Download - schimb ionic_2012.ppt
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
1/42
Schimbul ionic
1
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
2/42
Schimbul ionic
Interactiunea unei specii ionice aflata intr-osolutie apoasa de electrolit cu un material solid
adsorbant.
Schimbatorii de ioni - materiale solide insolubile care contin in structura
lor ioni capabili sa fie schimbati cu ioni de aceeasi sarcina din solutiile
de electroliti cu care vin in contact.
un proces reversibil: ionii retinuti de schimbator pot fi trecuti din nou insolutie, iar schimbatorul de ioni regenerat poate fi reutilizat.
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
3/42
Schema schimb cationic:
a) starea initiala inainte de schimbul cationic cu B+;
b) starea de echilibru dupa schimbul cationic cu B+
Prin disocierea gr. funct. se formeaza 2 tipuri de ioni:
ionii ficsi-legati puternic de matriceionii mobili sau de schimb numiti contraioni
3
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
4/42
Caracteristicile unitatilor componente:Matrice (natura si modul de obtinere):
a) schimbatori anorganici
naturali: aluminosilicati cristalini (argile bentonitice, mice hidratate, zeoliti)
sintetici: zeoliti, saruri solubile ale heteropoliacizilor, fosfati, ferocianuri
b) schimbatori organicinaturali: carbuni de pamant tineri-lignit, turba, celuloza
sintetici: carbune sulfonat, s.i pe baza de celuloza, dextran,chitosan
Contraioni (tipul ionilor ficsti si ai contraionilor):
a) schimbatori de cationi-gr.functionale cu caracter acidb) schimbatori de anioni-gr.functionale cu caracter bazic.
c) schimbatori amfoteri sau bipolari-contin in aceeasi unit.struct. gr.acidesi gr. bazice si au capac.de schimb cationi si anioni in functie de pH-ulmediului
Clasificarea schimbatorilor de ioni
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
5/42
Forma fizica si gradul de disperie:
-granulari (granule sferice sau forma neregulata)-pulberi
-fibrosi
-sch. ioni lichizi si membr.sch.de ioni
Porozitate-microporosi-accesul ionilor de schimb prin canale de dim.moleculare
-gel, standard sau pseudoporosi
-macroporosi-struct. spongioasa, prezenta porilor de tranzitie (diam de
zeci-sute nm);- mezoporosi diam
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
6/42
numarul de grupe ionogene:
-monofunctionali
-polifunctionali
capacitatea de disociere a grupelor functionale(tarias.i. apreciata prin constanta aparenta de disociere Ka sau Kb):
-puternic disociati
-mediu disociati-slab disociati
-foarte slab disociati
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
7/42
Schimbatori de cationi
grupe functionale cu caracter acid
(sulfonice, carboxilice)
RSO3-H+ (RH)
R-matricea polimera
-SO3-H+ grupa ionogena, -SO3
-anion fix, H+
contraionul ce poate fi schimbat cu cationi
din solutia exterioara
zRSO3-H+ +Mz+ (RSO3
-)z Mz+ + z H+
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
8/42
Schimbatori de anioni
grupe functionale cu caracter bazic
(gr.aminice)
RN(CH3)3]+OH-sau (ROH)
R matricea polimera
-N(CH3)3]+
OH-
cation fix, OH-
contraionRN(CH3)3]
+OH- + A- RN(CH3)3]+ A- + OH-
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
9/42
Schimbatori de ioni amfoteri
contin in aceeasi unitate structurala atatgrupe acide cat si bazice
au capacitatea de a schimba cationi sianioni in functie de pH mediului
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
10/42
S.I. dupa grupe functionale
SI puternic acizi
grupa functionala a rasinii este disociata
complet in forma sa ionica la orice pH
Ka 10-1 - 10-2mol/L
grupe sulfonice legate la inel benzenic
zRSO3-H+ +Mz+ (RSO3-)z Mz+ + z H+
(RSO3-)z M
z+ +HCl zRSO3-H+ + z M+ Cl-
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
11/42
SI slab acizi
gr.functionalacarboxilat
Ka = 10-5
-10-7
mol/L
z RCOO-H+ + Mz+ RCOO-Mz+ + zH+
RCOO
-
M
z+
+ HCl RCOO
-
H
+
+ M
z+
(Cl
-
)z
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
12/42
SI puternic bazici
gr.cuaternara de amoniu
R(CH3)3N+OH-+ A- R(CH3)3N
+A- + OH-
R(CH3)3N+A- +NaOH R(CH3)3N
+OH- +Na+ A-
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
13/42
SI slab bazici
grup de amine tertiare care nu au o sarcina
pozitiva permanenta
R(CH3)N2HOH + H+
R(CH3)N HA + HOH
R(CH3)2N HA + NaOH
R(CH3)2N HOH + NaA
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
14/42
Proprietatile generale ale
schimbatorilor de ioni
Capacitatea de sch. ioniccant.de ioni de sch. exprimatain mmoli sau in mechiv continuti in unitatea de masa sau
de volum aparent al unui schimbator de ioni.
