Источники наличия тяжелых металлов в природных водах

В каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Через ионитовую установку пропускают лишь часть воды с тем, чтобы после смешения ее с остальной водой получить в опресненной воде солесодержание, отвечающее лимитам потребителя:

1 - Н-катионитовые фильтры;

2 - дегазатор;

3 - промежуточный резервуар;

4 - анионитовые фильтры.

Рис. 2.4 - Семы ионообменных установок:

а - периодического действия:

1 - колонна;

2 - решетка;

3 - слой ионита;

4-6 - распределители;

7 - бак с регенерирующим раствором;

8 - насос;

б - с намывным фильтром:

1 - корпус;

2 - фильтрующий элемент;

3 - емкость для приготовления суспензии ионита;

4 - насос;

5 - сборник отработанного ионита.



3. Определение сорбционных характеристик катионитов (экспериментальная часть)

Иониты, в зернах которых при ионообменном процессе происходит обмен катионов, называют катионитами.

Энергия вхождения различных катионов в катионит по величине их динамической активности может быть охарактеризована для одинаковых условий следующим рядом:

Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентных задержанных катионов на 1 м³ катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т. е., в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. Полной обменной емкостью называют то количество катионов, которое может задержать 1 м³ катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов, которое задерживает 1 м³ катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов. Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида извлекаемых из воды катионов, соотношения солей в умягчаемой воде, значения рН, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитовых фильтров, удельного расхода регенерирующего реагента и от других факторов.

Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов.

Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые - основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита.

Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость - это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая емкость - это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Она обычно меньше полной.

Динамическая обменная емкость - это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической. Характеристика основных марок ионитов представлена в таблице 2.1.

Для проведения экспериментальных работ по исследованию сорбционных характеристик катионитов необходимо приготовить раствор:

- с концентрацией 3,6 ммоль/ литр, что превышает ПДК в 2,3 раза (ПДК Cu 2 + в водоемах хозяйственно-питьевом назначении = 0,1 мг/л = 1,56 ммоль/л).

Таблица 2.1 - Характеристика катионитов:

Катионит	Функциональная группа	Ионная форма	Кислотность	Полная обменная емкость	Насыпная плотность, т./м3	Влажность, %	Мак. рабочая темпа, 0С	Зернение, мм
Марка	Тип				Экв/т	Экв/м3
КУ-2	Полимеризационная	SO3H	H +, Na +	Сильнокислый	4700-5100	1300-1800	0,7-0,9	50, 60	120-130	0,3-1,5
КУ-2-8	То же	SO3H	H +, Na +	То же	5100	1800	0,7-0,9	50, 60	120-130	0,3-1,5
КУ-2-12П	Полимеризационная макропористая	SO3H	H +, Na +	То же	4950	1500	0,7-0,9	50, 60	120-130	0,5-1,5
КУ-1	Конденсационная	SO3H	H +	То же	4000	1400	0,6-0,75	30, 50	90	0,3-2,0
КФ-1	Полимеризационная	PO(OH)2	Na +	Среднекислый	5000	1900	0,7	30, 50	90	-
КФ-2	То же	(CH2)[PO(OH)]2	Na +	То же	7000	2600	0,7	30, 50	90	-
КБ-1	То же	COOH	Na +	Слабокислый	8500-10000	4200-3800	0,55-0,6	30	90	0,3-1,5
КБ-4	То же	COOH	Na +	То же	8500	4200	0,55-0,6	50	150-180	0,3-2,0
КБ-4-10П	Полимеризационная макропористая	COOH	Na +	То же	7500	4200	0,68-0,82	75	150-180	0,25-1,0

Для этого необходимо взвесить 1,23 гр. соли:

- перенести в мерную колбу на 2 л. и довести до метки дистиллированной водой.

3.1 Методика определения меди фотоколориметрическим методом

Сущность метода. Метод основан на образовании комплексного соединения ионов меди с аммиаком, обладающим интенсивной сине-фиолетовой окраской. Окраска аммиака меди обусловлена (d > d) с переходами вследствие расщепления основного электронного состояния ионов меди в поле лигандов.

Так как устойчивость образующихся комплексов различается мало, то в растворе будет находиться смесь нескольких аммиакатов меди, количественное соотношение которых зависит от концентрации аммиака, присутствующего в растворе.

