Контрольная работа реакции ионного обмена: «Реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные реакции»

Контрольная работа № 1 «Классификация химических реакций»

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 1

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3. В ре­зуль­та­те реакции, тер­мо­хи­ми­че­ское урав­не­ние которой

выделилось 968 кДж теплоты. Вы­чис­ли­те массу об­ра­зо­вав­шей­ся при этом воды. Ответ ука­жи­те в грам­мах с точ­но­стью до целых.

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 2 

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3. Термохимическое урав­не­ние сго­ра­ния же­ле­за в кислороде:

В ре­зуль­та­те ре­ак­ции вы­де­ли­лось 2057,5 кДж. Вычислите массу образовавшегося ок­си­да железа(III). Ответ дайте в граммах с точностью до целых.

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 3 

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3. Дано тер­мо­хи­ми­че­ское уравнение:

В ре­ак­ции по­гло­ти­лось 95 кДж теплоты. Вычислите массу всту­пи­вшего в реакцию уг­ле­ро­да. Ответ дайте в граммах с точностью до целых.

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 4 

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3. При пол­ном вос­ста­нов­ле­нии 48 г ок­си­да же­ле­за(III) из­быт­ком алю­ми­ния вы­де­ли­лось 256,2 кДж теплоты. Вычислите теп­ло­ту реакции

 (в кДж на моль )

Ответ дайте с точностью до целых (в расчётах ис­поль­зуй­те целые от­но­си­тель­ные атом­ные массы элементов).

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 5 

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3. Термохимическое урав­не­ние ре­ак­ции об­ра­зо­ва­ния бен­зо­ла из аце­ти­ле­на имеет вид:

 Вычислите массу аце­ти­ле­на, которая всту­пи­ла в эту реакцию, если в ре­зуль­та­те вы­де­ли­лось 400 кДж? Ответ дайте в граммах с точностью до целых.

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольная работа № 1

 «Классификация химических реакций»

Вариант 6 

1.Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по схеме. Определите окислитель и восстановитель(ОВР)

__________________________________________________________________

2.Закончите реакцию, запишите реакцию в молекулярном ионном и сокращенном виде.

__________________________________________________________________

3 Термохимическое урав­не­ние ре­ак­ции об­ра­зо­ва­ния бен­зо­ла из аце­ти­ле­на имеет вид:

 Вычислите теп­ло­ту (в кДж), которая выделится, если в ре­ак­цию всту­пит 117 г ацетилена. Ответ дайте с точностью до целых.

4.Запишите реакцию гидролиза:

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Реакции ионного обмена. Реакция нейтрализации. Химия, 8–9 класс: уроки, тесты, задания.

Контрольная работа № 2

Растворы. Концентрация растворов. Электролитическая диссоциация. Реакции ионного обмена. Важнейшие классы неорганических соединений: оксиды, основания, кислоты, соли. Гидролиз солей. Оксилительно-восстановительные реакции, электролиз расплавов и растворов солей.

Часть а

1. Азот является восстановителем в реакции с:

1) Водородом 2) кислородом 3) литием 4) кальцием

2. Азот является восстановителем в реакции с:

1) NH₃ 2) HBr 3) H₂S 4) CO

3. Кислотные оксиды — это

1) K₂O и СаО 2) СаО и SiO₂ 3) SO₂ и Cl₂O₇ 4) Cl₂O₇ и Al₂O₃

4. Серная кислота реагирует с :

1. хлоридом бария и гидроксидом натрия

2. гидроксидом натрия и сульфатом цинка

3. сульфатом натрия и сульфатом меди (II)

4. карбонатом натрия и оксидом кремния (IV)

5. Формула соли, образованной оксидами:

1) Fe2(so4)3 2) FeSo4 3) FeSo3 4) Fe2(so3)3

6. При взаимодействии известковой воды с избытком углекислого газа образуется:

1) карбонат кальция и вода

2) гидрокарбонат кальция и водород

3) гидрокарбонат кальция

4) карбонат кальция

7

х

SO₂+H₂O

1) гидроксид калия и гидросульфат калия

2) оксид калия и угольная кислота

3) гидросульфат калия и угольная кислота

4) калий и гидросульфат калия

8. Ионы, которые могут существовать в растворе, это:

1) NO₃^—, Ag⁺, J^— 2) NO₃^—, Ag⁺, H⁺ 3) OH^—, Cu²⁺, Na⁺ 4) SiO₃^2-, H⁺, Cl^—

9. В реакции 2HNO₃+SO₂ = H₂SO₄+2NO₂ число электронов, принятых одной молекулой окислителя, равно:

1) 1 2) 2 3) 3 4) 4

10. Формулы кислоты, основания и основного оксида последовательно указаны в ряду:

1) Na₂SiO₃, KOH, K₂O

2) Ca(OH)₂, H₂S, CaO

3) HF, Mg(OH)₂, BaO

4) H₂SO₄, Ba(OH)₂, SiO₂

11. Влажная лакмусовая бумажка изменит цвет на синий при внесении ее в сосуд с газом, формула которого:

1) NO₂ 2) NH₃ 3) N₂О 4) СO

12. Гидроксид алюминия реагирует с каждым из двух веществ:

1) HCl и Fe 2) сo и h3s 3) NaCl и nh4 4) NaOh и hno3

13. И с раствором азотной кислоты и с раствором гидроксида натрия взаимодействуют:

1) сульфат магния

2) сульфид аммония

3) хлорид калия

4) бромид свинца (II)

14. Наибольшее количество нитрат – ионов образуется в растворе при диссоциации 1 моль:

1) нитрата алюминия

2) нитрата меди (II)

3) нитрата натрия

4) нитрата кальция

15. Сокращенное ионное уравнение Сu²⁺+2OH^—→Cu(OH)₂ соответствует взаимодействию:

1) сульфата меди (II) и гидроксида калия

2) сульфата меди (II) и гидроксида натрия

3) хлорида меди (II) и гидроксида магния

4) нитрата меди (II) и гидроксида железа (II)

16. Одинаковую реакцию среды имеют растворы хлорида калия и:

1) хлорида меди (II)

2) хлорида цинка

3) сульфата железа (III)

4) сульфата натрия

17. В реакции меди с концентрированной серной кислотой окислителем является:

1) S⁺⁶ 2) H⁺ 3) Cu⁰ 4) Сu²⁺

18. Амфотерным оксидом является:

1) NO 2) ZnO 3) MgО 4) СO

19. Растворением соответствующего оксида в воде нельзя получить кислоту:

1) Серную 2) угольную 3) соляную 4) азотную

20. Гидроксид, реагирующий и с кислотой, и со щелочью, имеет формулу:

Контрольная работа «Химические реакции. Растворы. Теория электролитической диссоциации»

Контрольная работа по теме «Химические реакции. Растворы.

