Метод ионного обмена

Метод ионного обмена основан на реакции солей, находящихся в воде, на ионит.

Иониты - вещества, способные обменивать собственные ионы на ион, находящиеся в воде. Так катионы магния и кальция замещаются на катионы водорода или натрия, а анионы кислотных остатков на гидроксо-группу.

Иониты обычно состоят из зёрен, хотя производятся и иониты в виде мембран, волокон и тканей.

Рисунок 1.1 Ионит

Существуют катиониты и аниониты.

Катиониты являются ионно-обменными смолами (ионитами, которые представляют из себя синтетические органические полимеры) или цеолиты (алюмосиликаты).

Метод катионного обмена основан на обмене содержащихся в воде катионов (в том числе кальция и магния) на ионы катионита. Катионы кальция и магния при этом остаются в катионите.

Возьмём для определённости катионит, содержащий катионы водорода. Если через такой катионит пропустить вещество без ионов, например, дистиллированную воду, то ни вещество, ни катионит никак не изменятся. Однако если пропустить раствор соли, то этот раствор превратится в кислоту, а катионит будет содержать уже не катионы водорода, а катионы соли — произойдёт ионообмен. Чтобы вернуть катионит в исходное состояние, через него нужно пропустить кислоту — катионы соли в катионите вновь заменятся на катионы водорода — а затем отмыть от остатков кислоты. Ниже представлен принцип работы катионита.

Рисунок 1.2 Катионный обмен

Обмен катионов происходит согласно таким реакциям:

Ca²⁺ + 2NaR CaR₂ + 2Na⁺

Mg²⁺ + 2NaR MgR₂ + 2Na⁺

и

Ca²⁺ + 2HR CaR₂ + 2H⁺

Mg²⁺ + 2HR MgR₂ + 2H⁺

Иониты состоят из полимерной матрицы и связанных с ней ионогенных групп. При диссоциации каждая ионогенная группа разделяется на фиксированный ион, связанный с матрицей, и подвижный ион, который и обменивается на ионы раствора. Обычно чем больше заряд обмениваемого иона, тем лучше ионит обменивается им, а если заряды одинаковы, лучше обмениваются ионы радиус которых больше. Например, сильнокислотные катиониты с сульфогруппами ионы калия обменивают лучше, чем ионы лития, поскольку литий и калий расположены в одной подгруппе таблицы Менделеева иатомный номер калия больше, чем у лития, поэтому и радиус иона у него больше. Другой пример: сильноосновные аниониты обменивают ионы иода лучше, чем ионы хлора, поскольку хлор и иод расположены в одной подгруппе и атомный номер иода больше, чем у хлора, поэтому и радиус иона у него больше.

Катионит в этом процессе теряет катионы натрия гидрогена, поэтому теряет свои свойства. При необходимости катионит подлежит восстановлению до прежнего состояния. Для этого существует процесс, обратный вышеуказанному - пропускание через катионит растворов соли натрия и раствор кислоты.

Если необходима более глубокая очистка, то выполняют последовательно катионный и анионный обмен. аниониты подобным же образом обменивают свои анионы на анионы среды, в которую их помещают.При таком методе из воды удаляются не только катионы кальция и магния, но и анионы, то есть происходит полное обессоливание воды. Для такого метода используют катионит в Н+ -форме (катионы, содержащиеся в воде, обмениваются на ион Н), а анионит - в ОН--форме (анионы, содержащиеся в воде, обмениваются на О Н-). схема полного обессоливания воды представлена ниже.

Рисунок 1.3 Схема полного обессоливания воды (катионит и анионит)

Анионный обмен происходит по следующей схеме:

Meⁿ⁺ + nHR MeR_n + nH⁺

A^m+ + mROH AR_m + mOH^-

Ионы OH^- и H⁺, образовавшиеся при ионном обмене, образуют молекулу воды.

H⁺ + OH^- H₂O

Прочие методы

Для обессоливания воды также применяют перегонку (дистилляцию), обратный осмос (гиперфильтрацию) и электродиализ (электрохимическое опреснение).

