Биохимическое потребление кислорода

Биохимическое потребление кислорода (БПК) - это тест на определение степени загрязнения сточных вод до очистки и после неё, перед сбросом в водоёмы. БПК выражают количеством кислорода, выраженным в миллиграммах, которое требуется для окисления находящихся в 1 л сточной воды органических веществ в аэробных условиях в результате, происходящих в воде биологических процессов. Биохимическое, потребление кислорода не включает расхода кислорода на нитрификацию.¹

Определяют полное биохимическое потребление кислорода (БПК), для чего процесс ведут до начала нитрификации (обычно 15-20 суток), или пятисуточное (БПК₅), которое, естественно, не является полным.

Применяемый метод определения БПК состоит в следующем. Исследуемую сточную воду после двухчасового отстаивания разбавляют чистой водой, взятой в таком количестве, чтобы содержащегося в ней кислорода с избытком хватило для полного окисления органических веществ в сточной воде. Определив содержание растворённого кислорода в полученной смеси, её оставляют в закрытом сосуде на 2, 3, 5, 10 (и так далее) суток, определяя содержание кислорода по истечении каждого из перечисленных периодов времени. Уменьшение количества кислорода в воде показывает, сколько его за это время израсходовано на окисление органических веществ, находящихся в сточной воде. Это количество, отнесённое к 1 л сточной воды, и является биохимическим потреблением кислорода сточной водой за данный промежуток времени (БПК₂, БПК₃, БПК₅,БПК₁₀ и т. д.) .

Стандартной¹ - была признана продолжительность инкубации, равная 5 суткам, при 20 °С без доступа воздуха и света. Потребление кислорода, определяемое при этих условиях, называется пятисуточным биохимическим потреблением кислорода - БПК₅.

Содержание кислорода в первоначальной или в разбавленной пробе должно оставаться в течение всего времени инкубации таким, чтобы были обеспечены нормальные условия протекания аэробных биохимических процессов. Эти условия соблюдаются, если анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой будет насыщена перед началом определения кислородом воздуха и если во время инкубационного периода произойдёт снижение концентрации кислорода на 3 мг/л или больше, но так, чтобы остающаяся концентрация кислорода спустя пять дней составляла не менее 3 мг/л.

При анализе проб, обрабатываемых без разбавления, ограничение минимального потребления кислорода 3 мг/л неприемлемо, так как пробы с БПК ниже-3 мг/л будут иметь и более низкое потребление.

 

 

Состав природных вод

    Атмосферная вода, образующаяся за счет атмосферных осадков, выпадающих в виде дождя, росы, снега, града и измороси является наиболее чистой, в ней практически не содержатся растворенные соли или органические соединения. Эта вода может загрязняться примесями, имеющимися в воздухе. Обычно в атмосферных водах находятся растворенные газы (О2, СО2, N2).

 

  Стандарт (от англ. норма, образец) — в широком смысле означает образец, эталон, модель, принимаемые за исходные для сопоставления с ними других подобных объектов.

Стандарт как нормативно-технический документ устанавливает комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации.

 

      Свойства поверхностных вод различны. Пресные воды прудов, озёр и других водоемов обычно содержат растворенные и взвешенные примеси. Количество примесей зависит от грунта и горных пород, где находится водоём. Как правило, в речной воде больше растворенных солей, а в воде прудов и болот много органических соединений. Воды морей и океанов в своём составе содержат большое количество растворенных солей. Многие подземные, или грунтовые, воды, бесцветные и прозрачные на вид, также содержат значительное количество различных растворенных соединений.

        Принято воду гидросферы называть природной; 96 % её сосредоточено в Мировом океане, остальная часть распределена среди рек, озёр, ледников, подземных и почвенных вод. Лишь 3 % природной воды являются пресными, среди которых только 20 % доступны для использования. Пресную природную воду применяют в сельском хозяйстве (-82 %), быту (-10 %) и промышленности (~8 %). Воду, расходуемую промышленными предприятиями, называют технической и используют в качестве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов, энергоносителя на атомных и гидроэлектростанциях, растворителя.