Теория электролитической диссоциации.»

Задачи: проверить усвоение основных понятий темы: «Химические реакции. Растворы.Электролитическая

диссоциация” , “Реакции ионного обмена”, « Гидролиз», проконтролировать умения составлять полные и

сокращенные ионные уравнения реакций на основе знания условий и признаков реакций ионного обмена,

умения решать задачи, развитие навыков самостоятельной работы, воспитание аккуратности,

внимательности.

Ход урока:

1.Оргмомент

2.Доведение цели урока

3. Знакомство с текстом к/работы

4.Выполнение контрольной работы по вариантам.

5. Итоги урока

Вариант 1.

1) Реакция протекает по уравнению CO + O2 CO2 + Q;

Какое влияние на равновесное состояние системы окажут:

а) увеличение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации CO?

2) Какие вещества, формулы которых приведены ниже, подвергаются гидролизу:

а) CaSO

4

, б) AgNO

3

, в) K

2

CO

3

?

Укажите характер среды растворов указанных веществ при их гидролизе.

3) По сокращенному ионному уравнению запишите полное ионное и молекулярное:

Ва

2+

+ S0

4

2-

= BaS0

4

↓

4) Задача: Какова масса соли, образующейся при взаимодействии 200г гидроксида натрия

с 73 г соляной кислоты?

Вариант 2

1) Реакция протекает по уравнению SO2г + CI2г ↔ SO2CI2г

Какое влияние на равновесное состояние системы окажут:

а) увеличение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации SO2?

2) Какие вещества, формулы которых приведены ниже, подвергаются гидролизу:

а) MgSO

4

, б) K

2

SO

3

, в) NaNO

3

?

Укажите характер среды растворов указанных веществ при их гидролизе.

3) По сокращенному ионному уравнению запишите полное ионное и молекулярное:

Н

+

+ ОН

—

= Н

2

О

4) Задача: При взаимодействии 168 г гидроксида калия и сульфата магния массой 200 г,

выпадает осадок. Определите массу осадка.

Контрольная работа » Неметаллы»

К.Р. №3 Неметаллы. 9 класс.

Вариант 1.

1. Сравните состав молекул и свойства, физические и химические, простых веществ кислорода и озона. Объясните сущность явления аллотропии.

2. Допишите уравнения реакций; реакции ионного обмена запишите в ионном виде:

1)KBr + Cl₂ → … ; 2)CO₂ + Ca(OH)₂ → ; 3)HCl + AgNO₃ → ;

4)Na₂SO₄ + BaCl₂ → ; 5)N₂+O₂→

1. Применение соединений кремния. Силикатная промышленность.

2. Расставьте методом электронного баланса коэффициенты реакции

Cu + HNO_3(конц.) → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O

К.Р. №3 Неметаллы. 9 класс.

Вариант 2.

1. Дайте характеристику серы как простого вещества, ее физические и химические свойства.

2. Допишите уравнения реакций; реакции ионного обмена запишите в ионном виде:

1)NaI+Br₂ → ; 2)SiO₂ + NaOH → ; 3)K₃PO₄ + AgNO₃ → ;

4)Na₂SiO₃ + HCl → ; 5)Mg+Si →

1. Применение соединений азота и фосфора. Минеральные удобрения.

2. Расставьте методом электронного баланса коэффициенты реакции

Cu + H₂SO_4(конц) → СuSO₄ + SO₂ + H₂O

К.Р. №3 Неметаллы. 9 класс.

Вариант 3.

1. Дайте характеристику углерода как простого вещества. Сравните строение и свойства аллотропных видоизменений углерода.

2. Допишите уравнения реакций; реакции ионного обмена запишите в ионном виде:

1)KI + Cl₂ → ; 2) P₂O₅ + KOH → ; 3)CaCO₃ + HCl → ;

4)AgNO₃ + NaCl → ; 5) Ca + C→

3. Применение серы и ее соединений.

4. Расставьте методом электронного баланса коэффициенты реакции

Zn + H₂SO_{4 (конц)} → ZnSO₄ + H₂S + H₂O

К.Р. №3 Неметаллы. 9 класс.

Вариант 4.

1. Дайте характеристику фосфора как простого вещества, опишите его физические и химические свойства.

2. Допишите уравнения реакций; реакции ионного обмена запишите в ионном виде:

1)FeCl₂ + Mg → ; 2) SO₃+LiOH → ; 3)NH₄Cl + KOH → ;

4)K₂SO₄ + Ba(NO₃)₂ → ; 5)N₂+H₂→

3. Применение углерода и его соединений.

4. Расставьте методом электронного баланса коэффициенты реакции

Ag + HNO_3(разб) → AgNO₃ + NO + H₂O

реакций ионного обмена: обзор

Автор: C.F. «Чабб» Мишо, CWS-VI

Ионный обмен универсален
Когда вы думаете о процессах очистки воды, которые могут удалять растворенные соли из потоков сырья, существует множество вариантов. Возможны ионный обмен, обратный осмос, дистилляция или электродеионизация (EDI). Но что, если вы не хотите вынимать все из воды? Что делать, если вы хотите оставить что-то позади по экономическим причинам или по состоянию здоровья? Что, если вы хотите пройти между строк и удалить из смеси только определенный ион? Ионный обмен обладает гибкостью для всего этого.

Ионный обмен работает благодаря селективности ионов, действию масс и равновесию системы. Проще говоря, если вещество находится в воде (ионное), а не на смоле, оно перейдет на смолу. Если он находится на смоле, а не в воде, он уйдет в воду. Это то, что способствует всем знакомой утечке жесткости в умягчителе воды, когда он не полностью регенерирован, и что позволяет нам удалить натрий с помощью регенерированного калием смягчителя воды (или удалить калий с помощью системы, регенерированной натрием).Вот почему мы можем смягчать морскую воду и использовать морскую воду в качестве регенератора (хотя и не одновременно).