capacitatea totala de schimb (teoretica)-masura
nr.total de grupari ionizabile sau pozitii de schimbale unitatii de sarcina
marime ct pt SI dat
capacitatea utila de schimb partea de contraioni
implicata in schimb in cond specifice
marime variabila(0-cap.teor.)
incarcare
14
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
15/42
Proprietatile acido-bazice ale
schimbatorilor de ioniPt.caracterizarea cantitativa a disocierii
grupelor functionale cu caracter acid sau
bazic ale schimbatorilor de ioni seutilizeaza marimile constantelor de
disociere acida saubazica.
Ka+Kb = 10-14
pKa+pKb = 14
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
16/42
Proprietatile generale ale
schimbatorilor de ioni (continuare)
Proprietatea de gonflare a schimbatorilor de ioni:Gonflarea sch. de ioni in solventi polari datorita:
tendinta de solvatare a grupelor ionogene puternic
hidrofile din matricea schimbatorului
presiunea osmotica ce apare datorita diferentei de
concentratie intre solutia din interiorul fazei de
schimbator si solutia exterioara mai diluata
forte electrostatice de respingere intre sarcinile
fixe vecine care intind matricea impotriva tendintei
acesteia de a se contracta
16
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
17/42
Proprietatile generale ale
schimbatorilor de ioni (continuare)
Porozitatea schimbatorilor de ioni
raportul dintre volumul interstitial al solidului sivolumul masei sale
metode fizice pentru evaluarea porozitatii:
-adsorbtia unor gaze inerte
-adsorbtia unor lichide
-microscopie electronica
17
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
18/42
Proprietatile generale ale
schimbatorilor de ioni (continuare)
Dimensiunea si forma granulelor-granulele de form regulat (sferic)asiguro mpachetare
uniform a coloanelor cu schimbtor i condiiile cele mai bune
pentru cinetica procesului de schimb-particulele de dimensiuni mai mici oferviteze superioare de
schimb
-particulele mai mari permitdebite de curgere superioare, dar vitezade schimb este redus i uneori are loc sfrmarea rinii.
n general, mrimea particulelor utilizate depinde delungimea i diametrul coloanei precum i de presiuneafazei mobile.