            Природная вода находится в непрерывном взаимодействии с окружающей средой. Контактируя с воздухом и почвой, растительностью и горными породами, она растворяет различные вещества органического и неорганического происхождения. Поэтому природная вода никогда, не бывает чистой и представляет собой не индивидуальное соединение, а динамичную, многокомпонентную систему, содержащую почти все химические элементы. Значительная их часть присутствует в воде в столь малых количествах (микрокомпоненты - Li, Be, В, Rb, Zn, Сu, Bi, W, V, Br, I и др.), что не оказывает никакого влияния на её органолептические и физические свойства, однако крайне важна для жизнедеятельности живых организмов. Макрокомпонентами природной воды обычно являются ионы Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe2+ (катионогенные воды), Si03 2-, С03 2-, S 2-, Сl- (анионогенные воды).

В результате накопления в воде биогенных химических элементов повышается биологическая продуктивность водных объектов, так называемое эвтрофирование вод (ГОСТ 17.1.1.01-77). 

От эвтрофы (хорошее питание) — растения, способные расти только на богатых питательными веществами почвах.

Суммарная концентрация анионов, катионов и недиссоциированных расстворенных в воде неорганических веществ, выражающаяся в г/л, называется минерализацией воды.

        Среди веществ, содержащихся в природной воде, имеются коллоидные и крупнодисперсные частицы, органические вещества и различные микроорганизмы, минеральные соли и газы.

        Крупнодисперсные частицы в воде находятся во взвешенном состоянии. Они неоднородны по форме и различны по происхождению. К ним относятся ил, песок, остатки растений, живых микроорганизмов и др.

 

Среди органических веществ, растворённых в природной воде, следует отметить гуминовые (HO-R'-COOH) и карбоновые (R-COOH) кислоты, а также различные углеводороды. Гуминовые кислоты - неплавкие тёмноокрашенные вещества, входящие в состав органической массы торфа (до 60 %), бурых углей (20-40 %), почв (до 10 %); строение окончательно не установлено. Стимуляторы роста растений, компоненты составов для бурения, органоминеральных удобрений. Наиболее чистой является дождевая (снеговая) вода вдали от больших городов, но и в ней содержатся растворённые вещества - газы воздуха, соли и др.

   Соли, содержащиеся в природной воде, поступают в неё различными путями в ходе круговорота воды в природе, и их подразделяют следующим образом:

-соли, непосредственно смытые водой или появившиеся в ней вследствие сброса промышленных стоков: NaCl, Na2S04, СаСl2, NH4N03 и др.;

     -соли, поступившие в воду в результате её контакта с горными породами (известняками СаС03, доломитами СаС03 MgC03, магнезитами MgC03 и др.) - гидрокарбонаты, хлориды, сульфаты кальция и магния, например:

СаС03 • MgC03 (т) + 2С02 (г) + 2Н20 (ж) = Са(НС03)2 (р) + Mg(HC03)2 (р)

Растворённые в воде соли полностью диссоциированы, частично гидролизованы и находятся в виде гидратированных катионов и анионов. Ниже приведены ионы в порядке убывания частоты их присутствия в природной воде:

Катионы: Са2+ Mg2+ Na+ К+ NH4+ Fe2+.

Анионы: HCO3 -  Сl - S04 2-  NO3 - F -  Р04 3-.

       Между частотой присутствия ионов и их концентрацией в воде не наблюдается чёткой корреляции (табл. 7).

  При загрязнении водоисточников бытовыми стоками в воде могут обнаруживаться аммиак, соли аммония, нитраты, нитриты, фосфаты, сульфиды, сероводород, производственными стоками - ионы Cu2+, Zn2+, Pb2+, Hg2+, As3+, радиоактивные вещества, фенол, нефтепродукты и другие примеси. Большинство из них являются вредными веществами. По мере накопления .таких веществ в водоёмах вода становится непригодной, поэтому требуется глубокая и тщательная её очистка перед использованием в питьевых и промышленных целях.

