DEDURIZAREA SI DEMINERALIZAREA APEI

Pentru utilizãri industriale apele trebuie sã aibã duritate totalã, dar mai ales temporarã, scãzutã datoritã faptului cã în timpul funcţionãrii la temperaturi ridicate (ape de rãcire, generatoare de vapori, etc.) apa se concentreazã treptat în sãruri provocând astfel o creştere a punctului de fierbere a soluţiei apoase. Acest inconvenient determinã o creştere a consumului de combustibil pe de o parte, iar pe de altã parte sãrurile greu solubile se depun sub formã de cruste înrãutãţind transferul termic.

De aceea pentru utilizare industrialã se impune înlãturarea duritãţii apei, adicã eliminarea ionilor de calciu şi magneziu.

Una din modalitãţile practice de dedurizare o constituie utilizarea schimbãtorilor de ioni.

Schimbãtorii de ioni sunt substanţe, insolubile în apã sau în alţi solvenţi, capabile sã adsoarbã din soluţiile de electroliţi cu care vin în contact, ionii pozitivi sau negativi, în schimbul eliberarii unei cantitãţi echivalente de alţi ioni cu aceeaşi sarcinã electricã. În funcţie de natura scheletului unui schimbãtor de ioni acesta poate fi anorganic (zeolitic) sau organic. În mod simplificat un schimbãtor de ioni poate fi imaginat ca un schelet macromolecular poliionic deci care are în structurã un numãr foarte mare de locuri cu densitate electricã crescutã. În aceste locuri se fixeazã prin procese de adsorbţie şi atracţie electrostaticã ioni de semn contrar. Aceşti ioni pot fi schimbaţi cu alţi ioni de aceiaşi sarcinã, cu care schimbãtorul vine în contact.

Schimbãtorii care reţin cationii se numesc cationiţi, iar scheletul lor este un polianion. În mod similar schimbãtorii care reţin anionii se numesc anioniţi iar scheletul lor este un polication. În general schimbãtorii de ioni se utilizeazã sub formã acidã (cationiţi) RH sau bazicã (anioniţi) ROH. Reacţiile generale de schimb ionic sunt:

RH + M+ H+ RM+

deci soluţia care conţine M+ devine o soluţie acidã, care conţine ioni H+;

ROH X- RX OH-+ +

soluţia care conţine X- are un caracter bazic.

PRINCIPIUL LUCĂRII

1. DEDURIZAREA APEI

Dedurizarea apei reprezintã procesul prin care sunt eliminaţi din apã ionii de calciu şi magneziu. Dedurizarea prin schimb ionic se poate realiza folosind rãşini cationice fie în forma HR, fie în forma NaR.

Reacţiile care au loc la dedurizarea apei cu schimbãtori de ioni sunt:

1. Cationitul în forma HR

1

Duritate temporara Dt2 CO2+2 H2O

2 CO2+2

+

+

+

+

2HR

2 H2O

MgR2

CaR2

Mg(HCO3)2

Ca(HCO3)2HR

HR2

HR2

HR2

HR2

+

+

+

+

Duritate permanenta Dp

CaCl2

MgCl2

CaSO4

MgSO4

HCl

H2SO4

CaR2

CaR2

MgR2

MgR2

+

+

+

+

HCl

H2SO4

2

2

Asa cum se observã efluentul obtinut (apa care a trecut prin coloana cu schimbãtor de ioni), are caracter acid, de fapt se obtine un amestec de acizi.

2. Cationitul în forma NaR

NaR2

NaR2

NaR2

NaR2

+

+

+

+

Duritate permanenta Dp

CaCl2

MgCl2

CaSO4

MgSO4

NaCl

Na2SO4

CaR2

CaR2

MgR2

MgR2

+

+

+

+

NaCl

Na2SO4

2

2

Neutralizarea acizilor minerali din apa dedurizatã acidã rezultatã dupã trecerea prin schimbãtorul in forma RH poate fi realizatã de duritatea temporarã dintr-un eşantion din apa netratatã (de la robinet) conform reacţiilor:

Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

+

+

+

+

HCl

H2SO4

2

HCl2

H2SO4

CaCl2

MgCl2

2 CO2+2+ H2O

+ 2 CO2+2 H2O

CaSO4

MgSO4

2 CO2+2+ H2O

2 CO2+2+ H2O

2. DEMINERALIZAREA APEI

Demineralizarea apei reprezintã procesul prin care sunt îndepãrtaţi toţi ionii din apã, conform reacţiilor:

HR Ca(HCO3)2 CaR2 H2O2 + + 2 + CO22

2

NaR Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

CaR2

MgR2

2

NaR2

+

+

+

+Duritate temporara Dt

NaHCO3

NaHCO3

2

2

2

2

H2SO4

HCl

+

+

+

+

MgR2

MgR2

CaR2

CaR2

H2SO4

HCl

MgSO4

CaSO4

MgCl2

CaCl2

+

+

+

+

2HR

2HR

2HR

2HR

Mg(HCO3)2 MgR2HR2 + + H2O2 + CO22

HR + +NaNO3 NaR HNO3

Acizii rezultaţii în urma procesului de decationizare sunt îndepãrtaţi într-o coloanã cu anionit în forma ROH conform reacţiilor:

ROH HCl RCl

H2SO4 R2SO4

HNO3 RNO3

+ +

++

+ +

ROH

ROH

H2O

H2O

H2O

2

In acest mod se îndepãrteazã complet ionii din apã, rezultând apa demineralizatã.