Молярный коэффициент поглощения тетрааммиаката меди при л = 640 нм равен 1102. Низкое значение ел, позволяет определить достаточно высокие концентрации ионов меди.

Реактивы:

Рабочий раствор соли меди, содержащий 1 мг. меди в 1 мл. Для приготовления этого раствора навеску 3,931 гр. сульфата меди CuSO45Н2O растворяют в 25 мл. 2М растворе серной кислоты, доводят объем раствора до 1 л. дистиллированной водой.

Ход работы:

Приготовление стандартных растворов. Готовят 6 стандартных растворов, содержащих 5.0, 7.5, 10, 12.5, 15, 17,5 мг. меди в 50 мл. Для этого в мерные колбы на 50 мл. переносят соответственно 5.0, 7.5, 10, 12.5, 15, 17.5 мл. исходного раствора, добавляют в каждую колбу 10 мл. 5%-го раствора аммиака мерным цилиндром и доводят объем до 50 мл. (до метки) дистиллированной водой. Через 10 мин. приступают к измерениям. Работу проводят со светофильтром №8.

Используют кюветы размером 20 мл. С данным светофильтром поочередно фотометрируют стандартные растворы. Каждое измерение обязательно повторяют 3 раза.

По средним значениям в координатах поглощения строят градуировочный график.

Получение результатов. Получают раствор сульфата меди (II) или природный концентрированный рассол, прибавляют 10 мл. 5%-го раствора аммиака и доводят объем до 50 мл. дистиллированной водой.

Приготовленный раствор через 10 мин. фотометрируют. Измерения повторяют 5 раз. Пользуясь построенным градуировочным графиком, находят содержание меди в анализируемом растворе.

Построение калибровочного графика.

Мы приготовили серию растворов хлорида меди с известными концентрациями из 3,6 ммоль/л раствора. Для получения раствора с концентрацией 1,8 мм. необходимо взять 50 мл. исходного раствора и довести его до 100 мл. и аналогично готовим растворы с концентрациями указанными в таблице 3.1. Измерили оптическую плотность растворов и результаты занесли в таблицу 3.1.

Таблица 3.1:

Концентрация меди C, мм	Оптическая плотность А
0,6	0,033
0,9	0,047
1,2	0,062
1,8	0,093
3,6	0,162



Построили график зависимости оптической плотности от концентрации меди.

Рис. 3.1 - Калибровочный график содержания меди:

По графику видно, что к меди применим закон Бугера-Ламберта-Бера. То есть при увеличении концентрации меди в растворе увеличивается оптическая плотность раствора, при этом зависимость линейная и берет свое начало в начале координат.

3.2 Определение полной обменной емкости катионита КУ-2-8

Катионит КУ-2-8 выпускается в Na-форме и H-форме и предназначен для умягчения, декарбонизации воды, в режиме параллельного Na-H-ионирования, загрузки Н-фильтров всех ступеней, фильтров смешенного действия (ФСД) при обессоливании воды и конденсата. Области применения водоподготовка, гидрометаллургия, гальванотехника, очистка сточных вод.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита КУ-2-8 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор. Далее отдираем пробы по 50 мл. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и при помощи калибровочного графика, находим концентрацию меди.

Результаты представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2:

V, мл	А	С, ммоль/л	С погл..
50	0,002	0,04	0,18
100	0,001	0,02	0,18
150	0,002	0,04	0,18
200	0,003	0,06	0,18
250	0,004	0,08	0,18
300	0,006	0,12	0,17
350	0,006	0,12	0,17
400	0,005	0,10	0,17
450	0,006	0,12	0,17
500	0,01	0,20	0,17
550	0,012	0,24	0,17
600	0,013	0,27	0,17
650	0,017	0,35	0,16
700	0,02	0,41	0,16
750	0,023	0,47	0,16
800	0,029	0,59	0,15
850	0,03	0,61	0,15
900	0,043	0,88	0,14
950	0,056	1,14	0,12
1000	0,06	1,22	0,12
1050	0,077	1,57	0,10
1100	0,096	1,96	0,08
1150	0,118	2,41	0,06
1200	0,131	2,67	0,05
1250	0,158	3,22	0,02
1300	0,168	3,43	0,01
1350	0,175	3,57	0,00
1400	0,174	3,55	0,00
1450	0,175	3,57	0,00



Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.