В настоящее время охрана водных ресурсов и очистка сточных вод, ограничение потребления воды и борьба с загрязнением окружающей среды, а также воспроизводство пресной воды являются наиболее актуальными экологическими проблемами общества.

Основными газами, содержащимися в природной воде, являются: С02, N2, О2, СО. В подземных водах часто обнаруживаются ещё CH4 и H2S, создающие восстановительную среду. Хорошая растворимость кислорода приводит к тому, что относительное его содержание в воде выше (-35 об. %), чем в воздухе (-21 об. %), что обеспечивает существование жизни в водоёмах.

Часть углекислого газа, содержащегося в воде, вступает с ней в химическое взаимодействие:

СО2 + Н20 = H2CO3.

 

        Положение равновесия реакции сильно смещено влево и при рН = 4,4 растворенный в воде углекислый газ на 99 % находится в форме СО2 и около 1 % - в форме Н2СО3; обе эти формы называют свободной углекислотой. В воде присутствуют и связанные - гидрокарбонатная НСО3 - и карбонатная Соз 2- - формы углекислоты в виде соответствующих солей. Все эти формы способны переходить друг в друга в зависимости от pH воды:

 

                                                                                                      

СО2+Н2СО3+НСО3-

НСО3-+СО3 2-

 

рН

Примерно до рН 4,4 только в форме свободной углекислоты (СО2, Н2СО3)

Приблизительно при рН 8,4 — 99,7 % в гидрокарбонатной форме (НСО3-)

При рН > 12,4 только в карбонатной форме (СО3 2-)

   

 

При подкислении воды карбонаты превращаются в гидрокарбонаты:

2СаСО3 + 2НС1 = Са(НСО3)2 + СаСl2;

СО3 2- + Н+ = НСО3-,

которые при дальнейшем подкислении переходят в свободную углекислоту:

Са(НСО3)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н2СО3;

НСО3- + Н+ = Н2СО3;

Н2СО3 = Н2О + CО2

При подщелачивании происходят обратные реакции:

2Н2СО3+NaОH = NaHCО3 + Н2О;

H2CО3 +ОН- = HCO3- + Н2О;

NaHCО3 + NaOH = Na2CО3 + Н2О;

НСОз - + ОН- = СОз2- + Н2О.

Протекание таких реакций отражает смещение положения углекислотного равновесия:

Н2О + СО2 = Н2СО3 = НСОз- + Н+ = 2Н+ + СО3 2-

         Подщелачивание смещает равновесие вправо, а подкисление - влево. В зависимости от происхождения природная вода может иметь кислотный или щелочной характер. Это определяется её составом и протекающими в ней процессами электролитической диссоциации и гидролиза солей. Состав воды может меняться при хранении. Особенно это характерно для подземных вод, такие воды называют нестабильными.

         Обычно химический состав воды характеризуется следующими показателями: ионным составом,       щёлочностью или кислотностью, активной концентрацией ионов водорода, общим солесодержанием, массой сухого остатка, содержанием растворённых кислорода, свободной углекислоты, активного хлора (при хлорировании) и сероводорода, окисляемостью и жёсткостью. Причём жёсткость является одним из главных технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества воды.

 

6.Жёсткость воды

Один из возможных источников ионов Са2+ и Mg2+ — горные породы (известняки СаСО3, доломиты СаСО3 МgСО3), которые растворяются в результате контакта с природной водой. Ввиду широкой распространённости элемента кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс CaSО4 • 2Н2О количественно, временную жесткость характеризуют воды при его кипячении в течение часа.

Жёсткостью воды называются свойства воды, обусловленные

содержанием в ней преимущественно ионов кальция (кальциевая

жёсткость) и магния (магниевая жёсткость), - это совокупность свойств

воды, обусловленных растворенными в ней солями (карбонатами,

гидрокарбонатами, сульфатами, хлоридами, силикатами, нитратами,

фосфатами) кальция, магния, железа и некоторых других металлов. Согласно ГОСТ 6055-86, различают три вида жёсткости воды:

-карбонатную жёсткость Жк - совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней главным образом гидрокарбонатов  кальция, магния, железа и незначительной части их карбонатов.