18
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
19/42
Densitatea schimbatorilor de ioni-pt a stabilivitezele de schimb si regenerare
Stabilitatea schimbatorilor de ioni-pt a sti
rezistenta mecanica
stabilitatea termicastabilitatea chimica
stabilitatea la actiunea radiatiilor
Toxicitatea schimbatorilor de ioni
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
20/42
Coloana de schimb ionic
20
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
21/42
Mecanismul de legare a unui ion de Cu la gruparea
functionala a unui schimbator de ioni(imino-di acetilacid )
21
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
22/42
Coloana de schimb ionic
22
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
23/42
Termodinamica si cinetica schimbului ionic
Echilibrul de schimb ionic
In sistemul bifazic-s.i. ce conine ionul de sch.n contact cu soluia unuielectrolit ce conine ionul , procesul de schimb ionic poate fi reprezentat prinuna din ecuaiile:
unde :
zNO3 i zCl= sarcinile de acelai semn ale ionilor de schimb , simbolul barat se
refer la faza de schimbtor;
ClNONOCl z
NO
z
Cl
z
Cl
z
NO ClzNOzNOzClz
3
33
3 33
ClNOCl z
Cl
z
NONO
z
Cl
Clz
NOz
NOz
Clz
1111 3
33
33
23
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
24/42
1. Coeficientul de distributie KD:
raportul concentratiilor ionului de schimb la
echilibru in schimbator si solutie
24
Cl
NOD
c
cK
NO
3
3
Parametrii caracteristici
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
25/42
2. Factorul de separare
25
3
33
3
Cl
3NO
3
NOCl
ClNO
Cl
Cl
NO
NO
D
D
Cl
NO
cc
cc
cc
c
c
K
K
Relatia functionala dintre concentratiile la echilibru ale ionilor in
schimbator si in solutie se reprezinta grafic prin izotermele deschimb care, in majoritatea cazurilor sunt izoterme neliniare de tip
Freundlich sau Lagmuir.
.
:
unde C si c reprezint concentraiile molare ale ionilor n celedou faze, schimbtor i sol
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
26/42
Cinetica schimbului ionicInterpretarea cantitativ a SI este mult mai complicat dect cea a SI n
sisteme la echilibru.
n SI fluxurile dintre cel puin dou specii ionice diferite sunt cuplateelectric-nu poate fi descris n termenii unui coeficient de difuzie
constant.
Alte influene apar din selectivitatea schimburilor, din interaciunispecifice din sorbia i desorbia electroliilor i din schimbul ngonflare.
Legile de vitez ale schimbului ionicViteza de SI este determinat de procesele de difuzie.
Legile de vitez se calculeaza prin aplicarea ecuaiei de difuzie pentru
sistemul ionschimbtor se rezolv dect n cazul limit.Complicaiile provin din difuzia forelor electrice induse, din
selectivitatea schimbtorului, din interaciile specifice i din interaciavolumului de gonflare ecuaia de difuzie i condiiile la limit suntneliniare.
26
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
27/42
Mecanismul cinetic poate fi controlat de:
de reactia chimica (cinetica chimica)
difuzia interioara (cinetica de difuzie in particula)
difuzia exterioara (peliculara)
difuzia interioara si exterioara (cinetica dedifuzie mixta)
Mecanismul cinetic al schimbului ionic insotit dereactii ireversibile (modelul stratului progresiv
sau al miezului nereactionat)
27
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
28/42
28
Flux de
alimentare si
flux de
regenerare aunei coloane
schimbatoare
de ioni
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
29/42
Aplicatii ale schimbului ionic
dedurizarea , demineralizarea apei
epurarea apelor din: ind. galvanica,
ind metalurgica, ind constructoare de masini,
ind textila si pielariei,
Ind.organica de sinteza farmaceutica,
Ind. miniera, industria energetica nucleara
recuperarea aurului, a argintului,mercurului din apele uzate,
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
30/42
Duritatea apei
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
31/42
Dedurizarea apei
Indepartarea ionilor Ca2+sau Mg2+, de obicei Mg2+ indepartat ca Mg(OH)2in timp ce Ca2+
este pp prin adaugarea de soda si pp sub forma Ca CO3
SI -indepartarea duritatii apei fara marirea pH-ului: Na +este schimbat cu Ca2+sau Mg2+,
SI este apoi regenerat cu o solutie concentrata deNaCl.
SI mai putin scump si rezulta o conc mai redusa aduritatii ( sub 30-50mg/L s-forma Ca CO3)
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
32/42
Instalatie de dedurizare a apei
Cationi:
Ca2+, Mg2+,
Na+
Anioni;
HCO3-
SO42-
Cl-
KSNa+
Cationi:
Na+
Anioni;
HCO3-
SO42-
Cl-
NaCl-regen.