Существует четыре основных типа ионообменных смол и смеси этих смол, используемых в повседневных процессах деминерализации. В этой статье мы обсудим эти типы смол и рассмотрим, как изменяется состав воды при прохождении через слои этих смол. Мы не включаем хелатирующие смолы, бор-селективные или перхлорат-селективные смолы, но сосредоточимся на наиболее широко используемых:

1. Сильный катион (SAC)
2. Слабокислый катион (WAC)
3. Сильноосновный анион (SBA)
4. Анион слабого основания (WBA)
5. Смешанный DI

Для простоты и целей сравнения мы будем использовать один и тот же анализ воды для каждой реакции смолы и проследить до и после на графиках.Мы выбрали воду со средней жесткостью и умеренным содержанием растворенных твердых веществ (TDS), типичным для многих регионов страны. Мы добавили фермерский аромат с высоким содержанием нитратов, и, чтобы оживить ситуацию, у нас есть уран чуть выше максимального уровня загрязнения (MCL) Агентства по охране окружающей среды США. Вы заметите, что анализ воды сбалансирован до 500 ppm как CaCO3 для загрузки аниона, и что кремнезем является добавкой (Рисунок 1). Поскольку выбор ионообменной смолы частично определяется анализом воды, я был бы упущен без быстрого обзора соответствующего химического состава.

Ионный обмен — это естественное явление в природе. Это механизм, с помощью которого почва поглощает определенные питательные вещества и играет важную роль в росте большинства живых существ. Почва содержит цеолиты, которые представляют собой сильнокислотные неорганические минеральные решетки, которые могут действовать как смягчители. Если в почве много двухвалентного кальция (Ca + 2) и магния (Mg + 2), она сожмется и обеспечит хороший дренаж. Однако, если в почву постоянно кормить умягченной водой, она будет заменять натрий (Na + 1) в воде на жесткость цеолита и набухать, вызывая плохой дренаж и подавляя корни растения.Это же явление может также повлиять на септические дренажные поля, если онлайн-умягчитель не может сливаться в септик для пополнения твердости почвы.

Рисунок 2. Периодическая таблица элементов

Селективность ионного обмена
Ионный обмен работает частично за счет селективности. То есть ионы с более высоким потенциалом заряда (валентностью) обычно заменяют ионы с более низким зарядом силы. Если мы посмотрим на Периодическую таблицу элементов (рис. 2) в столбце IA, содержащую Na + 1 и калий (K + 1), мы увидим, что селективность увеличивается с увеличением молекулярной массы (MW) (K + 1> Na + 1). > Ли + 1) спускаемся по колонне.Столбец IIA, содержащий двухвалентную твердость Mg + 2 и Ca + 2, а также стронций (Sr + 2), барий (Ba + 2) и радий (Ra + 2), все имеют более высокий заряд, и MW также увеличивается по мере того, как вы спуститесь по колонке. Селективность по любому из ионов в IIA выше, чем в IA, поэтому смягчитель работает и почему вы можете использовать смягчитель для удаления радия даже за пределами разрыва твердости (Ra + 2 заменит Ca + 2 на смоле) .

Переходя к столбцу IIIA, мы видим алюминий (Al + 3). Трехвалентный заряд алюминия делает его очень плотно удерживаемым смолой-пластификатором, и он может фактически загрязнять смолу, потому что его очень трудно удалить, если не регенерировать очень высокими дозами соли при более высокой концентрации (т.е., 15 процентов). Как правило, чем дальше по колонке и правее, тем более селективен ион по сравнению с натрием. Те элементы, которые образуют анионы, имеют аналогичную селективность (I-1> Br-1> Cl-1> F-1, столбец VIIA), но это усложняется, когда элементы соединяются с кислородом. Следующее поможет оценить избирательность.

Селективность по сильнокислотному катиону (сшитый 8 процентов SAC)
Трехвалентный

• лантан> церий> хром
• Двухвалентный
  Барий> свинец> стронций> кальций> марганец> бериллий> никель> кадмий> медь> кобальт> цинк> магний
• Моновалентный
  Серебро> цезий> рубидий> калий> аммоний> натрий> водород> литий

Натрий выделен, чтобы показать его относительное положение.Как и в любом практическом правиле, есть исключения. Барий более селективен, чем лантан. Свинец более селективен, чем хром (Cr + 3 — Cr + 6 — разновидность аниона). Серебро более избирательно, чем хром и стронций. Фактически, если вы увеличите сшивание (содержание дивинилбензола) до 10 процентов для смолы SAC, она станет более селективной в отношении серебра, чем любой другой ион, перечисленный здесь.

Селективность по аниону сильного основания (SBA тип I)
Перхлорат> уранилкарбонат> цитрат> йодид> бисульфат> нитрат> бромид> нитрит> цианид> бисульфит> бромат> хлорид> гидроксид> бикарбонат> кислый фосфат> фторид

Хлорид выделен, чтобы показать его относительное положение; Вышеуказанное относится к SBA типа I.Тип II и анион со слабым основанием имеют немного другой порядок, поэтому выбор смолы имеет первостепенное значение при обращении к различным потокам. Сульфат, например, предпочтительнее примерно 1,3: 1 по сравнению с нитратом для типа I, тогда как для типа II он составляет примерно 2: 1. Это снижает вероятность того, что тип I выбрасывает нитраты до истощения. Аниониты могут иметь несколько химических функциональных групп, которые могут изменять селективность от одного иона к другому для решения конкретной задачи. Например, нитрат-селективные смолы предпочтут нитрат сульфату и могут быть предпочтительнее для безопасности в жилых помещениях.

Химия 101
Самая простая реакция, которую мы усвоили в химии в старших классах, — это нейтрализация. Когда вы смешиваете кислоту и основание, вы получаете соль и воду. В следующем примере мы используем соляную кислоту (HCl) и щелочь (NaOH), но такая же реакция сохраняется для любой кислоты и основания.

• • HCl + NaOH → NaCl + H + OH (h30)
  • кислотно-щелочная соленая вода

Поскольку продукты реакции растворимы, невозможно использовать этот тип реакции для разделения образующейся соли и воды.Однако если бы у нас была нерастворимая форма кислоты и основания, соль и воду можно было бы разделить. Это именно то, что делает ионный обмен.