Карбонатная жёсткость отвечает той части содержащихся в воде катионов Са2+, Mg2+, Fe2+, которая эквивалентна содержащимся в ней анионам НСО3- и СО3 2-. Часть карбонатной жесткости, устраняемой кипячением, называют временной Жв, или устранимой, жёсткостью.

Она меньше карбонатной жёсткости на величину так называемой остаточной карбонатной жёсткости Жо.к, обусловленной наличием карбонатов, которые остаются в растворённом состоянии в воде хотя и в малой концентрации. Все соли, оставшиеся в растворенном состоянии в воде после кипячения, определяют её постоянную Ж п, или неустранимую, жёсткость;

-некарбонатную жёсткость Жнк — совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа. Некарбонатная жёсткость отвечает той части содержащихся в воде катионов Са2+, Mg2+ и Fe2+, которая эквивалентна содержащимся в ней анионам Сl-, SО4 2-, NО3- и др. Некарбонатная жёсткость воды меньше постоянной на величину остаточной карбонатной жёсткости;

-общую жесткость Жо, включающую карбонатную и некарбонатную жёсткость:

Жо = Жк + ЖНк

Количественно временную жёсткость характеризуют содержанием гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при её кипячении в течение часа.

Жёсткость воды выражается суммой миллимоль эквивалентов ионов кальция и магния, содержащих 1 л воды. Один миллимоль эквивалента жёсткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов Са2+ или 12,16 мг/л ионов Mg2+.

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоёмах, а в одной и той же реке изменяется в течение года (минимальна во время паводка).

Общая жёсткость воды равна суммарной (общей, аналитической) концентрации содержащихся в воде солей кальция, магния и железа. Общую жёсткость воды можно рассматривать и как сумму постоянной и временной жесткости. Ниже приведено соотношение между различными видами жёсткости воды поверхностных водоисточников.

 

            Вода северных рек и озёр очень мягкая и характеризуется жёсткостью 0,1 — 0,2 ммоль экв/л. Жёсткость подземных вод может достигать 100 ммоль экв/л.

Карбонатная жёсткость воды - сумма молярных концентраций эквивалентов карбонатных CO3 2- и гидрокарбонатных НСО3- ионов в воде. Некарбонатная жёсткость воды - разность между общей и карбонатной жёсткостью воды.

Количественно жесткость воды в России выражают единицами жёсткости. Согласно ГОСТ 6055-86, за единицу жёсткости веди принимают жёсткость воды, в 1 л которой содержится 1 ммоль экв ионов Са2+ или Mg2+. Числовое значение жёсткости в ммолъ экв/л совпадает со значением моль экв/м3 и значением, выраженным в 10 -3 н. Одна единица жёсткости воды (1 ммоль*экв/л) соответствует содержанию ионов кальция, равного 20,04 мг/л (г/м3), или ионов магния, равного 12,15 мг/л или г/м3.

До 1952 г. в СССР, а в других странах и сейчас для выражения жёсткости воды используют так называемые градусы жёсткости.

Например, немецкой жесткости соответствующий 0,010 г СаО в 1 л воды равен 0,356 ммоль*экв/л, или моль*экв/м3.

            

По значению общей жесткости природные воды условно подразделяют на группы:

Жо, ммоль*экв/л: <1,5      1,5-3,0         3,0-6,0        6,0-9,0       >9,0

  мг/л:           <30       30-80           80-150        150-250     >250

группа:            очень      мягкая       умеренно    жесткая    очень

                        мягкая                            жесткая                            жесткая

 

 

    Общая жёсткость воды - эта сумма молярных концентраций эквивалентов ионов кальция (1/2 Са2+) и магния (1/2 Mg2+) в воде.