· Перегонка (дистилляция)

Перегонка представляет собой нагрев раствора до кипячения и конденсацию полученных паров воды.

Для дистилляции в лабораторных условиях используют установку. которая состоит из колбы с водой, холодильника и стакана с дистиллятом

Рисунок 1.4 Установка для дистилляции

Для получения пресной воды з морской, например, на морских судах используют именно метод дистилляции. Её проводят в специальных выпарных машинах, принцип работы которых напоминает лабораторную установку для дистилляции.

· Обратный осмос

Обратный осмос - задержка ионов или молекул, содержащихся в растворе, при пропускании его через полупроницаемую мембрану под давлением. Суть работы полупроницаемой мембраны состоит в том, что через её поры могут проходить по размеру только молекулы воды, а остальные задерживаются в них. Обратный осмос - это самый современный и эффективный способ обессоливания, так как степень обессоливания составляет 98-99%.

Рисунок 1.5 Обратный осмос

· Электродиализ

Электродиализ - метод очистки, основанный на различной способности к проникновению ионов через мембрану под действием постоянного электрического тока. Очистка происходит за счёт диффузии через мембраны и электролиза. Катионы, проходя через катионную мембрану, притягиваются к катоду и восстанавливаются на нём. Анионы, соответственно, перемещаются через анионную мембрану и окисляются на аноде.

Этот метод не очень эффективен, потому что обессоливание происходит на 90%.

Ниже представлен принцип работы электродиализа.

Рисунок 1.5 Электродиализ

Для умягчения воды в быту или на предприятии используют фильтры-умягчители. Большинство из них основывается на некоторых из вышеуказанных методов. Например, обратно-осмотические фильтры и фильтры работающие по методу анионного обмена.

Рисунок 1.7 Фильтр-умягчитель на основе ионообменных смол

Преимущество таких установок:

1. в качественной очистке воды, согласно экологическим требованиям,

2. высоких показателях производительности

3. данные способы очистки воды являются универсальными технологическими способами практически без эксплуатационных расходов;

4. универсальные методы, которые подходят для использования полученной воды в паровых котлах, бассейнах, быту и т.д.

5. позволяют с незначительными эксплуатационными расходами удалять из воды широкий диапазон загрязнений: от металлов (алюминий, железо, марганец и т.д.), до радионуклидов, микроорганизмов, механических примесей, вирусов, бактерий, органических примесей, нефтепродуктов, органических загрязнений, фторидов, также обеспечивает снижение мутности.

6. процесс автоматизирован;

7. не нуждается в большом пространстве для установки.

1.6 Способы количественного определения жёсткости воды

Напомним, что жёсткость воды зависит от наличия солей двухвалентных металлов кальция и магния. Мыло в жёсткой воде плохо мылиться, как жёсткая, так и мягкая вода не пригодна для питания и использования её для паровых котлов и в химических технологиях. Именно поэтому жёсткость воды имеет большое практическое значение и очень широко применяется в технике и промышленности.

Самым точным, а потому и распространённым методом является определения жёсткости воды методом титрования. Для для определения общей жёсткости в воду добавляют несколько капель метилового оранжевого и титруют её соляной кислотой до изменение окраски раствора на оранжево-розовый. Отмечают объём израсходованной на титрование кислоты и рассчитывают жёсткость по формуле:

Далее определяют к какому типу воды относится взятый образец по таблице (№таблицы), то есть насколько жёсткая вода и подходит ли она под государственные стандарты по таблице (№таблицы).

Кроме временной жёсткости существует и постоянная. Вышеупомянутый метод подходит только для определения временной жёсткости. Постоянную жёсткость рассчитывают по формуле:

Для этого необходимо знать общую жёсткость воды. Для определения общей жёсткости воду с индикатором хромовым тёмно-синим титруют трилоном Б до изменения окраски. Объём трилона Б, который был использован на титрование фиксируют и рассчитывают общую жёсткость по формуле:

.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1Определение временной жёсткости путём титрования

Целью первой экспериментальной части моей курсовой работы являлось определение временной жёсткости воды. Для этого я использовала такие приборы и реактивы:

· Колбы плоскодонные на 200мл (9шт.);

· Мерный цилиндр на 100мл;

· Бюретка;

· Штатив;

· Индикатор метиловый оранжевый;

· 0,1Н раствор соляной кислоты;

· Образцы воды:

o вода реки Лопань;

o водопроводная вода

o фильтрованная вода

o дистиллированная вода (обратный осмос).

