Вода деминерализованная (Aquae demineralisata)

Получение воды деминерализованной. Деминерализация воды (освобождение от нежелательных катионов и анионов) проводится с помощью ионного обмена и метода разделения через мембрану. Ионный обмен основан на использовании ионитов - сетчатых полимеров разной степени сшивки, гелевой или микропористой структуры, ковалентно связанных с ионо-генными группами. Диссоциация этих групп в воде или растворах дает ионную пару - фиксированный на полимере ион и подвижный противоион, который обменивается на ионы одноименного заряда (катионы или анионы) из раствора.

Катиониты слабо-, средне- и сильнокислотные содержат соответственно группы СООН, РО(ОН)₂ и SO₂OH на сетчатых полимерах, например, на основе сополимеров стирола с дивинилбензолом и продукта конденсации фенолсульфокислоты с формальдегидом. В фармацевтической промышленности используют сильнокислотные сульфокатиониты КУ-3, КУ-2 и пористый КУ-23. В Н-форме (катионит с подвижным атомом водорода) они обменивают все катионы, содержащиеся в воде. Ионообмен на катионите можно представить в следующем виде:

где [К] - полимерный каркас катионита.

Аниониты - сетчатые полимеры, способные к обмену анионов в растворах. Слабоосновные аниониты содержат первичные, вторичные и третичные аминогруппы. Среднеосновные включают некоторые из перечисленных и небольшое количество четвертичных аммониевых групп, а сильноосновные связаны с четвертичными аммониевыми, четвертичными фосфоние-выми и третичными сульфониевыми группами. Полимерами для анионитов служат хлорметилированные полистеролы и продукты конденсации полиэтилен-полиамидов и эпихлоргидрида. Применяемые длительное время в фармацевтической промышленности слабоосновные аниониты марки ЭДЭ-10П в настоящее время заменяются на сильноосновные АВ-171 и АВ-17, которые в ОН-форме {анионит с подвижной гироксиль-ной группой) обменивают все анионы, содержащиеся в воде. Реакция анионного обмена проходит по следующей схеме:

где [А] - полимерный каркас анионита.

Ионообменная установка состоит из 3-5 пар катионитовых и анионитовых колонок. Непрерывность действия обеспечивается тем, что одна их часть находится в работе, другая - на регенерации. Водопроводная вода поступает в катионитовую колонку (рис. 13.14), проходит через слой катионита в Н-, затем в ОН-форме, подается на фильтр, задерживающий частицы разрушения ионообменных смол с размером пор не более 5-10 мкм, и нагревается в теплообменнике до температуры 80-90°С. Насыщение ионообменников определяют по изменению реакции среды с помощью рН-метра. Перед регенерацией иониты взрыхляют обратным током водопроводной воды. Катиониты регенерируют в несколько приемов I, 0,7 и 4% раствором кислоты серной. Перед сливом в канализацию кислоту из колонки нейтрализуют мраморной крошкой. Аниониты восстанавливаются в три приема: 2,6; 1,6 и 0,8% раствором натрия гидроксида. После обработки растворами реагентов колонки промывают водой до заданного значения рН. Деминерализованная вода используется для мойки дрота, ампул, вспомогательных материалов и питания аквадистилляторов.

Рис. 13.14. Принцип работы ионообменной установки.

Методы разделения через мембрану: обратный осмос, электродиализ, ультрафильтрация, диализ и испарение через мембрану.

Обратный осмос (гиперфильтрация). Этот метод разделения впервые был предложен в 1953г. Ч.Е.Рейдом для обессоливания воды. Прямой осмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемые мембраны в раствор. В этом случае осмотическое давление л больше давления солевого раствора (π > Р).

Обратный осмос - переход растворителя (воды) из раствора через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Избыточное рабочее давление солевого раствора в этом случае намного больше осмотического (Р > π). Движущей силой обратного осмоса является разность давлений АР = = Р - л. Так, например, морская вода, содержащая 3,5% солей, имеет осмотическое давление л. - 2,5 мПа. Для проведения обратного осмоса необходимо солевому раствору сообщить избыточное рабочее давление Р = 7-8 мПа.

Для разделения применяют мембраны двух типов:

1) пористые - с размером пор 10^-4 -10^-3 мкм (1 – 10 Å). Селективная проницаемость основана на адсорбции молекул воды поверхностью мембраны и ее порами. При этом образуется сорбционный слой толщиной несколько десятков Å. Адсорбированные молекулы перемещаются от одного центра адсорбции к другому, не пропуская соли. В нашей стране выпускаются ультрафильтрационные ацетатцеллюлозные мембраны - УАМ 50м, диаметр пор менее 50 Å, У AM 100м - 75 Å, УАМ 150м - 125 Å, УАМ 200м - 175 Å, УАМ 300м -250 Å и УАМ 500м - более 300 Å;

2) непористые диффузионные мембраны образуют водородные связи с молекулами воды на поверхности контакта. Под действием избыточного давления Р эти связи разрываются, молекулы воды диффундируют в противоположную сторону мембраны, а на образовавшиеся вакансии проникают следующие. Таким образом, вода как бы растворяется на поверхности и диффундирует внутрь слоя мембраны. Соли и почти все химические соединения, кроме газов, не могут проникнуть через такую мембрану. В нашей стране выпускаются гиперфильтрационные ацетат-целлюлозные мембраны МГА-80, МГА-90, МГА-95, МГА-100. Цифры в марке означают % селиктивности - S.

S = (C₁ – C₂) / C₁ • 100,

где C₁ и C₂ - концентрации вещества в исходном растворе и фильтрате, мг/мл.

На этом принципе работают промышленные установки «Роса», УГ-1 и УГ-10 производительностью соответственно от 0,1 до 10 и от 1 до 10 м³/сут.

Электродиализ. Механизм разделения основан на направленном движении ионов в сочетании с селективным действием мембран под влиянием постоянного тока В качестве ионообменных мембран применяются: катионитовые - проницаемые только для катионов, марки МК.-40 с катионитом КУ-2 в Na-форме и основой на полиэтилене высокой плотности и МК-40л, армированная лавсаном; анионитовые-проницаемые только^ для анионов, марки МА-40 с анионитом ЭДЭ-10П в С1-форме на основе полиэтилена высокой плотности и МА-41л - мембрана с сильноосновным анионитом АВ-17, армированная лавсаном. Выпуска-'ются электродиализные установки ЭДУ-100 и ЭДУ-1000 производительностью 100 и 1000 м³/сут.

Ультрафильтрация и диализ. Используются для разделения растворов высокомолекулярных соединений, полимеров, коллоидов и взвесей.

Испарение через мембрану. Растворитель проходит через мембрану и в виде пара удаляется с ее поверхности в потоке инертного газа или под вакуумом. Для этой цели используют мембраны из целлофана, полиэтилена, ацетатцеллюлозы.

Преимуществом мембранных методов является значительная экономия энергии. Расход ее при получении воды дистиллированной или аналогичной по чистоте деминерализованной составляет (кВт-час/м³): дистилляцией - 63,6; электролизом - 35,8; обратным осмосом - 3,7. Возможно также сравнительно легко регулировать качество воды. Недостатком является опасность - концентрационной поляризации мембраны и пор, что может вызвать прохождение нежелательных ионов или молекул в фильтрат. Для устранения этого необходимо постоянное удаление концентрированного раствора.

Дата добавления: 2015-10-28