           Общая жёсткость воды рек и озер в тайге и тундре составляет 0,1-

0,2 ммоль*экв/л, морей, океанов и подземных водоёмов — 80-100 ммоль*экв/л. В поверхностных водоисточниках преобладает, как правило, карбонатная жесткость, составляющая 70-80 % от общей. Магниевая жесткость обычно не превышает 30 % от общей. Наибольшей жёсткости вода достигает в конце зимы, наименьшей — в период паводка. Жёсткость подземных вод более постоянна и менее подвержена изменению в течение года.

       Особенно большой жёсткостью отличается вода морей и океанов (океанских водах средняя концентрация ионов Са2+ - 450, Mg2+ - 1290 и общая - 1740 мг/л). Напротив, многие воды северных рек и рек, имеющих ледниковое питание, очень мягкие. Вода для хозяйственных нужд и для питья - водопроводная вода - имеет концентрацию ионов Са2+ и Mg2+ не более 170 мг/л. Для определения жёсткости воды существуют специальные методы (см. лабораторную работу № 2). Очень часто жёсткую воду перед употреблением умягчают.

Жёсткость воды может быть рассчитана по формуле:

Мэ(В)*V

Жо =     m(В)*1000

 

где m(В) - масса растворённого вещества (г);

      Мэ(В) - молярная масса эквивалента вещества (г/моль);

      V -  объём воды (л).

 

7.Методы умягчения воды

Под умягчением воды понимают устранение или уменьшение (снижение) её жёсткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из воды катионов Са2+, Mg2+ и Fe2+. Основные способы умягчения воды основаны на химических, физико-химических и физических методах.

 

Термическая обработка

 Суть этого способа заключается в предварительном нагревании воды до температуры 70 - 80С или её кипячении. При этом катионы Са2+, Mg2+ и Fe2+ осаждаются в виде малорастворимых веществ.

 

При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жёсткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из карбоната кальция, и одновременно выделяется диоксид углерода. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция:

Са(НС03)2 = СаС03 + С02 + Н20.

Разложение гидрокарбонатов магния и железа протекает сложнее и сопровождается гидролитическим разложением их карбонатов вследствие того, что последние, в отличие от карбоната кальция, более растворимы, чем их гидроксиды (табл.). Если гидролиз карбоната магния протекает лишь по I ступени:

2MgC03 + НОН = Mg2(0H)2 C03 + С02,

то карбонат железа гидролизуется практически до конца:

FeC03 + НОН = Fe(OH)2 + С02

        

    Продукты гидролиза представляют собой основной карбонат магния Mg2(0H)2C03 и гидроксид железа Fe(OH)2. Последний под действием кислорода окисляется до метагидроксида железа:

4 Fe(OH)2 + 02 = 4FeO(OH) +2Н20.

      

      Суммарные процессы гидролитического разложения гидрокарбонатов магния и железа описываются уравнениями:

2Mg(HC03)2 = Mg2(0H)2C03 + 3C02 + H20;

4Fe(HC03)2 + 02 = 4Fe0(0H) + 8C02 + 2Н20.

   Рассмотренные процессы протекают при нагревании воды в паровых котлах, системах водяного отопления и охлаждения, бытовой металлической посуде и приводят к образованию на их поверхности слоя накипи из малорастворимых веществ. При этом происходит снижение ' коэффициентов теплопередачи и ухудшение их теплотехнических характеристик, что обусловливает перерасход топлива и перегрев металлических поверхностей.. Чем больше ионов железа содержится в воде, тем более бурым является цвет накипи. При термической обработке воды удаётся снизить и содержание в ней растворённых газов, так как их растворимость с увеличением температуры падает.

 

7.2 Химическая обработка воды (реагентные методы)

Химическая обработка позволяет устранять как временную, так и постоянную жёсткость. Суть её заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими с катионами жёсткости Са2+, Mg2+ и Fe2+ малорастворимые вещества. К числу таких реагентов относятся: гашёная Са(ОН)2 и негашенная СаО извести, сода Na2CO3, фосфаты натрия Na3PO4, (NaPO3)6 и др.