Для анализа в плоскодонную колбу (2) отмериваю с помощью мерного цилиндра 100мл исследуемого образца воды. Добавляю 2-3 капли метилового оранжевого. Раствор приобретает слабо-оранжевую окраску.

Собираю оборудование для титрования (рис.2.1). В приготовленную бюретку (1) наливаю 1Н раствор соляной кислоты. Устанавливаю уровень на нулевое деление и приливаю соляную кислоты к воде до изменения окраски с светло-оранжевого до розово-оранжевого цвета. Определяем объём израсходованной на титрование кислоты.

Рисунок 2.1 Оборудование

для титрования

Титрование повторяю с каждым образцом по три раза, каждый раз доливая в бюретку кислоту до нулевого деления.

Данный опыт проходит по реакции:

CaCO₃ +2HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O

MgCO₃ +2HCl = MgCl₂ + CO₂ + H₂O

Результаты титрования для расчёта жёсткости воды и сравнения разных образцов записываю в таблицу 2.1

Таблица 2.1

№ опыта	Образец воды	V(H2O), мл	V(HCl), мл	Vсред.(HCl), мл	Cн(HCl), моль/л
	Вода речная (река Лопань)		6,2	6,23	0,1
		6,3	0,1
		6,2	0,1
	Водопроводная вода		4,5	4,63	0,1
		4,8	0,1
		4,6	0,1
	Фильтрованная вода (обратный осмос)		1,4	1,3	0,1
		1,2	0,1
		1,3	0,1
	Дистилли- рованная вода		0,1	0,1	0,1
		0,1	0,1
		0,1	0,1

Исходя из данных, приведенных в таблице 2.1, расчитываю временную жёсткость (Ж_врем в мэкв/л) по формуле:

2.2Определение общей жёсткости воды

Целью второй экспериментальной части моей курсовой работы являлось определение временной жёсткости воды. Для этого я использовала такие приборы и реактивы:

· Колбы плоскодонные на 200мл (9шт.);

· Мерный цилиндр на 10 и 100мл;

· Бюретка;

· Штатив;

· Индикатор хромовый тёмно-синий;

· трилон Б;

· Образцы воды:

o вода реки Лопань;

o водопроводная вода

o фильтрованная вода

o дистиллированная вода (обратный осмос).

Для анализа в плоскодонную колбу (2) отмериваю с помощью мерного цилиндра 100мл исследуемого образца воды. Добавляю 2-3 капли хромового тёмно-синего.

Далее собираю оборудование для титрования (рис.2.1). В приготовленную бюретку (1) наливаю раствор трилона Б. Устанавливаю уровень на нулевое деление и приливаю трилон Б к воде до изменения окраски. Определяем объём израсходованной на титрование трилона Б.

Титрование повторяю с каждым образцом по три раза, каждый раз доливая в бюретку трилон Б до нулевого деления.

Примечание. Трилон Б (компелксон III) является динатриевой солью этилендиамминтетрауксусной кислоты. Её используют в аналитической химии для определения многих катионов Ca, Mg, Fe, Al, и анионов SO₄²⁻, PO₄³⁻, СО₃²⁻ и др. Трилон Б извлекает из солей жёсткости катион и замещает им катион натрия.

Рисунок 2.2 Структурная формула

этилендиамминтетрауксусной кислоты

Реакция проходит по такой схеме:

ТрБ-2Na + CaCO₃ ТрБ-Ca + Na₂Co₃

(растворим) (нерастворим) (растворим) (растворим)

Таким образом трилон Б делает нерастворимые соли жёсткости растворимыми. К тому же он взаимодействует с металлами независимо от их валентности. Именно поэтому трилон Б нашёл широкое применение в аналитической химии, в том числе и определении жёсткости воды.

