Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Заряженные примеси можно также удалить электрохимическими методами. Таким образом, знание состава и свойств примесей позволяет выбрать способ очистки воды. Удаление кислорода из воды. Кислород, растворенный в воде, вызывает коррозию металла парогенераторов электростанций, трубопроводов станций и тепловых сетей, поэтому должен быть удален из воды. Удаление кислорода осуществляется деаэрацией и химическим восстановлением. Деаэрация основана на использовании закона Генри, согласно которому растворимость газа прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.
Снижая парциальное давление газа над жидкостью, можно снизить растворимость его в жидкости. ° Парциальное давление можно снизить или уменьшением общего давления газа, или вытеснением данного газа другим газом. В практике используют оба приема. Обычно воду продувают водяным паром, при этом парциальное давление кислорода уменьшается. Однако методом деаэрации не удается обеспечить глубокое удаление кислорода. Последнее достигается взаимодействием кислорода с химическими восстановителями. Первоначально для этих целей использовался сульфит натрия, который при окислении переходит в сульфат натрия: 2маз5Оз + Оз = 2ыаз5Оз Этот метод и до сих пор применяется на станциях малой мощности. Однако при сульфитной обработке воды повышается соле- содержание, что недопустимо на электростанциях, работающих при высоком давлении пара.
На таких станциях кислород удаляют с помощью гидразина (т(аНз, являющегося сильным восстановителем. При взаимодействии гидразина с кислородом образуются азот и вода по уравнению реакции НзНз + Оз = (Чз + 2Н,О При этом солесодержание не меняется. К недостатку гидразина следует отнести его токсичность, поэтому при работе с ним должны соблюдаться соответствующие правила техники безопасности. Умягчение воды методом осаждения. Для малорастворимых солей при постоянной температуре соблюдается постоянство произведений активностей ионов, называемое произведением растворимости (ПР). Например, при 20 'С для равновесий СаСОз(т) Сазт + СОзз, МК(ОН)з (т) =Ма'++ 2ОН П(зезСО, = аС» аСО,'— = (О "; П(зча(ОНЗ, = аМа"аЬН- = (,2 (О ".
Концентрацию иона, входящего в малорастворимое соединение, можно уменьшить увеличением концентрации иона противоположного знака, входящего в то же соединение. Например, концентрацию ионов Са'+ и МК'+ можно понизить увеличением концентрации ионов СОз и ОН соответственно.
Этот принцип 375 можно использовать для осаждения нежелательных примесей из раствора. Метод осаждения малорастворимых соединений применяется для очистки воды, например для ее умягчения (сиижеиия жесткости). Для уменьшения карбоиатиой жесткости применяется метод известковаиия, при котором в обрабатываемую воду вводят известь Са(ОН)з. В результате электролитической диссоциации извести Са(ОН)з — Сазт+20Н возрастает рН воды, что приводит к смещению углекислотиого равновесия в сторону образования карбоиат-иоиов: ОН-+ Н,СО, = НСО;+ Н,О; ОН-+ НСОГ=з СО,-+ Н,О В результате этого достигается произведение растворимости кар- боиата кальция и последний выпадает в осадок: Саз+ + Соз з— СаСОз) Кроме того, при увеличении концентрации гидроксид-иоиов достигается произведеиие растворимости гидроксида магния и последний выпадает в осадок Мд'+ + 2ОН Мп(ОН) з).
Реакции, протекающие при введении извести, можно записать в молекулярной форме уравнениями Са (НСОз) з + Са (ОН) з = 2СаСОз + 2НзО МК(нсоз)з -(-2Са(ОН)з = МК(ОН)з+ 2СаСОз+ 2Нзо НзСОз + Са (ОН) з = СаСОз + 2Нзо Как видно, при введении извеети снижается концентрация ионов Са + и Мд'+ (умягчеиие), НСОз (сиижеиие щелочиости) и НзСОз. Метод известковаиия непригоден для снижения иекарбоиатиой жесткости. Для этих целей необходимо вводить хорошо растворимую соль, содержащую карбоиат-иоиы. Обычно для этого используют соду НазСОз, которая, диссоциируя, дает иовы СОзз МазСОз 2на+ -)- СОз ' ° Созз + Сазз — СаСОз) Углекислотиое равновесие может быть смещеио вправо и при нагревании: 2НСОз -- Соз + СОз) + Нзо В результате этого увеличивается концентрация карбоиат-иоиов и достигается произведение растворимости карбоиата кальция, который выпадает в осадок.
Такой метод умягчеиия называется термическим. Жесткость, удаляемая методом нагревания, иазывается временной жесткостью. Термический метод применяется только тогда, когда иет необходимости в глубоком умягчении и кпгда вода должиа подогреваться согласно технологии в других аппаратах. Для очистки природных и сточных вод от примесей широко применяются методы катиоиироваиия, аииоиироваиия и химического обессоливаиия.
Ионный обмен. Для удаления ионов из воды широко используется метод ионного обмена. Ионный обмен протекает на нонитах, представляющих собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а ионы противоположного знака заряда способны переходить в раствор и заменяться на другие ионы того же знака заряда. Способностью к ионному обмену обладают некоторые природные соединения, например алюмосиликаты.