Процесс обработки воды известью называют известкованием или декарбонизацией. При этом происходит устранение временной (карбонатной) жёсткости воды и одновременное снижение её щёлочности, а также связывание и уменьшение содержания растворенного в ней углекислого газа:

СаО + Н20 гСа(ОН)2;

Са(НС03)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н20;

Са(НС03)2 + СаО = 2СаС03 + Н20;

Са(ОН)2 + 2С02 = Са(НС03)2.

Если в случае гидрокарбоната кальция образуется его карбонат, то в случае гидрокарбоната магния реакция идёт сложнее гидрокарбонат-ион связывается в карбонат кальция, а ион магния в нерастворимый гидроксид магния:

Mg(HC03)2 + 2Са(0Н)2 = 2CaC03 + Mg(OH)2 + 2Н20 .

Для устранения и временной, и постоянной жесткости воды предпочтительнее использовать фосфат натрия, так как образующиеся фосфаты кальция, магния и железа менее растворимы, чем соответствующие им карбонаты и гидроксиды.

3 Са(НСО3)2 + 2Na3P04 = Са3(Р04)2 + 6NaHC03;

ЗСаСl2 + 2Na3P04 = Ca3(P04)2 + 6NaCl.

Особенно эффективен гексаметафосфат натрия (NaP03)6. Хотя сам он и мало растворим в воде, но его кальциевые и магниевые соли (Na4MP6018 и Na2M2P6018, где М — Са, Mg) растворимы ещё меньше.

При одновременном добавлении гашёной извести и соды в промышленности избавляются от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый метод). При этом карбонатная жёсткость устраняется известью, а некарбонатная - содой:

Са(НС03)2 + Na2C03 = CaC03 + 2NaНС03;

СаС12 + Na2C03 = CaC03 + 2NaCl.

Для повышения эффективности этот процесс ведут при нагревании, сочетая достоинства термического и химического способов, так называемое термохимическое умягчение. Остаточная жёсткость воды после такой обработки не превышает 0,3 ммоль*экв/л.

Если в жёсткой воде присутствуют ионы Mg2+ и Fe2+, то малорастворимыми веществами, выпадающими в осадок при реагентной обработке воды, являются Mg2(ОН)2СО3 и FeO(OH) или их фосфаты.

 

Ионный обмен

    Один из современных методов устранения жёсткости воды основан на применении катионитов - синтетических ионообменных смол и алюмосиликатов, например Na2[Al2Si2О8*nН2O]. Их состав условно можно выразить формулой Na2R, где Na+ - весьма подвижный катион, а R2 - частица катионита, несущая отрицательный заряд, в данном примере [Al2Si208*nН2О]2-. Если пропускать жёсткую воду через слой катионита, то ионы натрия обмениваются на ионы кальция и магния:

Са2+ + Na2R = 2Na + + CaR;

Mg2+ + Na2R = 2Na+ + MgR.

    Таким образом, ионы Ca2+ и Mg2+ переходят из раствора в катионит, а ионы Na+ - из катионита в раствор, и жёсткость воды уменьшается. После обеднения катионита ионами Na+ катиониты обычно регенерируют. Для этого их выдерживают в растворе NaCl, где происходит обратное замещение - ионы Na+ переходят в катионит, а ионы Са2+ и Mg2+ - в раствор:

CaR + 2Na+ = Na2R + Са2+ ;

MgR + 2Na+ = Na2R + Mg2+.

     После этого регенерированный катионит может быть использован для смягчения новых порций жёсткой воды.

      Данный метод позволяет не только уменьшить жёсткость воды, но и осуществить её глубокую очистку, называемую обессоливанием. Вода, подвергшаяся обессоливанию, практически не содержит посторонних катионов и анионов, поэтому широко используется в электронной промышленности.