Результаты титрования записываю в таблицу 2.2 для последующего расчёта уровня жёсткости и сравнения разных образцов воды.

Таблица 2.2

№ опыта	Образец воды	V(H2O), мл	V(трилона Б), мл	Vсред.(трилона Б), мл	Cн(трилона Б), моль/л
	Вода речная (река Лопань)
	Водопроводная вода
	Фильтрованная вода (обратный осмос)
	Дистилли- рованная вода

2.3 Выводы экспериментальной части

По таблице 2.3 определяю к какой группе относятся образцы воды.

Таблица 2.3

Единицы измерения жёсткости воды	Концентрация
мг/л	мэкв/л
Мягкая	<17,1	<2
Средней жёсткости	60-120	2-6
Жёсткая	120-180	6-10
Очень жёсткая	>180	>10

Можно сделать вывод, что водопроводная вода - это вода со средней жёсткость. Фильтрованная и дистиллированная относятся к мягкой воде. А речная вода является жёсткой водой.

Из данных образцов пригодна к употреблению только водопроводная вода, ввиду того, что она обладает средней жёсткостью, но стоит помнить, что она не является очищенной и обеззараженной, поэтому пить такую воду не рекомендуется.

Остальные образцы относятся к слишком мягкий или слишком жёстким водам.

Примечание. Необходимо учесть, что уровень жёсткости в воде меняется в зависимости от сезона. Анализ воды был проведён в апреле, когда уровень жёсткости наиболее высокий из-за таяния снегов и вымывания минералом из почв. В течение года жёсткость меняется на 1-2 мэкв/л.

2.4 Техника безопасности во время выполнения неорганических синтезов

1. Запрещается работать в лаборатории без халата (лучше использовать халаты из хлопчатобумажной, а е из синтетической ткани - последние легче воспламеняются), употреблять еду, напитки, нюхать и пробовать на вкус неизвестные вещества и растворы, затягивать ртом неизвестные токсические и едкие растворы в пипетки.

2. На рабочем столе должны находиться только необходимые для конкретной работы реактивы, приборы и оборудование. Если возникают какие-либо вопросы следует обратиться к преподавателю или инженеру.

3. Во время работы необходимо быть внимательным, не заниматься посторонними делами. Следует выполнять только ту работу, на которую получено разрешение.

4. Операции, связанные с повышенной опасностью, необходимопроводить только под непосредственным наблюдением инженера или преподавателя.

5. При выполнении работ запрещено оставлять без присмотра даже на короткое время включенные приборы, электросхемы, нагревательные приборы, газовые горелки и т.п., а также проводить любые работы не связанные с выполнением учебного занятия.

6. При проведении синтезов опыт следует проводить с рекомендованным количеством веществ и чётко придерживаться прописанных условий.

7. Необходимо внимательно следить за чистотой реактивов, не путать крышек от банок с реактивами, не доставать реактивы из банки грязным шпателем.

8. Взвешивание реактивов проводиться только в специальной посуде для взвешивания (фарфоровой чашке, на часовом стёклышке и т.п.), не размещать химические реактивы непосредственно на чаше весов.

9. Отходы тяжёлых металлов и их соединений, а также других токсичных веществ собирать в специальные ёмкости с соответствующими надписями.

При разведении концентрированных кислот следует наливать кислоту в воду, а не наоборот.

10. Соблюдать осторожность при разжигании газовой горелки, не наклоняться над горелкой. источник пламени следует подносить не сверху, а сбоку и снизу от среза сопла горелки. При горении следить за цветов пламени горелки. Жёлтый цвет свидетельствует о неполном сгорании газа. В этом случае следует увеличить подачу воздуха в горелку. При наличии запаха газа следует прекратить пользование газовыми горелками, проветрить помещение и принять меры по устранению утечки газа.

11. При работе со стеклянной посудой и оборудованием для предотвращения его разрушения и причинение вследствие этого порезов, следует придерживаться правила - при надевании резиновых трубок на стеклянную посуду, последнюю следует держать рукой вблизи конца, на который надевают резиновую трубку, при вставке пробки в сосуд последнюю следует также держать рукой за горловину вблизи конца, в который вставляется пробка.