Рисунок 3. График анализа сырой воды

На Рисунке 1 мы видим анализ воды для питательной воды, который мы будем использовать в оставшейся части этой статьи. Рисунок 3 представляет собой гистограмму, представляющую этот анализ.

Рисунок 4. Умягченная вода

Первым и наиболее распространенным применением ионного обмена является смягчение воды. Эта реакция показана на рисунке 4 вместе с гистограммой изменения состава воды.

Здесь смягчитель заменил натрий на кальциевую и магниевую жесткость. Вы заметите, что Ca был полностью удален, а в воде продукта присутствует небольшое количество Mg, что свидетельствует об утечке, что является нормальным явлением. В зависимости от уровня соли, используемой для регенерации, утечка может составлять <1 ppm или несколько ppm.Натрий увеличивается на ту же величину, что и твердость. TDS не меняется.

Ссылаясь на предыдущий ряд по селективности, мы можем отметить, что пластификатор способен обменивать почти каждый катион выше натрия в ряду, включая такие ионы, как свинец и медь, и множество тяжелых металлов. Умягчители часто можно использовать для ополаскивания покрытий перед утилизацией. В качестве подпитки для воды для ополаскивания следует использовать умягченную воду, чтобы второй смягчитель видел только натрий в воде и металлы от ополаскивателей для покрытия.Ни один из анионов не изменился, и TDS потока осталась такой же, как у сырой воды.

Рис. 5. Умягченная и дещелоченная вода

Второе распространенное использование ионного обмена — это когда мы используем регенерированный солью анион для снижения щелочности (см. Рисунок 5). Здесь обмен идет на хлорид на анионообменнике, и мы показываем гистограмму для той же воды, которая уже была умягчена.

Обратите внимание на небольшую утечку щелочности.Поскольку смола на самом деле предпочитает хлорид щелочности, мы обычно сталкиваемся с некоторым прорывом на низком уровне щелочности в диапазоне 10 процентов от общей. Сначала он удалит все, но из соображений экономии мы превысили начальный предел щелочности. Также обратите внимание, что сульфат, нитрат и уран также были удалены и заменены хлоридом. Повышение уровня Cl представляет собой общее количество других восстановленных ионов. Кремнезем не восстанавливается, потому что кремнезем настолько слабо ионизирован, что на самом деле он не действует как обменный ион, кроме как с анионной смолой в форме гидроксида (ОН–) (позже, в деионизаторах).

В деакализаторе могут использоваться анионные смолы либо типа I, либо типа II, и его можно использовать для восстановления сульфата, нитрата, шестивалентного хрома и любых других анионов, показанных в приведенном выше ряду селективности, включая селен, мышьяк и даже фторид. Обратите внимание, что селективность фторида ниже хлорида, поэтому емкости будут низкими, и за ним должен следовать селективный фторид адсорбер, такой как активированный оксид алюминия. Поскольку дещелкализатор удаляет ион бикарбоната, он снижает pH очищенной воды, что повышает эффективность и емкость полирующего фторидного фильтра.Редко используемая реализация дещелочника SBA, регенерированного солью, — это умягчение анионов. Бикарбонат-ион удаляется, и в полученной воде не образуется накипь при нагревании, даже без предварительного смягчения воды. Все образующиеся соли представляют собой хлориды, которые обладают очень высокой растворимостью. Это можно сделать только с помощью SBA для предотвращения образования накипи в питании котла.

Рис. 6. Нитрат-селективная смола (удаление в конце цикла)

На рисунке 6 показан график для воды, очищенной с использованием нитрат-селективной смолы без умягчения.Сначала смола удаляет все анионы, кроме кремнезема, заменяя их хлоридом, а затем следует резкое повышение щелочности. По мере того, как смола продолжает загружаться, она начинает разрушаться от сульфата, при этом удаляя большую часть нитрата. В конце концов, ближе к концу цикла нитрат начнет разрушаться, и ему будет позволено подняться до предела перед завершением цикла. Смола продолжает удалять уран из-за очень высокой селективности по этому иону. Тщательно выбирая смолу, можно разработать системы для удаления множества загрязнений с помощью одинарного слоя смолы.Такая система была описана в предыдущей статье2 в городе МакКук, штат Северная Каролина, в которой используется слой одноанионной смолы для одновременного удаления мышьяка, урана и нитратов. Однако для этого нужен очень, очень хороший и надежный анализ воды.

Рис. 7. Умягчение и удаление щелочи с помощью WAC

Если вы сталкиваетесь с водой, требующей как умягчения, так и обезщелачивания с помощью правильного типа воды, можно добиться как с одной смолой, так и с одновременным снижением TDS.Это достигается с помощью слабокислотного катионита, работающего в водородной (H +) форме. Эта смола не расщепляет нейтральную соль (такую ​​как CaCl2), но может реагировать с щелочной солью (Ca (HCO3) 2) и заменять жесткость Ca на H + в потоке. Это, в свою очередь, снижает pH потока, превращая оставшийся бикарбонат (HCO3) -1 в газообразный диоксид углерода (CO2) и воду (h3O), как показано на вложенной реакции на Рисунке 7. Необходимо удалить пузырьки образовавшегося газа для нейтрализации кислой струи, избавляя ее от угольной кислоты.Обратите внимание, что состав воды ниже в TDS на 200 частей на миллион удаленного Ca и большей части на 200 частей на миллион щелочности. Na и Cl не увеличились, поэтому теперь у нас есть вода с концентрацией 300 ppm по сравнению с 500 ppm в сырье.

WAC недостаточно используются в мире деионизации. Их емкость почти в два раза больше, чем у SAC, и они могут работать в форме H + или Na +, но не могут быть регенерированы непосредственно в форму Na + с помощью NaCl (нейтральная соль). Сначала они должны быть регенерированы кислотой, чтобы вернуть их в форму Н +, а затем нейтрализованы щелочью (NaOH) или кальцинированной содой (Na2CO3), чтобы смола перешла в форму соли или Na +.Смолы WAC в форме Na + обладают способностью смягчать воду и удалять тяжелые металлы из потоков с гораздо более высоким уровнем TDS, чем у SAC3. В форме Na + кинетика очень быстрая; относительно небольшой слой может сделать очень большую работу с низким содержанием металлов (таких как медь или свинец).