    Ионный обмен основан на способности некоторых нерастворимых в воде веществ, стехиометрически обменивать свои ионы на ионы внешней среды воды (растворов электролитов). Вещества, обладающие такими свойствами, называют ионообменниками (ионообменными сорбентами) или сокращённо ионитами. Они сострят из каркаса (матрицы) и закреплённых на нём ионогенных активных функциональных или комплексообразующих групп. Эти группы диссоциируют на полиионы (фиксированные ионы), ковалентно связанные с каркасом, и эквивалентное число подвижных противоионов, способных к обмену и компенсирующих своими зарядами заряды

полиионов. Например, для одной ионогенной группы:

 

         катионит в

Анионит в ОН- - форме

полиионы

ионит

Подвижные противоионы

П-СН2-NR3 +ОН-

П-СН2-NR3-ОН

П-SO3- +Н+

П-SO3-H

         Н* - форме

 

где П — полимерный каркас; SO3H и NR3 – OH - ионогенные группы.

 

       По знаку заряда подвижных (обменивающихся) противоионов, иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты, по химической природе каркаса - на органические, неорганические и минерально-органические. Амфолиты — иониты, в зависимости от условий проявляющие свойства как анионитов, так и катионитов; используются для создания среды с градиентом рН при разделении некоторых смесей заряженных макромолекул и др. Органические и неорганические иониты могут быть природными (цеолиты, целлюлоза и др.) и синтетическими (оксид алюминия, силикагель, сульфоуголъ и наиболее важные - ионообменные смолы).

     Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты - алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат Na20*А1203*4Si02*mH20 (NaAlSi2О6*m/2H2О) имеет пространственную решетку образованную  ионами алюминия, кремния и кислорода.

Пространственная решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na+. Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Са2+ и Mg2+ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита:

 

2NaAlSi206(т) + Са2+(р) = Ca(AlSi206)2(т) +.2Na+(p).

Более совершенными ионообменными смолами являются синтетические органические иониты. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.

Умягчение воды проводят в динамических условиях: пропусканием воды через неподвижный слой ионита (сорбента) в периодических процессах (рис. 5а) либо противоточным движением воды и сорбента в непрерывных процессах (рис. 5б). При этом контакт воды с ионитом в ионнообменных колоннах повторяется многократно.

Реакции ионного обмена, происходящие при умягчении воды и регенерации сорбента (например, катионита), могут быть описаны следующими уравнениями:

Мg2+ (р.р) + 2П— SO3Na(т) —> (П-S03)2M(т) + 2Na+(р.р);

2NaCl (р.р) + (П—SO3)2M(т) —> 2П-S0зNа(т) + МС12 (р.р),

 

где П-S03Na - катионит в Nа+-форме;

(П-SO3)2M - катионит с М2+-ионами;

М2+ -ионы Са2+, Mg2+, Fe2+ .

Для обессоливания, то есть глубокого умягчения, необходимо последовательное пропускание воды через колонны, заполненные одна катионитом в Н+-форме, другая анионитом в ОН- -форме. При этом из воды удаляются и катионы, и анионы, а в умягчённую воду не поступают посторонние ионы.

Важнейшей количественной характеристикой всех ионитов служит обменная ёмкость. Обычно её относят к единице массы сухого или единице объёма набухшего ионита и выражают либо в ммолыэкв/г, либо в ммолы-экв/л. В зависимости от условий определения обменная ёмкость бывает статической и динамической. Различают также рабочую (до проскока ионов жёсткости с профильтрованной. водой) и полную (до полного истощения ионита) ёмкости. Полная ёмкость, отнесённая к определённому количеству ионита, есть постоянная величина. Рабочая ёмкость - переменная величина, зависящая от свойств и условий регенерации ионита, общего солесодержания, скорости фильтрования, и может изменяться в пределах 40-70 % от полной. На рис. 5 заштрихованная площадь представляет собой ёмкость до проскока, а площадь, ограниченная осями и выходной кривой сорбции, соответствует полной ёмкости колонны. Время работы колонны до проскока называют временем защитного действия.

?

Рис. 5. Схемы ионообменного умягчения воды:

        а — в колонне 1 с неподвижным слоем сорбента

                   в условиях периодического процесса;

       б - в колоннах 2 и 3 с противоточным движением слоёв сорбента, потоков воды и регенерирующего раствора (концентрированного раствора NaCl) в условиях непрерывного процесса.