12. При работе с едкими веществами - концентрированными растворами кислот и щелочей и с твёрдыми щелочами - следует быть особенно осторожными, следить, чтобы они не попали на кожу и в глаза. Особенно следует беречь глаза от попадания в них щелочей (например, при растирании твёрдых щелочей в ступке и т.п.). Синтезы с применением едких и ядовитых газов (хлор, сера (IV) оксид, аммиак, хлороводород и т.п.) следует проводить в вытяжном шкафу.

13. Не наклоняться над газовой горелкой, чтобы не вспыхнули волосы: не наклоняться над сосудом, в котором проводится кипячение или выпаривание раствора, чтобы брызги раствора не попали в лицо.

14. Нельзя нагревать плоскодонную посуду на открытом пламени горелки.Толстостенную стеклянную посуду нагревать вообще нельзя.При возгорании разлитой горючей жидкости её следует засыпать песком. Если пламя сильное, следует применить огнетушитель.

15. При возгорании волос или одежды не следует впадать в панику. Надо быстро прикрыть пламя полотенцем, тряпкой или полой одежды, чтобы перекрыть доступ воздуха к пламени.

16. По окончании работ в лаборатории необходимо выключить аппаратуру, выключить газ, воду, электрощиты, опустить дверцы вытяжных шкафов. Тщательно убрать рабочие места; всю лишнюю аппаратуру, растворы и реактивы поставить на предназначенные для них места, а личную посуду убрать в рабочий стол.

17. Запрещается выливать горючие жидкости в канализацию. Отработанные горючие жидкости следует собирать в специальную посуду, которая герметично закрывается.

18. По окончании работ необходимо снять халаты и тщательно вымыть руки мылом.

ВЫВОД

В моём курсовой работе был произведён литературный обзор по теме “жёсткость воды”, рассмотрены методы устранения и количественного определения. Было изучено влияние уровня жёсткости воды на организм человек и роль уровня жёсткости в быту и производстве.

В практической работе проведён анализ четырёх образцов воды (речной, водопроводной, фильтрованной и дистиллированной) на уровень жёсткости. Были сделаны выводы о том, что уровень жёсткости трёх образцов значительно отличается из-за принадлежности их к разным источникам и разной степени очистки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, под ред. А. Д. Семенова. Л., 1977;

2. Унифицированные методы исследования качества вод. ч. 1. Методы химического анализа вод. кн. 1, 2, 3 изд.. М., 1977; Лурье Ю. Ю., Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., 1984. В. А. Гладков

3. Методические указания к выполнению лабораторной работы “Определение жёсткости воды” и самостоятельному изучению темы по дисциплине “Химия” для студентов дневной и заочной форм обучения технических специальностей, под ред. Е.Н.Коржа, 2011

4. Гигиенические требования к воде питьевой, предназначенной для употребления человеком; ГСанПиН 2.2.4-171-10 - [Действующий от 2010-07-16]. - К.:Официальное заключение Украины, 2010. (Государственные санитарные нормы и правила).

5. Глинка Н.Л. Общя химия, 2010

6. Рябинович В.А. Краткий химический справочник, 1991.

7. Белянин В. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция // Наука и жизнь. – 2004г

8. Бердоносов С.С., Менделеева Е.А. Химия. Новейший справочник. – М.: «Махаон», 2006г.

9. Кочергин Б.Н. Химический словарь школьника. – Минск: «Народная асвета», 1990г.

10. Потапов В.М., Хомченко Г.П. Химия. – М.: «Высшая школа», 1982г.

11. Ходаков Ю.В., Эпинтейн Д.А. Неорганическая химия, - М.: «Просвещение», 1982г.

12. Лабораторный практикум по неорганическому синтезу: учебное пособие / С.М.Кийко, О.Г.Николайчук, В.В.Уржунцева. - Х.: ХНУ имени В.Н.Каразина, 2012

Дата добавления: 2015-07-19