Однако более широкое применение получили синтетические ионообменники, которыми обычно служат полимерные материалы. В качестве полимеров, служащих основой (матрицей) для ионитов, можно назвать сополимеры стирола с дивинилбензолом и метакриловой кислоты с дивинилбензолом. Ионит состоит из матрицы, на которой имеется большое число функциональных групп. Последние или вводятся в мономер либо в реакционную смесь при полимеризации, или прививаются к полимеру после полимеризации. Функциональные группы способны диссоциировать в растворе, при этом ионы одного знака заряда остаются на ионите, а ионы другого знака заряда переходят в раствор.
В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и анионнты. У катионитов в раствор переходят катионы, которые затем могут обмениваться на катионы, находящиеся в растворе. Функциональными группами у катионитов обычно служат сульфогруппы — $07Н, фосфорнокислые группы — РО(ОН)ь карбоксильные группы — СООН, гидроксильные группы — ОН.
При контакте ионита с раствором эти группы диссоциируют, посылая в раствор ионы Н~. В результате этого поинт заряжается отрицательно, раствор около ионита — положительно. В зависимости от степени диссоциации функциональных групп различают сильные и слабые катиониты. Катионит после диссоциации функциональных групп можно условно обозначать формулой В" пК)+, а ионный обмен представить уравнением П" лК!7+ лц17 Н' лК17+ лип где К)~~ и Кг+ — катионы, участвующие в ионном обмене. У анионитов функциональные группы при диссоциации посылают в раствор анионы, а на ионите остаются положительно заряженные ионы. Функциональными группами у анионитов обычно служат аминогруппы — МН,, =МН, =)ч и четвертичные аммонийные основания — МК. При диссоциации этих групп ионит заряжается положительно, а раствор около ионита — отрицательно.
Анионит после диссоциации функциональных групп можно обозначить формулой К"+пА , а анионный обмен представить уравнением Н" "лА~ + лА,=,» П" ' лА, + лА,, где А~ и Аз — анионы, участвующие в ионном обмене. Аниониты также могут быть сильными и слабыми. 377 Катионирование воды. Чаще всего для обработки природной воды методом катионирования применяются катиоииты, у которых обмениваемыми ионами служат ионы Мал ()х)а-катионнты) или Н+ (Н-катиониты). Ха-катионит обменивает ионы На+ на ионы, содержащиеся в природной воде.
Так как основными катионами в природной воде являются ионы Са'+ и Мд'+, то при Ма-катионировании происходит умягчение воды: 2К" лмал+ пСа'а —. КГлса'! + 2лна+ 2К" пна+ + лл12~ ! К( лйя~ ! + 2лма+ В результате На-катионирования снижается как карбонатная, так и некарбонатная жесткость. Однако солесодержанне при этом практически не меняется, так как в раствор переходят ионы На~. Процесс катионирования заключается в пропускании воды через фильтры, загруженные Ха-катионитовым порошком.
По мере работы Ма-катионитовый фильтр истощается (поинт переходит в Са- Мй-форму). После истощения катионита его регенерируют. Процесс регенерации представляет собой ту же реакцию ионного обмена, но проводимую в обратном направлении. Обычно регенерацию проводят раствором поваренной соли: й) лСааа + 2лнаэ + 2пС! ~ 2К" лнаэ -!- лСааэ + 2лС! КГлМКа!+ 2л!Ча+ + 2пс! = 2К" лма++ лЫК'++ 2лС! В результате регенерации ионит снова восстанавливает свою способность к умягчению воды. При Н-катионировании происходит обмен ионов Н+ ионита на катионы, содержащиеся в воде; 2К" лН+ + лСа'э — К$ лСа'+ + 2лНэ 2К' лН + пМК'~ ~ й) лМКа+ -!- 2лН" й лНэ+ лХа+ К" лнаэ+ лН+ В результате этого обмена из воды удаляются ионы Мд'+, Са'+, На! и др. В воде увеличивается концентрация ионов Н+, которые частично связываются карбонат- и гидрокарбонатионами: СО) + 2Нэ - Н~соа — Нао+ СОа! нсо;+нэ =- н,со, н,о+ сон В результате Н-катионироваиия происходит умягчение воды, снижение щелочности и солесодержания в воде.
Однако при этом уменьшается рН воды, она становится коррозионно-агрессивной. Поэтому Н-катионирование проводят обычно в сочетании с другими методами ионного обмена. Регенерацию Н-катионита проводят раствором кислоты. В качестве примера рассмотрим одно из уравнений реакции, протекающей при регенерации Н-катионита: 37В К3 пМК'+ + 2лН+ + пало, 4— 2К" 'лН+ + лМК" + про,' Катионирование применяется для очистки не только природных, но и сточных вод. Вредные катионы сточных вод обмениваются на безвредные ионы ионита. Например, для удаления ионов Хп'т из сточной воды последнюю можно подтвергнуть Ма-катионированию: 2й" лмаэ + лхп~+ - й3 л7пзэ + 2лмаэ Катионироваиие природных и сточных вод обычно проводят как одну из заключительных стадий для глубокой очистки, так как стоимость ионитной обработки достаточно высока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