In general calitatea apei demineralizatã precum si a procesului de demineralizare se controleazã prin conductivitatea electricã. Astfel, conductivitatea electricã a apei potabile este de 1000 S/cm, conf. STAS 1342/1991, iar a apei demineralizate mai mica de 10S/cm.

Mod de lucru

CARACTERIZAREA APEI DURE1. Se pune in evidenta prezenta ionilor de calciu si clor, în apa de la robinet astfel: - intr-o eprubeta se ia un esantion de apa se aproximativ 2mL, peste care se adauga aproximativ 2mL solutie de oxalat. Aparitia unui porecipitat alb evidentiaza prezenta ionilor de calciu. - intr-o eprubeta se ia un esantion de apa se aproximativ 2mL, peste care se adauga aproximativ 2mL solutie de acetat de plumb. Aparitia unui precipitat alb evidentiaza prezenta ionilor de clor.2. Se mãsoarã conductivitatea si pH ul apei in modul urmãtor:

a. Se porneşte conductometrul de la butonul ON/OFF situat in spatele aparatului in partea stânga.- Se scoate capacul celulei. Se introduce celula in apa distilata si se clãteşte bine, având grija sa nu se atingã celula de pereţii vasului.- Se scoate celula din apa distilata si se introduce in paharul cu apa de la robinet. Se noteazã valoarea conductivitãţii exprimata in mS/cm dupã ce acesta se stabilizeazã la o valoare constanta (atunci când pe display apare integral STAB). - Se scoate celula si se reintroduce in apa distilata.- Dupa terminarea determinãrilor se opreşte aparatul de la butonul ON/OFF, se clãteşte celula cu apa distilata si se pune capacul protector al acesteia.

3

b. Se porneşte pH metrul de la butonul ON/OFF situat in spatele aparatului in partea stânga.

- Se scoate celula din solutia in care sa pasteaza. Se introduce celula in apa distilata si se clãteşte bine, având grija sa nu se atingã de pereţii vasului.- Se scoate celula din apa distilata si se introduce in paharul cu apa de la robinet. Se noteazã valoarea pH lui dupã ce acesta se stabilizeazã la o valoare constanta (atunci când pe display apare integral STAB). - Se scoate celula si se reintroduce in apa distilata.- Dupa terminarea determinãrilor se opreşte aparatul de la butonul ON/OFF, se clãteşte celula cu apa distilata si se introduce in solutia de mentinere.

DEDURIZAREAModul general de lucru este prezentat in schema de mai jos si ilustrat in figura 1.

- se umple coloana RH cu apă (dură) de la robinet - se fixează viteza de trecere a apei prin coloana astfel încât sa curgă 3 picãturi pe minut.- se colectează primii 100 ml apã trecuţi prin coloana de cationit RH cu o vitezã de 3 picãturi pe minut; - Se adaugã 2 – 3 picãturi indicator metil orange în apa colectatã şi se adaugã apã durã pânã la neutralizarea aciditãţii (modificarea culorii soluţiei de la roşu la galben), conform reacţiilor de mai sus;- Apa neutralizatã, care are numai duritate permanentã se fierbe 5 minute pentru eliminarea CO2;- se răceşte şi se trece prin coloana de cationit RNa, (cu aceeaşi viteză de curgere) de unde rezultã apa dedurizatã, neutrã.- Se verificã calitatea dedurizãrii:

4

- se introduc 3 ml apã dedurizatã într-o eprubetã peste care se adaugã 3 ml oxalat de calciu şi se aşteaptã câteva minute; - apariţia unui precipitat alb opalescent, indicã o dedurizare necorespunzãtoare.

DEMINERALIZAREA APEIMod de lucru

1. Se colectează următorii 50 ml apa dură trecuţi prin coloana RH cu viteza de 3 picãturi pe minut si se titreazã cu soluţie NaOH 0.1n în prezenţã de metilorange pânã la viraj portocaliu;

se exprimã gradul total de mineralizare în g H2SO4 / l apã, astfel:

1 ml sol. 0.1 n NaOH reacţioneazã cu…………….4.9 mg H2SO4

n ml sol. 0.1 n NaOH reacţioneazã cu………………x mg H2SO4

x = 4.9 n mg H2SO4 / 100 ml apã- x = 49 n mg H2SO4 / l apã (gradul de mineralizare).

2. Se colectează următorii 100 ml apa dură trecuţi prin coloana RH cu viteza de 3 picãturi pe si se trec cu vitezã de 2 ml/min. prin coloana de anionit ROH.

3 In apa colectata dupa coloana ROH :- Se pune in evidenta prezenta ionilor de calciu si clor - se determinã conductivitatea si pH ul apei demineralizate

REZENTAREA REZULTATELORSe completeaza schema cu valorile determinate si cu ecuatiile reactiilor care au loc in fiecare cloana schimbatoare de ioni.Se compara valoarile conductivitãţii si pH lui apei de la robinet cu cea a apei demineralizate si se comenteazã eficienta procesului de demineralizare

Pentru o buna organizare a lucrului in timpul sedintei de laborator se va urmari schema de mai jos, care combina cele doua parti ale lucarii.

5

6