Рисунок 8. Последующее умягчение после WAC

WAC могут смягчать струю до пределов щелочности. Другими словами, если жесткость выше щелочности, останется умеренная остаточная жесткость, как показано на рисунке 7.Что мы делаем, чтобы удалить всю жесткость и при этом сохранить пониженные TDS и щелочность? Мы размягчаем, как показано на рисунке 8, с помощью обычного блока SAC. Эта вода представляет собой значительное улучшение по сравнению с умягчителем прямого действия для подпитки котлов с низким и средним давлением, поскольку она не только умягчена, но и имеет низкую щелочность и пониженный TDS.

Рисунок 9. DI с двумя кроватями с SAC / WBA

Деминерализованная вода (также известная как деионизированная вода) получается после удаления минералов.Однако не все минералы необходимо удалять, чтобы деионизированная вода использовалась для мойки автомобилей, заводов по розливу и многих производственных и чистящих операций. Рассмотрим настройку SAC в форме H + и WBA, показанную на рисунке 9.

При проведении SAC в форме H + практически все катионы удаляются, а анионы превращаются в их кислоты. Смолы WBA, как и их собратья WAC, не расщепляют нейтральную соль, но нейтрализуют кислоту (за исключением слабых кислот угольной и кремниевой [показано]). По мере высыхания воды бикарбонат превращается в газообразный CO2 и испаряется вместе с водой, как показано на рисунке 10.Это классический ополаскиватель для автомойки без пятен. Если уровень кремнезема составляет 20 частей на миллион или выше, могут возникнуть серьезные пятнистости. В этом случае вам нужно будет перейти к конкурентной деионизации с использованием смол SBA в смешанном слое. Если вы используете воду в каком-либо процессе, где она не испаряется и должна иметь низкую щелочность, вы можете дегазировать после SAC, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Двухслойный DI с промежуточным дегазатором

С этого момента мы переходим к более серьезной деминерализации, цель которой состоит в том, чтобы очистить воду от всех проводящих минералов, включая кремнезем.Кремнезем в воде обычно присутствует в виде слабоионизированной кремниевой кислоты и может быть удален только с помощью ОН– формы SBA. Для этой цели мы используем обычную двухуровневую установку DI с SAC в форме H + и SBA в форме OH–. Остатки от этой комбинации представляют собой доли содержания натрия в миллионных долях и содержания кремнезема в миллиардных долях (см. Рисунок 11). Как правило, можно ожидать утечку Na в размере около 0,5 процента от общего количества подаваемых катионов при типичных уровнях нисходящего потока кислоты (от 7 до 9 фунтов / куб. Фут или около 125 г / л кислоты / смолы). В нашем примере с 500 ppm исходного TDS мы ожидаем около 2 ppm Na в потоке продукта.Используя тот же уровень химиката для SBA (тип I) и горячей воды (120 ° F или 50 ° C), мы увидим <10 частей на миллиард остаточного кремнезема. Стоки, показанные на рисунке 11, в основном представляют собой очень разбавленный раствор NaOH с pH в диапазоне от 9 до 10. Примечание: плохая регенерация катиона приведет к более высокой утечке Na и более высокому уровню pH, что отрицательно скажется на утечке диоксида кремния. . Смолы типа II, используемые в двухслойном DI, будут иметь более высокую емкость (до 30 процентов), чем двухслойные смолы типа I, но утечка кремнезема будет составлять ~ 100 частей на миллиард или выше.

Рисунок 11. DI с двумя кроватями с SAC / SBA I

Чтобы приблизиться к полной деминерализации, необходимо доочистить оставшийся натрий; обычно это делается с помощью полировальной машины смешанного типа. Однако это можно сделать очень эффективно, если использовать в качестве полировщика второй SAC в форме H +.4 Используя обычную регенерацию с нисходящим потоком, эта система может производить до 1 мегом (1 мкСм) воды без хлопот, связанных с перемешиванием воды. регенерация ложа. Если выбрать регенерацию противотока, 10 мОм (0.1 мкСм) качество воды достижимо (см. Рисунок 12).

Рисунок 12. Трехсторонний DI с полировальной машиной SAC / SBA / SAC

Наивысшее качество DI достигается при использовании смолы со смешанным слоем. Как показано на Рисунке 12, использование обычной системы с двумя слоями и полировальной машиной SAC снизит утечку натрия до низких значений, выражающихся в двузначных частях на миллиард. То же самое было бы, если бы за третьим слоем следовал четвертый слой, состоящий из другого SBA в форме OH–. Остаточный кремнезем также упадет до однозначного числа частей на миллиард.Теперь повторяйте это снова и снова с почти бесконечной серией кроватей SAC / SBA, и вы получите смешанное качество.

Рисунок 13. Смешанный DI

Смешанный слой состоит из однородной смеси смол SAC и SBA в одном сосуде, что обеспечивает максимальное качество DI, как показано на Рисунке 13. Единственный недостаток систем DI со смешанным слоем состоит в том, что смешанные смолы необходимо разделять. прежде, чем его можно будет регенерировать и использовать повторно. Для операции портативной обменной деионизации (PEDI) требуется специальный сепаратор, который промывает смолу в обратном направлении и использует разницу в плотности двух смол, чтобы поднять SBA вверх, откуда он переносится в отдельную емкость для регенерации.SAC переносится снизу в собственную регенерационную емкость. После регенерации две смолы промывают деионизированной водой и переносят в емкость для повторного смешивания, где они рекомбинируют путем смешивания с воздухом. Фиксированный слой, смешанные слои регенерируются на месте с помощью довольно сложной распределительной системы внутри резервуара, которая позволяет SBA регенерировать нисходящий поток после разделения и позволяет SAC одновременно регенерировать восходящий поток. После полоскания их снова перемешивают с воздухом. Системы со смешанным слоем смолы обычно производят воду с сопротивлением 18 мегом (0.056-мкСм).

