Wymiana jonowa, oznaczenie pojemności wymiennej jonitu

Cel:

Zapoznanie się z pełnym cyklem pracy wymieniacza jonowego i wykonanie pomiarów określających podstawowe parametry pracy kolumny i złoża

Wprowadzenie:

Uzdatnianie wody oznacza dostosowanie właściwości i składu wody do wymagań wynikających z jej przeznaczenia. Aby to osiągnąć, wodę należy poddać odpowiednim zabiegom takim jak: klarowanie, odbarwianie, odżelazianie, odmanganianie, dezodoryzacja, dezynfekcja, odgazowanie, zmiękczanie, odsalanie, demineralizacja, stabilizacja, dezaktywacja i fluorowanie. Wymienione zabiegi mogą być realizowane za pomocą różnych procesów. Nie stosuje się wszystkich jednocześnie, lecz dokonuje się odpowiedniego ich doboru. Podstawą doboru powinny byś fizyczne, chemiczne i biologiczne badania wody z ujęć oraz badania mające na celu ustalenie procesów niezbędnych do uzyskania wymaganego efektu uzdatniania wody. W instalacjach do uzdatniania wody stosuje się szereg połączonych procesów jednostkowych. Jedną z metod zmiękczania lub demineralizacji wody (całkowitego usunięcia rozpuszczonych soli mineralnych i gazów) jest metoda jonitowa.

Jonity są to substancje pochodzenia naturalnego lub wytwarzane sztucznie, nierozpuszczalne w wodzie, mające zdolność wymiany jonów z roztworu na jony związane z masą jonitu. Ich makrocząsteczki mają postać przestrzennego szkieletu, w który wbudowane są grupy funkcyjne dysocjujące w wodzie i zdolne do wymiany swoich jonów na jony z otaczającego je roztworu w równoważnych ilościach. Jonity można podzielić na organiczne i nieorganiczne, naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne. Aktualnie używa się wyłącznie jonitów syntetycznych. Ich szkielety stanowią najczęściej polimery styrenu i diwinylobenzenu (DVB). DVB to czynnik sieciujący.

Styren jonit z grupą sulfonową

Jonity zbudowane są z wielkocząsteczkowej matrycy i grup jonoczynnych.

Schematy jonitów: podłoże - grupy kwasowe (kationity),

- grupy zasadowe (anionity).

Wymiana jonowa to proces odwracalny w ilościach równoważnych.

W zależności od charakteru grup funkcyjnych jonity dzieli się na kationity i anionity. Istnieje również inny podział w zależności od aktywności grupy funkcyjnej na mocne i słabe.

Grupami funkcyjnymi w kationitach są grupy kwasowe takie jak:

RjSO₃H (mocne) i RjCOOH (słabe). W anionitach grupami funkcyjnymi są grupy aminowe np. -NH₂ (słabe), -NHR, -NR₂ (średnie) bądź też czwartorzędowe grupy amoniowe -[NR₃]⁺ (silne). Jonity mogą występować również w formie soli np. sodowej (kationity) lub chlorków (anionity). Ich praca będzie jednak prowadziła do zmiękczenia, a nie demineralizacji wody.

Schemat pracy jonitu

(kwas) [Kt]H + Na⁺ = [Kt]Na + H⁺

R-C=O + Na⁺ → R-C=O + H⁺

 Ⴝ

OH ONa

(zasada) 2[An]OH + CO₃^2- = [An]₂CO₃ + 2OH^-

R-OH + NO₂^- → RNO₂ + OH^-

Zdolność wymienna jonitów

Jest to liczba milivali jonów, które mogą być wymienione przez jednostkę masy lub objętości jonitu. Rozróżnia się całkowitą zdolność wymienną i roboczą zdolność wymienną jonitów. Praktycznie wymianę jonową prowadzi się do momentu osiągnięcia roboczej zdolności wymiennej, a następnie jonity poddaje się regeneracji.

Demineralizacja jest to wymiana jonowa na jonitach pracujących w cyklu wodorowym. Jony Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ i inne kationy wymieniane są na jony H⁺, a towarzyszące im aniony na jon OH^-. Jonity, po wyczerpaniu swej zdolności jonowymiennej mogą być zregenerowane i ponownie użyte

Regeneracja

Jest to proces odwrotny, polegający na przemywaniu złoża kationitu roztworem HCl a anionitu roztworem NaOH. Stosuje się roztwory rozcieńczone 2...10%. Takie stężenia zapewniają największą szybkość regeneracji. Szybkość przepływu czynnika regenerującego powinna być wyższa na początku operacji, dla szybkiego wyparcia wody z przestrzeni między ziarnami jonitu. Następnie należy zmniejszyć szybkość z powodów ekonomicznych. O szybkości regeneracji stanowią procesy na granicy roztwór - ziarno jonitu. Dlatego jest ona zależna od stopnia rozdrobnienia jonitu. Jonit o ziarnach małej średnicy regeneruje się szybciej niż jonit o ziarnach dużej średnicy. Zalecane przez producentów czasy regeneracji zamykają się w przedziale 30...60 min. Dla typowych kolumn jonitowych prędkość przepływu roztworów przez złoże wynosi 2...70 m/h.