Рис. 3.2 - Динамика выхода ионов меди из колонки:

Процесс сорбции заключается в полном поглощении первых порций катионов катионитом, причем область поглощения постепенно перемещается по колонке к выходу.

После этого наступает момент, когда, в силу исчерпания емкости катионита, катионы начинают выходить из колонны. Из графика видно, что концентрация меди на выходе из колонки увеличивается постепенно и имеет вид S-образной кривой, начиная от нулевых концентраций до максимальной. Эта кривая растягивается при маленьких концентрациях солей. Рассчитали количество меди, поглотившегося колонкой до полного насыщения катионита, как площадь фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации:

н = ?Vi * (Cmax - Ci)

Где:

Vi = 50 мл.;

Cmax = 3,6 ммоль;

н1 = 3,57 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1 / mк = 3,57 / 2 = 1,78 ммоль/гр катионита

3.3 Определение полной обменной емкости катионита КУ-1

Катионит сульфоуголь, КУ-1 применяется при водород и натрий-катионировании, так как имеет в своем составе не только карбоксильную, но и сульфогруппу.

Катионит КУ-1 получают поликонденсацией n-фенолсульфокислоты и формальдегида. Он содержит два типа ионогенных групп: -S03H и -ОН. Выпускается в виде зерен неправильной формы.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита КУ-1 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор CuCl2 (3,6 ммоль/л).

Далее отдираем пробы по 50 мл. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и рассчитываем концентрацию меди. Результаты представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3:

V, мл	А	С, ммоль/л	С погл.
50	0,001	0,02	0,18
100	0	0,00	0,18
150	0,013	0,22	0,17
200	0,014	0,24	0,17
250	0,017	0,29	0,17
300	0,019	0,33	0,16
350	0,027	0,47	0,16
400	0,036	0,62	0,15
450	0,059	1,02	0,13
500	0,093	1,60	0,10
550	0,126	2,17	0,07
600	0,152	2,62	0,05
650	0,159	2,74	0,04
700	0,177	3,05	0,03
750	0,187	3,22	0,02
800	0,193	3,33	0,01
850	0,191	3,29	0,02
900	0,192	3,31	0,01
950	0,201	3,47	0,01
1000	0,203	3,50	0,01
1050	0,202	3,48	0,01
1100	0,201	3,47	0,01
1150	0,2	3,45	0,01
1200	0,202	3,48	0,01
1250	0,204	3,52	0,00
1300	0,208	3,59	0,00

Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.

Рис. 3.3 - Динамика выхода ионов меди из колонки:



Процесс сорбции заключается в полном поглощении первых порций катионов катионитом, причем область поглощения постепенно перемещается по колонке к выходу.

После этого наступает момент, когда, в силу исчерпания емкости катионита, катионы начинают выходить из колонны.

Из графика видно, что концентрация меди на выходе из колонки увеличивается постепенно и имеет вид S-образной кривой, начиная от нулевых концентраций до максимальной. Эта кривая растягивается при маленьких концентрациях солей.

Рассчитали количество меди, поглотившегося колонкой до полного насыщения катионита, как площадь фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации:

н = ?Vi * (Cmax - Ci)

Где:

Vi = 50 мл.;

Cmax = 3,6 ммоль;

н1 = 1,86 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1 / mк = 1,86 / 2 = 0,93 ммоль/гр катионита

3.4 Определение полной обменной емкости катионита ВИОН КН-1

Материалы ВИОН применяются для очистки вентиляционных отходящих газовых выбросов промышленности от растворимых компонентов, аэрозолей кислот и солей тяжелых металлов, где их используют главным образом в виде нетканых игл пробивных полотен.

Ход работы:

Взвесить 2 гр. катионита ВИОН КН-1 (сухого). Насыпать в бюретку. Пропускать через колонку заполненным катионитом исходный раствор CuCl2 (3,6 ммоль/л).

Далее отдираем пробы по 50 мл. титрованием. На основе методики (пункт 3.1) определяем оптическую плотность пробы и находим концентрацию меди.

