Министерство образования и науки Российской Федерации
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Кафедра общей и биоорганической химии
ХИМИЧЕСКАЯ
И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Методические указания
Ярославль 2004
Стр.1
Составители: И.М. Рублева,
Ю.М. Кострова.
ББК Н 761.204я73
Х 46
УДК 628.3
Химическая и биологическая очистка природных и сточных
вод: Метод. указания / Сост. И.М. Рублева, Ю.М. Кострова; Яросл.
гос. ун-т. Ярославль, 2004. 31 с.
Описаны лабораторные работы по биологической и химической
очистке сточных вод.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности
011600 Биология (дисциплина «Химическая и биологическая очистка
сточных вод», блок ДС), очной формы обучения.
Рецензенты: кафедра органической химии Ярославского государственного
технического университета; доцент кафедры органической
химии Ярославского государственного педагогического университета
им. К.Д. Ушинского Н.А. Симонов.
© Ярославский государственный университет, 2004.
© И.М. Рублева, Ю.М. Кострова, 2004.
2
Стр.2
Лабораторная работа № 1
Обессоливание воды ионитами
Цель работы. Практическое ознакомление с использованием ионообменных
процессов для улучшения качества воды.
Общие сведения. Ионообменный метод очистки воды имеет в настоящее
время широкое применение. Существует более 300 видов
производств, потребляющих обессоленную или деионированную воду
(химическая, электронная, радиотехническая промышленность,
многие машиностроительные заводы). Это единственный промышленный
метод. Осуществляется обессоливание воды для питьевых
целей.
Ионитами называют вещества, способные в эквивалентных количествах
обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в растворе.
В зависимости от знака заряда обменивающихся ионов, иониты подразделяют
на катиониты, аниониты и амфолиты. Катиониты обмениваются
с раствором катионами, аниониты – ванионами, а амфолиты в
зависимости от условий могут обмениваться либо катионитами, либо
анионитами. Ионы, способные вступать в реакцию ионного обмена,
называют противоионами. Пропуская воду через слои катионита в
Н+ - форме, а затем через слой анионита в ОН- - форме, из воды удаляются
катионы металла (М) и анионы соответствующей соли (А):
[Кат.] H + Me = [Кат.] Me + HA;
[Ан.] OH + HA = [Ан.] A + H2O;
[Кат.] H + NaCl = [Кат.] Na + HCl;
2[Кат.] H + MgSO4 = [Кат.]2 Mg + H2SO4;
2[Кат.] H + Ca(HCO3)2 = [Кат.]2 Ca + 2 CO2↑ + 2 H2O.
Воду, прошедшую через Н±-катионовый фильтр, называют
Н-катионитовой водой, она содержит смесь тех кислот, соли которых
присутствовали в воде (в основном это угольная, соляная и серная
кислоты).
Образовавшийся при Н±-катионировании оксид углерода (IV)
предварительно удаляют из воды аэрацией. Этот процесс называют
декарбонизацией.
3
Стр.3
При контакте Н+-катионированной воды с анионитом в ОН- -
форме происходит выделение из раствора анионов сильных кислот:
[Ан.] OH + HCl = [Ан.] Cl + H2O;
2[Ан.] OH + H2SO4 = [Ан.]2 SO4 + 2H2O.
Иониты могут быть органическими (например, вещества, содержащие
гуминовые кислоты или продукты их переработки, синтетические
смолы) и неорганические (некоторые пески, глинистые минералы,
почвы).
Катиониты бывают сильнокислотными (катиониты КУ-1, КУ-2-8)
и слабокислотными (КБ-4); к сильноосновным анионитам относят,
например, анионит АВ-17, к слабоосновным – АН-18-8. Это зависит
от степени диссоциации ионита в воде.
В настоящее время широко используются синтетические иониты,
получаемые сульфированием сополимера стирола и дивинилбензола
(катионит КУ-2-8), сополимеризацией метилового эфира метакриловой
кислоты с дивинилбензолом (катионит КУ-4), поликонденсацией
сульфированого фенола с формальдегидом (катионит КУ-1), хлорметилированием
сополимера стирола с дивинилбензолом с последующим
аминированием тримеламином (анионит АВ-17). Существуют
их многочисленные модификации, которым придают определенные
свойства, например высокая химическая стойкость, селективность к
поливалентным металлам, способность очищать рассолы, осуществлять
деионизацию воды, обогащенную органическими веществами, и
др. Внешне иониты, как правило, представляют собой сферические
зерна желтого, коричневого, розового, черного цветов определенной
структуры (гелевая, изопористая, микропористая).
Сведения о промышленных образцах ионитов, выпускаемых в
России, США, Англии, Германии и некоторых других странах, приведены
в справочной литературе [1 - 3]. Среди отечественных ионитов
широко распространены КУ-2-8 (зарубежные аналоги: амберлит
IR-120, катекс 5 и др.), КУ-23 (леватит SP-120, амберлит 200 и др.),
КБ-2, КБ-2-4 (варион KS, вофатит СР и др.), КУ-1 (амберлит IR-A100,
вофатит К и др.), АВ-17-8 (амберлит IR-A-400 и др.) и ряд других.
В
последнее время широко используются ионообменные мембраны
(гетерогенные), которые получают прессованием смеси порошков
полиэтилена и соответствующего ионита, биполярные мембраны, состоящие
из двух соединенных друг с другом слоев моно- и анионо4
Стр.4
обменных мембран и армированных капроновой или лавсановой нитью,
гомогенные мембраны, которые изготовлены введением функциональных
групп в матрицы на основе термопласта. К последнему
привиты моно- и дивинильные мономеры. Перспективным видом ионообменных
материалов являются ионообменные волокна, которые
обладают высокоразвитой поверхностью. Кроме того, достоинством
последних является стабильность свойств при многократных циклах
регенерации кислотами и щелочами.
Перед обессоливанием вода предварительно очищается от основной
части органических примесей и железа. Обезжелезивание воды
при ее ионообменном обессоливании не происходит. Этому мешают
некоторые физико-химические особенности соединений железа, присутствующих
в природных водах. Для удаления ионов железа используется
метод дистилляции, очистка с помощью минеральных коагулятов,
сорбционные методы.
Затем вода пропускается через катионо- и анионообменные
фильтры. Учитывая, что реакции, протекающие в слое катионита, обратимы,
в Н+ -катионированной воде наряду с кислотами может находиться
небольшое количество солей. При значительной концентрации
солей в очищаемой воде обессолить воду с помощью одного катионного
фильтра невозможно, либо экономически нецелесообразно.
При Н+-катионировании все присутствующие в воде катионы
располагаются по слою фильтра сверху вниз в соответствии с рядом
сорбируемости:
Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+.
При пропускании воды через анионит следует учитывать, что
слабоосновные функционируют только в кислой среде (щелочная и
даже нейтральная среда подавляет диссоциацию активных групп, и
обмен ионов в этом случае не происходит). Сильноосновные аниониты
функционируют в широком диапазоне рН и способны к сорбции
ионов как сильных, так и слабых кислот. Ряд сорбируемости для
анионов имеет вид:
SO4
2- > HSO4
- > Cl- > HCO3
-.
Основной технологической характеристикой ионитов является их
обменная способность или емкость поглощения. После ее истощения
иониты регенерируют. Н+- катионитовые фильтры регенерируют кислотой:
2[Кат.]Na
+ H2SO4 = 2[Кат.]H + Na2SO4,
[Кат.]2Ca + 2HCl = 2[Кат.]H + CaCl2,
5
Стр.5