2
1. Wstęp teoretyczny
Odmineralizowanie wody polega na całkowitym usunięciu rozpuszczonych w niej soli
przy jednoczesnym wytworzeniu jonów H
+
lub OH
-
. Do odmineralizowania wody można
wykorzystywać różne metody. Między innymi proces wymiany jonowej, który polega na
zamianie występujących w wodzie kationów na kationicie kwaśnym, pracującym w cyklu
wodorowym Kt
H+
na jony wodorowe i anionów na anionicie zasadowym pracującym w cyklu
wodorotlenowym A
OH-
na jony wodorotlenowe. Teoretycznieotrzymana woda powinna być
całkowicie pozbawiona rozpuszczonych w sobie soli. Praktyka pokazuje jednak, iż zależnie
od przeznaczenia wody i związanych z nim wymagań jakości stosuje się różne układy
technologiczne złóż. Wyróżnia się przy tym pojęcia częściowego i całkowitego
odmineralizowania. W przypadku wody stosowanej instalacjach grzewczych, konieczne jest
całkowite usunięcie krzemionki w celu uniknięcia zjawiska kamienia kotłowego. Takie
odmineralizowanie nazywamy całkowitym. W przypadkach, gdzie obecność tego związku nie
wiąże się z negatywnymi skutkami, można pozostać przy odmineralizowaniu częściowym.
Przebieg procesu odmineralizowania wody można opisać następującymi reakcjami:
Kationit silnie kwaśny pracujący w cyklu wodorowym :
2KtH + Ca(HCO
3
)
2
→ Kt
2
Ca + 2H
2
O + 2CO
2
2KtH + Mg(HCO
3
)
2
→ Kt
2
Mg + 2H
2
O + 2CO
2
2KtH + CaCl
2
→ Kt
2
Ca + 2HCl
2KtH + MgSO
4
→ Kt
2
Mg + H
2
SO
4
Anionit silnie zasadowy pracujący w cyklu wodorotlenowym :
H
2
CO
3
+ 2AnOH → An
2
CO
3
+ 2H
2
O
H
2
SO
4
+ 2AnOH → An
2
SO
3
+ 2H
2
O
HCl + AnOH → AnCl + H
2
O
H
2
SiO
3
+ AnOH → An
2
SiO
3
+ 2H
2
O
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie w warunkach laboratoryjnych procesu
odmineralizowania wody metodą jonitową orazzbadanie efektu demineralizacji wody w
trójstopniowym układzie technologicznym wymienników jonitowych.
3. Zakres ćwiczenia
Przeprowadzenie analizy na wodzie surowej
Przygotowanie złóż jonitowych do badań
Przeprowadzenie próby technologicznej w układzie trójstopniowej wymiany jonowej
Analiza uzyskanych wyników
3
4. Przebieg badań
Wykonano następujące oznaczenia dla wody surowej: odczyn pH, twardości ogólnej,
zasadowości, kwasowości, wolnego CO
2
, chlorków, przewodnictwa elektrycznego oraz
krzemionki. Następnie woda surowa została przepuszczona przez kolumnę jonitową
wypełnioną silnie kwaśnym kationem z prędkością 10m/h.Po odrzuceniu pierwszych dwóch
porcji przesączu, przystąpiono do zbadania wody pod kątem: odczynu pH, twardości ogólnej,
zasadowości, kwasowości, wolnego CO
2
, chlorków, przewodnictwa elektrycznego oraz
krzemionki. Po dekationizacji wodę przepuszczono przez kolumnę wypełnioną słabo
zasadowym anionitem.Po odrzuceniu pierwszej partii przesączu oznaczono następujące
wskaźniki: odczyn pH, twardości ogólnej, zasadowości, kwasowości, wolnego CO
2
,
chlorków, przewodnictwa elektrycznego oraz krzemionki. Po wykonaniu oznaczeń wodę
przefiltrowano przez anionit silnie zasadowy i powtórzono oznaczenia.
5. Oznaczenia i obliczenia
Odczyn pH
Odczyn badanej wody oznaczano za pomocą pH-metru i wyniósł: 6,94 [-]
Twardość ogólna
Twardość wody określa się zawartością rozpuszczonych w niej soli wapnia i magnezu,
wyrażonych w mval/dm.
Do 10 ml badanej wody dodajemy HCl 0,01n tyle ile wynika z zasadowości wody w
próbce, 1 ml buforu amonowego oraz szczyptę czerni eriochromowej. Miareczkujemy 0,01 M
roztworem wersenianu dwusodowego do zmiany zabarwienia z fioletowego na niebieskie.
Obliczenia:
[
]
a - objętość 0,01 M roztworu wersenianu dwusodowego zużyta do miareczkowania
V - objętość badanej próbki wody [10 ml]
Przykładowe obliczenie twardości ogólnej dla próbki z wodą surową:
[
]
4
Zasadowość
Zasadowość jest to zdolność do zobojętniania dodawanych do wody silnych kwasów
mineralnych. Zasadowość wody wyraża się w mval/dm³.
Miareczkujemy 100 cm³ wody 0,1-normalnym kwasem solnym wobec oranżu metylowego
do zmiany zabarwienia z żółtego na pomarańczowy (zasadowość m ogólna).
Obliczenia:
[
]
a - objętość HCl użyta do miareczkowania [ml]
V - objętość badanej próbki wody [ml]
Parametr
Jednostka
Woda
surowa
KtH
AOH
słabo zas.