Рисунок 14. Равновесие по извлечению урана

Одноразовые ионообменные системы
Некоторые ионы настолько высокоселективны по отношению к ионообменникам, что они продолжают работать дольше обычного ионного разрыва для обычных ионов, присутствующих в потоках сырья. Следует отметить перхлорат и уранил-ион (уран). Часто это единственные загрязнители в воде, с которыми необходимо бороться. Перхлорат удерживается настолько прочно, что его невозможно регенерировать из смолы SBA даже с неограниченным количеством рассола или каустика.Производственные мощности по смоле указаны в миллионах галлонов / куб. футов (135 000 BV). Другой высокоселективный ион — это уран, обычно присутствующий в виде анионного комплекса, показанного на Рисунке 14 как карбонатный комплекс. Ураниун настолько селективен, что его можно запустить до точки, где весь слой станет высокорадиоактивным. На рисунке 14 показано качество сточных вод через SBA в форме Cl– после того, как слой уравновесился (считая, что он полностью истощен), но продолжает вытягивать уран. По иронии судьбы, даже несмотря на высокую селективность, ион уранила можно регенерировать из смолы SBA с обычными уровнями соли и повторно использовать.Цикл регенерации обычно рассчитывается таким образом, чтобы поток отходов можно было смешать с другими потоками отходов, чтобы избежать превышения предела радиоактивности. Часто это 200 000 галлонов / куб. футов (~ 30 000 BV). Прежде чем пытаться создать такую ​​систему, следует проконсультироваться с поставщиком смолы, чтобы определить пределы безопасного пробега, чтобы смола не стала проблемой для радиоактивного захоронения. Ниже этого предела смолу можно безопасно утилизировать на обычных свалках.

Рисунок 15. Реминерализованная вода

Наш последний пример универсальности ионного обмена — это реминерализатор. На рисунке 15 показано, что произошло бы, если бы у вас был поток, в котором вы хотите удалить ион с меньшей селективностью, чем ион-партнер с более высокой селективностью. В этом случае мы хотим удалить Mg, но не Ca. Оглядываясь назад на наш список избирательности, мы видим, что Ca >>> Mg. Если мы используем смягчитель для удаления Mg, Ca попадает в ловушку. Но мы можем вернуть Ca обратно, просто пропустив смягченную воду через слой SAC, который был полностью регенерирован с помощью растворимой соли кальция (т.е.е., CaCl2), чтобы удалить Na из умягченной воды и преобразовать мягкую воду обратно в поток, полностью содержащий Ca. Затем это может быть смешано с умягченной струей и может быть получена смешанная вода, не содержащая магния. Умно, а?

Заключение
Ионный обмен — проверенный метод отделения минералов от воды более 100 лет. По всей видимости, он по-прежнему будет предпочтительным методом очистки воды в жилых и промышленных помещениях. Приложив немного творчества и подходящую воду, можно сделать все возможное.

Ссылки

1. Dow Chemical www.dowwaterandprocess.com/periodic_table
2. Мишо, К.Ф., Удаление многокомпонентных загрязнений в муниципальных системах. WC&P , май 2010 г.
3. Мишо, C.F., Экстремальное смягчение. WC&P , июнь 2010 г.
4. Мишо К.Ф., Получение деионизированной воды высокой чистоты без использования смешанных слоев. WC&P , май 1997 г.

Об авторе
C.Ф. «Чубб» Мишо — генеральный директор и технический директор компании Systematix, Буэна-Парк, Калифорния, которую он основал в 1982 году. Активный член Ассоциации качества воды, Мишо был членом ее Правления и Совета управляющих. и бывший председатель коммерческой / промышленной секции. Он сертифицированный специалист по водным ресурсам VI уровня. Он входит в состав Совета директоров Тихоокеанской WQA (с 2001 г.) и возглавляет ее технический комитет. Мишо, один из основателей комитета по техническому обзору WC&P, является автором или представителем более 100 технических публикаций и статей.С ним можно связаться по адресу: Systematix, Inc., 6902 Aragon Circle, Buena Park CA ; по телефону (714) 522-5453 или по электронной почте [email protected] .

Как работает ионный обмен?

Все, что вам нужно знать о смягчителях воды и других технологиях ионообменной очистки воды

Если вы читали «Советы по использованию кранов», то знаете, что питьевая вода может содержать различные примеси. Некоторые из этих примесей, например тяжелые металлы и пестициды, негативно влияют на ваше здоровье.Другие, которые EPA называют вторичными загрязнителями, не представляют угрозы для здоровья, но могут вызывать нежелательные воздействия, такие как неприятный вкус и запах, помутнение или жесткость воды.

В то время как нерастворимых загрязнителей можно удалить с помощью мультимедийной фильтрации, растворимые вещества необходимо удалять другими методами. Именно здесь в игру вступает ионный обмен (IE). Ионообменные методы часто используются для фильтрации воды, когда примеси растворимы и ионизированы .

Растворимый: Любое вещество, которое легко растворяется в другом веществе (обычно в воде).
Ионизированный: Любой атом или молекула с положительным или отрицательным зарядом (в отличие от незаряженных).

Прежде чем мы углубимся в различные типы IE, давайте глубже посмотрим, что именно происходит во время ионного обмена.

В воде ионы образуются, когда собственные полярные связи воды разрывают ионные связи других атомов, заставляя их терять или приобретать электрон.В результате образуются положительно заряженные ионы, называемые катионами , и отрицательно заряженные ионы, называемые анионами . Поскольку вода электрически нейтральна, количество положительных и отрицательных зарядов в ней одинаково.

Способность воды растворять ионные связи позволяет удерживать многие питательные вещества, химические вещества и минералы, необходимые для жизни на Земле. Однако он также позволяет растворять нежелательные примеси, такие как фторид, радий и стронций.

Для удаления этих нежелательных ионизированных веществ из воды используется ионный обмен.В IE загрязняющие вещества удаляются из воды путем обмена вредных веществ на более безопасные вещества, которые имеют такой же заряд, но не оказывают отрицательного воздействия.

Обычно системы IE имеют резервуар высокого давления, заполненный ионообменной смолой . Ионообменная смола состоит из очень мелких (часто полистирольных) шариков. Эти шарики диаметром около ½ миллиметра являются очень пористыми и сконструированы таким образом, чтобы к их структуре постоянно прикреплялись специальные ионы.

Когда вода протекает через фильтр IE, примеси, которые растворяются в виде ионов, притягиваются к фиксированным ионам на шариках смолы с более высоким сродством, чем противоионы.Это притяжение заставляет примеси прикрепляться к фиксированным ионам, заменяя противоионы. Чтобы смола оставалась нейтральной, противоионы должны оставлять шарики в сточной воде. Этот процесс позволяет нежелательным ионам оставаться в фильтре в обмен на не загрязняющие ионы, отсюда и термин «ионный обмен».