Pierwszą operacją, jaką należy wykonać jest regeneracja jonitów. Jonity pracują w cyklu wodorowo - wodorotlenowym. Do regeneracji kationitu używa się 5% roztworu HCl, a do anionitu 5% roztworu NaOH. Regeneracja polega na przetłaczaniu odpowiednich roztworów przez złoża jonitów znajdujących się w kolumnach. Po ustawieniu odpowiednich zaworów roztwory ze zbiorników tłoczy pompa. Eluat kontrolowany jest konduktometrem. Pojawienie się w eluacie mocnego elektrolitu jakim są roztwory regenerujące świadczy o zakończeniu procesu regeneracji. Następnie należy odmywać nadmiar roztworów regenerujących pozostających w złożu za pomocą podgrzanej wody destylowanej. Wodę do przemywania tłoczy się ze zbiornika tą samą pompą, co roztwory regenerujące. O zakończeniu odmywania świadczy obojętny odczyn eluatu i zanik przewodnictwa elektrycznego.

WYKONANIE DOŚWIADCZENIA

Odczynniki

• mianowany roztwór HCl o stężeniu 0,05 mol/dm³

• mianowany roztwór NaOH o stężeniu 0,1mol/dm³,

• mianowany roztwór HCl o stężeniu 1,7 mol/dm³

• etanolowy roztwór fenoloftaleiny

Przyrządy i szkło laboratoryjne

• kolumna szklana

• żywica kationitowa Amberlit IR-120

Sposób postępowania

Kolumnę wypełnić (moczonym uprzednio w wodzie destylowanej) jonitem o określonej masie. Jonit na początku doświadczenia powinien być zregenerowany to jest mieć formę wodorową, czyli zdolną do wymiany jonów H⁺. W tym celu kolumnę po wypełnieniu przemywa się kilkakrotnie 1,7 molowym roztworem HCl. Nadmiar kwasu z jonitu usuwa się przemywając kolumnę wodą destylowaną, aż odczyn wycieku będzie obojętny.

Następnie przez kolumnę przepuszcza się 0,01 molowy roztwór NaOH i mierzy się objętość wycieku. Należy utrzymywać stałą szybkość przepływu maksymalnie do 2 cm³ na minutę.

Kolejne porcje wycieku o objętości 10 ml miareczkować 0,05 molowym roztworem HCl wobec fenoloftaleiny. Pomiary prowadzić do momentu aż stężenie w wycieku będzie takie same jak w roztworze wyjściowym.

C/C_o

1,0

0,5

Praca jonitu zachodzi według schematu

RH + Na+ = RNa + H+ 0

v₁ v₂ objętość wycieku

Jony sodu zatrzymywane są na jonicie. W miarę doprowadzania roztworu NaOH na kolumnę z jonitem, czoło wymiany przesuwa się ku dołowi i w pewnym momencie w wycieku (eluacie) pojawiają się jony Na⁺ i OH^-.

Na podstawie wyników miareczkowania należy obliczyć stężenie molowe NaOH w kolejnych frakcjach wycieku. Stężenie początkowe roztworu NaOH - c_o = 0,1 mol ⋅dm^-3. Dla każdej frakcji należy obliczyć stosunek c:c_o. Wyniki należy zestawić w tabelce a następnie przedstawić graficznie według podanego schematu.

Nr	Objętość HCl z miareczkowania [ml]	Wartość stężenia roztworu NaOH w wycieku (c)	Stosunek c:co
1
...
n			1

W punkcie v₁ nastąpiło przebicie wypełnienia kolumny i w eluacie pojawiły się jony OH^-. Znając objętość v₁ można obliczyć pojemność przebicia. Pojemność całkowita jonitu jeat większa i określa się ją na podstawie punktu, którego współrzędne wynoszą 0,5 i v₂ (jeżeli krzywa jest symetryczna).

Pojemność przebicia można wyrazić iloczynem(v₁⋅ c_o)

v₁ - objętość wycieku wyrażona w litrach

c_o - stężenie molowe NaOH w roztworze podawanym na kolumnę.

Jest to pojemność przebicia odniesiona do masy jonitu zawartej w badanej kolumnie. Pojemność całkowitą można wyrazić iloczynem(v₂⋅ c_o) i oznacza całkowitą zdolność wymienną jonitu zawartego w kolumnie z doświadczenia.

Podstawą do uzyskania zaliczenia ćwiczenia jest prawidłowe wypełnienie tabelki i wykonanie obliczeń i wykresu, obliczenie obu pojemności jonitu w odniesieniu do jednego kilograma.

HCl

NaOH

---