AOH
silnie zas.
a
[ml]
2,3
nw
0,25
0,7
Przykładowe obliczenie zasadowości dla próbki z wodą surową:
[
]
Wolny CO
2
Obliczono odejmując od kwasowości mineralnej kwasowość ogólną i mnożąc razy 44,
czyli masę molową CO
2
. W przypadku, gdy kwasowość mineralna nie występowała, to
kwasowość ogólną mnożyliśmy razy 44.
Kwasowość ogólna
Do kolby stożkowej o pojemności 300 cm
3
odmierzono 100 mlbadanej wody, dodano 3
krople fenoloftaleiny. Miareczkowano wodorotlenkiem sodowym 0,1n do odbarwienia próby.
Wyniki obliczeń uzyskano przy zastosowaniu poniższego wzoru:
3
1000
1
,
0
dm
mval
og
V
a
K
a – objętość wodorotlenku sodowego zużytego do miareczkowania [ml]
V – objętość próbki użytej do oznaczenia [ml]
5
Parametr
Jednostka
Woda
surowa
KtH
AOH
słabo zas.
AOH
silnie zas.
a
[ml]
0,4
4,6
2,2
nw
Przykładowe obliczenie kwasowości ogólnej dla próbki z wodą surową:
3
40
,
0
100
1000
1
,
0
40
,
0
dm
mval
og
K
Kwasowość mineralna
Do kolby stożkowej o pojemności 300 cm
3
odmierzono 100 mlbadanej wody, dodano 3
krople metylooranżu. Miareczkowano wodorotlenkiem sodowym 0,1n do zmiany zabarwienia
z pomarańczowego na żółty. Obliczenia wykonano korzystając z wzoru:
3
min
1000
*
1
,
0
*
dm
mval
V
a
K
gdzie:
a – objętość NaOH zużytego do miareczkowania [ml];
V – objętość próbki [ml].
Parametr
Jednostka
Woda
surowa
KtH
AOH
słabo zas.
AOH
silnie zas.
a
[ml]
nw
2,9
nw
nw
Obliczenie dla wody po KtH:
3
min
90
,
2
1000
*
1
,
0
*
90
,
2
dm
mval
V
K
Chlorki
Do kolby stożkowej odmierzono 100 ml badanej wody. Dodano kilka kropli chromianu
potasowego. Miareczkowano azotanem srebra do momentu aż zaczął wytrącać się brązowy
osad.
Obliczenia:
[
]
a = objętość AgNO
3
użyta do zmiareczkowania badanej próbki wody [ml]
6
V = objętość badanej próbki wody [100 ml]
M
Cl
= masa molowa atomu chloru [35,5]
Zawartość chlorków w wodzie surowej:
[
]
Krzemionka
Do cylindra Nesslera odmierzono 100 cm3 badanej wody. Dodno 1 ml kwasu solnego oraz
2 ml molibdenianu amonu. Po 5 minutach oznaczono na spektrofotometrze program nr. 650.
Obliczanie wyników:
[
]
gdzie:
a – wartość odczytana ze skali wzorców
V - objętość próbki zużytej do oznaczenia [ml]
[
]
Przewodność elektryczna
Oznaczenie przewodnictwa zostało wykonane na konduktometrze. Wartość przewodności
to iloczyn wartości uzyskanej w badanej wodzie i wartości uzyskanej w roztworze
wzorcowym KCl 0,1n ,czyli:
z = 418,18 ∙ 1,32 = 552 [µS/cm]
Podobne badania wykonaliśmy dla wody po przejęciu przez kationit i anionity.
7
6. Wyniki badań odmineralizowania wody metodą wymiany jonowej
Oznaczenia Jednostki
Woda
surowa
Całkowite odmineralizowanie
KtH
AOH słabo zas.
AOH silnie zas.
odczyn
pH
7,36
2,75
4,60
8,81
twardość og. mval/dm
3
4,50
0
0
0
Zasadowość
mval/dm
3
2,30
nw
0,25
Z
F
=0,50
Z
M
=0,70
Kwasowość mval/dm
3
0,40
K
og
=4,60
K
M
=2,90
K
og
=2,20
nw
Wolny CO
2
mg/dm3
17,60
74,80
96,80
0
Chlorki
mg/dm3
42,60
42,60
26,60
0,25
Krzemionka mg/dm3
9,20
9,20
9,20
0
Przewodność µS/cm
552,00
1355,00
18,00
12,00
7. Wnioski
Po przejściu przez cały układ technologiczny, z wody został całkowicie usunięty
zawarty w niej dwutlenek węgla
.
Analizując wyniki odczytu, można zauważyć znaczący
spadek pH wody po przejściu przez kationit. Spowodowały go zawarte w wodzie kwasy
mineralne utworzone przez przedostający się do wody jon wodorowy H
-
.Następnie pH
wzrosło dzięki usuniętym anionom. Ostatecznie wskaźnik ten podniosło odgazowanie
badanej wody, czyli pozbycie się z niej wolnego dwutlenku węgla.Przewodność wody
surowej świadczy o stosunkowo dużym jej zasoleniu. Wzrasta ona po przejściu przez jonit
wodorowy z powodu zawartych w niej kwasów mineralnych.Fakt wyraźnie nieusuniętej
przewodność wody oraz zawartości krzemionki po trójstopniowym przepuszczeniu przez
jonity możeświadczyć o tym, iż w badanej wodzie nadal znajdują się sole oraz o tym, że w
warunkach laboratoryjnych ciężko jest je usunąć całkowicie. Otrzymane wyniki nie
odbiegają znacząco od wartości oczekiwanych.