MgCl2-Ca Cl2
Apa
bruta
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
33/42
Instalatie simpla,
Dezavantaj:
-apa va mai contine o cant. semnificativa
de ion carbonat si clorura de sodiu
utila unde calitatea apei este controlatamai putin riguros: cazan de ape calde,
cazane cu pres. mare la care recircularea condensului estemare,
apa de racire
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
34/42
Schema dedurizare cu 2 coloane de
cationiti
Cationi:
Ca2+
Mg2+
Na+
anioni:
HCO3-
Mg2+
Na+
KSNa+
KSH+
NaCl(reg)
g) HCl(reg)
MgCl2 -Ca Cl2
NaCl
MgCl2Ca Cl2
Na+ SO4-
Cl-
HCO3-
H+ SO4-
Cl-
HCO3-
degazeificare
SO4- Na+
Cl-
Apa dedurizata decarbonatata
Apa
bruta
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
35/42
Schema dedurizare cu 2 coloane de
cationiti
Col. SK in forma H+ produce in timpul SI acid sulfuric, acid clorhidric si acidcarbonic in cant. determinate de comp. apei brute. Prin amestecarea
fluxurilor de apa care rezulta, acizii tari care se formeaza in col. cu cationit
in forma H+ descompun in acid carbonic si sare de sodiu hidrocarbonatii de
sodiu care rezulta din col. cu cationit in forma Na+
CO2 care se formeaza din descompunerea acidului carbonic precum siCO2 care se degaja din col. cu cationit in forma H+ se va elimina din fluxulde fluid in degazeificator
avantaj:apa rezultata are continut CO2 foarte redus, iar continut NaCl se
reduce in functie de proportia de amestecare.
in plus prin amestecarea in anumite proportii a celor 2 fluide, alcalinitatea apei
poate fi mentinuta intre limite impuse
dezav: utilizeaza 3 unitati functionale si pe linga regenerarea pt NaCl apare si
regenerarea cu HCl
Se aplica la dedurizarea apei de alimentare a cazanului de joasa presiune
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
36/42
Cationi:
Ca2+Mg2+
Na+
anioni:
HCO3-Mg2+
Na+
KS
Na+
AD
Cl-
NaCl(reg)g
) NaCl(reg)
MgCl2 -Ca Cl2
Cationi:Na+anioni: SO4
- , Cl-,
HCO3-
Na+ SO4-
Cl-
Apa dedurizata decarbonatata
Apa
bruta
NaHCO3
Na2SO4
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
37/42
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
38/42
Sistem SI acid tare+baza tare
cationit in forma H+ sianionit in forma HO-
apa curge prin coloana cucationit pina cind toticationii sunt schimbati cuH+.
apa decationizata trece incoloana cu anionit.Toti ioniiincarcat negativ suntschimbati pentru ionihidroxil care apoi secombina cu H+ siformeaza apa.
se indeparteaza toti ionii
inclusiv silicea.
se recomanda sa sereduca fluxul de ioni cetrece la anionit prininstalarea unei unitati deindepartare a CO2 intrecele doua vase.
se reduce continutul deCO2 la citeva mg/l siaduce o reducere avolumului de anionitputernica bazic sinecesarul de agent deregenerareIn general cationitul puternic acid si anionitul puternic
bazic = sistemul cu cel mai simplu aranjament si apadeionizata cu multiple aplicatii
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
39/42
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
40/42
Deionizare cu strat mixt
SI cationit amestecat cu SI anionit intr-un singur vas . amestecare prin agitare cu aer comprimat----un numar infinit da SI
anionit si cationit in serie.
regenerarea-SI sunt separati hidraulic regenerare cu soda caustica si un acid tare ( excesul este indepartat
prin spalare)
Avantaj:
Apa obtinutaf. inalta puritate si calitatea se mentine pH neutru Necesar de apa spalare redusDezavantaj:
capacitate redusa de schimb si operatie complicata de separare sireamestecare
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
41/42
Regenerarea SI:a) echicurent
b)contracurent
a) echicurent
-
8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt
42/42
Regenerarea SI:a) echicurent
b)contracurent
b)contracurent