczonej na cele przemysłowe

 pH zmieszanej cieczy wynosi 5,62 i nie mieści się w wymaganym przedziale

(6,5-9,0). Po odpędzeniu CO

pH wzrasta do 6,5 spełniając wymagania

stawianym wodzie na cele przemysłowe

Wnioski:

Zmiękczanie wody zarówno na kationicie pracującym w cyklu sodowym jak i
wodorowym ma wysoką skuteczność (w warunkach laboratoryjnych uzyskaliśmy
całkowite usunięcie twardości). Zastosowanie pojedynczego kationitu nie pozwala
jednakże na uzyskanie parametrów wymaganych dla wód wykorzystywanych w
celach przemysłowych. Osiągnięcie odpowiedniego stopnia uzdatnienia wymaga