Результаты представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4:

V, мл	А	С, ммоль/л	С погл.
50	0,003	0,06	0,18
100	0,002	0,04	0,18
150	0,005	0,09	0,18
200	0,007	0,13	0,17
250	0,011	0,20	0,17
300	0,015	0,28	0,17
350	0,015	0,28	0,17
400	0,021	0,39	0,16
450	0,021	0,39	0,16
500	0,035	0,65	0,15
550	0,054	1,00	0,13
600	0,076	1,41	0,11
650	0,084	1,56	0,10
700	0,124	2,30	0,07
750	0,144	2,67	0,05
800	0,168	3,11	0,02
850	0,174	3,22	0,02
900	0,182	3,37	0,01
950	0,186	3,44	0,01
1000	0,191	3,54	0,00
1050	0,193	3,57	0,00
1100	0,193	3,57	0,00
1150	0,195	3,61	- 0,00
1200	0,194	3,59	0,00
1250	0,193	3,57	0,00



Построили график зависимости концентрации меди в фильтрате от объема прошедшего через ионит раствора.

Рис. 3.4 - Динамика выхода ионов меди из колонки:

Процесс сорбции заключается в полном поглощении первых порций катионов катионитом, причем область поглощения постепенно перемещается по колонке к выходу.

После этого наступает момент, когда, в силу исчерпания емкости катионита, катионы начинают выходить из колонны.

Из графика видно, что концентрация меди на выходе из колонки увеличивается постепенно и имеет вид S-образной кривой, начиная от нулевых концентраций до максимальной. Эта кривая растягивается при маленьких концентрациях солей.

Рассчитали количество меди, поглотившегося колонкой до полного насыщения катионита, как площадь фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации:

н = ?Vi * (Cmax - Ci)



Где:

Vi = 50 мл.;

Cmax = 3,6 ммоль;

н1 = 2,20 ммоль.

Рассчитали объемную емкость катионита:

з1 = н1 / mк = 2,20 / 2 = 1,10 ммоль/гр катионита

3.5 Обсуждение результатов

В ходе экспериментальных работ определили полную обменную емкость трех различных катионитов (КУ-2-8, КУ-1, ВИОН КН-1). Результаты представлены на рисунке 3.5.

Рис. 3.5:

Полная обменная емкость катионита пропорциональна площади фигуры, ограниченной S-образной кривой и прямой максимальной концентрации. Как видно из рисунка 3.5. Емкости различных ионитов различны и меньше полной обменной емкости катионитов заявленных в паспорте. Так полная обменная емкость катионита КУ-2-8 найдена экспериментальным путем ниже паспортного значения на 28%, полная обменная емкость КУ-1 ниже паспортного значения на 57%, а ПОЕ катионита ВИОН КН-1 ниже на 39%.

Эти данные необходимо учитывать при расчете и конструировании ионообменных аппаратов и фильтров.

экология гидросфера ионообменный

Таблица 3.5:

	КУ-2-8	КУ-1	ВИОН КН-1
ПОЕ, ммоль/г	1,78	0,93	1,1
ПОЕ, мг-экв/г	3,56	1,86	2,20
ПОЕ, мг-экв/л	1318,52	581,25	2200,00
ПОЕ (по паспорту), мг-экв/л	1800	1350	3500-5000



Выводы

1. На основе анализа литературных данных по свойствам тяжелых металлов и источникам попадания их в природные воды, а также применения различных способов очистки воды от их присутствия предложен - ионообменный как более эффективный.

2. На основе изучения физико-химических свойств ионообменных материалов показано, что полная обменная емкость для различных катионитов:

- для водопроводной воды имеет соответственно меньшее значение, чем паспортные: 28%, 57%, 39% что обусловлено реальным качеством воды.



Литература

1. Инженерная экология. В.В. Кирсанов, А.А. Смолко.

2. Родионов А.И. Техника защиты окружающей среды / Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1989. - 512 с.: ил.

3. Баймаханов М.Т., Лебедев К.Б., Антонов В.Н., Озеров А.И. Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1983, с. 191.

4. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство / Под редакцией проф. Кудрявцева В.Н. - М.: Производственно-издательское предприятие «Глобус», 1998 - 302 с.: 51 ил., 64 табл., 26 библиогр. назв.

5. Большой практикум Воробьева Е.В., Макаренко Т.В. Гомель 2005.

Размещено на Allbest.ru

...