Важно отметить, что для правильной работы IE-фильтра входящие ионы должны иметь такой же заряд, как и противоионы. Поэтому важно установить заряд иона, который вы пытаетесь удалить, перед покупкой фильтра IE.

Домашние блоки IE обычно имеют два или три резервуара — один или два резервуара большего размера, заполненных смолой, и меньшего резервуара, заполненного солью или хлором, в зависимости от заряда противоионов. Бак меньшего размера используется для периодической регенерации смоляной среды. Когда вода проходит через смолу, шарики насыщаются загрязняющими веществами, пока не заменятся все противоионы. Когда это происходит, фильтр больше не может удалять загрязнения, и установка обычно запрограммирована на автоматическую промывку шариков IE солью или хлором.Это очищает систему от загрязняющих веществ и сбрасывает противоионы системы.

IE могут быть настроены на регенерацию через заданные интервалы времени; однако установка устройства на промывку в заранее установленное время означает, что система может регенерировать чаще или реже, чем необходимо. При регенерации чаще, чем необходимо, расходуется соль или хлор (и вода). Регенерирование реже, чем необходимо, делает сточные воды нечистыми. Более продвинутые и дорогие установки регенерируют на основе использования воды, что приводит к более высокой эффективности и меньшему количеству отходов.

Есть два типа ионообменных смол. Как следует из названия, катионообменные смолы используются для удаления положительно заряженных загрязняющих веществ, а анионообменные смолы используются для удаления отрицательно заряженных загрязняющих веществ. Поскольку фиксированные ионы могут быть только катионами или анионами, чтобы удалить из воды как катионы, так и анионы, вам потребуется два отдельных резервуара для каждой смолы.

Часто катионообменные смолы содержат сульфонаты (SO3-) в качестве фиксированных ионов и катионы натрия (Na⁺) в качестве подвижных противоионов. В анионообменных смолах обычно используются катионы четвертичного аммония (N⁺R3) в качестве фиксированных ионов и анионы хлора (Cl-) в качестве противоионов.

Умягчение воды — самый популярный процесс водоподготовки, используемый в жилых и коммерческих зданиях в США. Это основной подход к снижению жесткости воды, и на рынке существует несколько типов смягчителей воды.

Что такое жесткость воды?

Если ваши стаканы с водой мутные, волосы тусклые, а мыло не слишком мыльное, возможно, у вас жесткая вода. Хотя жесткая вода не является физически тяжелой, она вредна для вашей кожи, бытовых приборов и трубопроводов. Жесткость воды — это термин, обычно используемый для описания воды, содержащей большое количество положительно заряженных растворенных минералов. Твердость в основном относится к растворенному кальцию (Ca⁺⁺) и магнию (Mg), но может также включать другие металлические элементы, такие как железо (Fe⁺⁺) и марганец (Mn⁺⁺).

Чем больше в воде кальция и магния, тем выше степень жесткости. Для определения концентрации жесткости и степени жесткости воды используются три измерения:

Причины жесткости воды?

Вода, перемещаясь по Земле, растворяет многие минералы земной коры.Поэтому грунтовые воды часто являются жесткими, поскольку они содержат большие концентрации растворенного кальция и магния, которые очень часто встречаются в скалах и почве, а также вдоль морского дна.

Признаки жесткости воды

К счастью, жесткость воды не влияет на здоровье. Однако он имеет ряд эстетических и технических эффектов. Например, жесткость воды может привести к образованию накипи, которая может накапливаться в ваших трубопроводах, что приведет к снижению эффективности бытовых приборов, снижению расхода воды и даже закупорке труб.Кроме того, жесткость воды может влиять на ваше тело и самочувствие.

Признаки наличия жесткой воды:

Несмотря на, возможно, превосходный вкус жесткой воды, многие домохозяйства выбирают для установки умягчения воды, чтобы избежать этих дорогостоящие и досадные проблем.

Как работают смягчители воды?

Умягчители воды — это ионообменные устройства, которые смягчают воду за счет обмена ионов жесткости, в основном кальция (Ca⁺⁺) и магния (Mg⁺⁺), на ионы натрия (Na⁺). Поскольку кальций и магний являются катионами, для умягчения воды используется катионообменная смола. Эти катионообменные смолы содержат сульфонатные (SO3-) анионы в качестве фиксированных ионов и катионы натрия (Na⁺) в качестве противоионов. Соль калия (K⁺) также может использоваться в качестве противоиона. И калий, и натрий являются «мягкими» ионами, что означает, что они не осаждаются в виде накипи; это делает их оптимальными для ионного обмена.

Когда жесткая вода протекает через резервуар под давлением, ионы жесткости перемещаются в шарики смолы, прикрепляясь к фиксированным ионам и заменяя противоионы натрия. Поскольку и кальций, и магний двухвалентны, каждый ион жесткости заменяет два иона натрия, чтобы оставаться нейтральными. Этот обмен улавливает ионы жесткости в смоле, позволяя ионам натрия покидать смолу в сточных водах. Помимо кальция и магния, в процессе умягчения воды можно удалить железо (Fe⁺⁺) и марганец (Mn⁺⁺).

Обычно устройство для смягчения воды состоит из двух резервуаров, одного резервуара для катионита и одного резервуара для рассола меньшего размера.Когда шарики смолы станут полностью насыщенными ионами жесткости и весь натрий заменен, устройство должно регенерировать. Система промывается рассолом, который представляет собой раствор хлорида натрия, чтобы заменить все ионы жесткости ионами натрия. После завершения процесса рассол и ионы жесткости выводятся из выпускной трубы. Хотя процесс регенерации эффективен, он очень расточителен; средний умягчитель воды использует двадцать пять галлонов воды в день для регенерации.

Случаи использования смягчителей воды

Умягчители воды используются для удаления ионов жесткости и, конечно же, для смягчения воды! Использование мягкой воды для работы по дому, купания и снабжения домом дает множество преимуществ, в том числе:

Каково влияние фтора на питьевую воду?

Фторид (F-) естественным образом присутствует в грунтовых и поверхностных водах, так как он содержится в почве и коренных породах.В зависимости от концентрации фтор оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на здоровье человека. Известно, что при низких уровнях фторид снижает скорость деминерализации зубной эмали и предотвращает образование кариеса. Именно из-за этого многие общественные предприятия водоснабжения фторируют воду для улучшения здоровья зубов. Хотя польза от фторирования очевидна, в более высоких концентрациях фторид может иметь серьезные последствия для здоровья, например флюороз зубов и скелета. Чтобы предотвратить эти эффекты, используются несколько методов удаления избытка фторида из воды, включая ионный обмен.

