schimb ionic_2012.ppt

8/13/2019 schimb ionic_2012.ppt

1/42

Schimbul ionic

1


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.


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


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


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


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


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+


8/42

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-


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


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-


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


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-


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


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


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


16/42


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


17/42



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


18/42



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


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


20/42

Coloana de schimb ionic

20


21/42

Mecanismul de legare a unui ion de Cu la gruparea

functionala a unui schimbator de ioni(imino-di acetilacid )

21


22/42

Coloana de schimb ionic

22


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


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


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


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


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


28/42

28

Flux de

alimentare si

flux de

regenerare aunei coloane

schimbatoare

de ioni


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,


30/42

Duritatea apei


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)


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


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


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


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


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


37/42


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


39/42


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


41/42

Regenerarea SI:a) echicurent

b)contracurent

a) echicurent


42/42

Regenerarea SI:a) echicurent

b)contracurent

b)contracurent

Date post:	04-Jun-2018
Category:	Documents
Upload:	alexandra-stanoiu
View:	249 times
Download:	8 times

schimb ionic_2012.ppt

Documents