Как ионный обмен удаляет фторид из воды?

Поскольку более 95% фтора в воде присутствует в виде фторида (F-), анионные смолы с сильным основанием в основном используются при дефторировании IE. Фиксированные ионы на смоле представляют собой катионы четвертичного аммония, а противоионы обычно представляют собой ионы хлора или хлорид (Cl-). Когда вода протекает через резервуар для смолы, ионы фтора, которые имеют более высокую электроотрицательность, чем хлорид, присоединяются к смоле в обмен на ионы хлорида. Этот процесс происходит до тех пор, пока смола не насыщается ионами фтора, после чего систему необходимо регенерировать, используя растворенную соль хлорида натрия.Во время регенерации смола перезаряжается хлорид-ионами, а вода, богатая фторидом, выгружается. Помимо анионообменных смол, для дефторирования можно использовать катионообменные смолы, обработанные раствором квасцов.

У дефторирования ионным обменом есть как плюсы, так и минусы:

Плюсы:

Минусы:

Какое действие радий оказывает на питьевую воду?

Радий — это радиоактивный элемент, который естественным образом находится в земной коре. Подземные воды могут содержать ионы радия (Ra⁺⁺) в зависимости от концентрации радия в близлежащих почвах и породах. Поскольку радий является радиоактивным элементом, при потреблении в высоких концентрациях радий может иметь негативные последствия для здоровья. Некоторые виды воздействия радия на здоровье включают:

Чтобы избежать этих эффектов, можно использовать ионный обмен для удаления радия из питьевой воды.

Как ионный обмен удаляет радий из воды?

Катионо-ионный обмен в виде смягчителей воды эффективно удаляет радий из воды. Подобно кальцию и магнию, радий (Ra⁺⁺) — двухвалентный ион. Однако он имеет большее сродство к электрону, что позволяет отфильтровывать его после того, как ионы жесткости больше не удаляются из воды. Несмотря на продолжающееся удаление радия, устройство следует регенерировать, когда ионы жесткости больше не удаляются, чтобы предотвратить образование накипи.Кроме того, радий, оставшийся на смоле, может распадаться на радон; поэтому важно периодически регенерировать блок хлоридом натрия (NaCl) или хлоридом калия (KCL) для продувки системы.

Каковы эффекты стронция в питьевой воде?

Стронций — щелочноземельный металл, который содержится в минералах стронцианите и целестине. Он растворяется в воде в виде солей стронция (Sr⁺⁺) и присутствует в питьевой воде, забираемой из подземных водоносных горизонтов.В высоких концентрациях стронций в питьевой воде имеет множество негативных последствий для здоровья. Воздействие стронция в младенчестве, детстве и подростковом возрасте может вызывать аномальный рост костей, а также поражение зубов. Кроме того, он может вызывать увеличение плотности костей у взрослых и был связан как с лейкемией, так и с раком костей. Следовательно, удаление стронция из питьевой воды является обязательным при обнаружении в высоких концентрациях.

Как ионный обмен удаляет стронций из воды?

Умягчители воды, описанные выше, эффективно снижают концентрацию стронция в питьевой воде.Исследование EPA 2015 года по удалению стронция IE показало, что умягчение воды эффективно удаляет стронций, помимо кальция и магния, с аналогичным процентом удаления между тремя ионами.

Еще вопросы?

Хотите больше информации? Свяжитесь с командой инженеров по качеству воды, экспертов по очистке и химиков Tap Score в любое время. Отправьте им сообщение на [email protected] , и они могут помочь.

Ионообменная смола — обзор

ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ И МОЮЩИЕ СРЕДСТВА

Ионообменные смолы находят очень широкое применение для умягчения воды, очистки морской воды, извлечения металлов из сточных вод и рек, отделения электролиты, редкоземельные элементы, изотопы и аминокислоты, при производстве продуктов питания, в аналитической химии и т. д.

Ионообменные смолы представляют собой сшитые высокомолекулярные соединения, которые содержат кислотные или основные группы, которые являются активными центрами этих смол. Получению, исследованию и применению ионообменных смол посвящена обширная литература [483, 744–753].

Фосфорсодержащие катионообменные смолы являются новыми и пока малоизученными; однако их основные особенности можно кратко описать здесь. Их преимуществами являются термическая стабильность, высокоселективное ионообменное действие и хорошая механическая прочность.

Это трехмерные высокомолекулярные соединения, содержащие свободные группы фосфоновой [-PO (OH) ₂ ] или фосфиновой [> PO (OH)] кислоты. Эти группы связаны с углеводородным скелетом либо напрямую (связь C-P) [469, 517, 518, 521, 524-528], либо через кислород (связь C-O-P) [483, 489, 490, 494,505, 506, 508, 516].

Фосфорсодержащие катионообменные смолы получают обработкой трехмерных полимеров ненасыщенных ароматических углеводородов трихлоридом фосфора в присутствии хлорида алюминия или обработкой полимеров, содержащих галогенированные метильные группы, триалкилфосфатами с последующим окислением. и гидролиз продуктов реакции [517, 518, 521, 524–527] (см. с.201, 202). С той же целью можно также использовать реакцию гидроксилсодержащих полимеров (поли (виниловый спирт), крахмал, целлюлоза и т. Д.) С фосфорилхлоридом, фосфорной кислотой или фосфатом мочевины [483, 489, 490, 494, 505, 506, 516] (см. Стр. 199, 200). Известны также получение таких ионообменных смол поликонденсацией альдегидов с арилоксиметилфосфоновыми кислотами [485] или с кислотными эфирами фосфорных кислот и ароматических полигидроксисоединений [483, 582]. Недавно было описано получение катионообменных смол фосфоновой кислоты сополимеризацией сложных эфиров винилфосфоновой кислоты с дивинилбензолом с последующим гидролизом полученного сополимера [469]; а также частичным гидролизом полимеров сложных эфиров некоторых кислот фосфора [173, 277].Катионообменные смолы фосфоновой кислоты используются для разделения щелочных металлов [754–756], урана [173, 528], меди [277, 757] и других металлов [757], для очистки некоторых пластификаторов ( эфиры фталевой кислоты) из смесей [758] и др. [759]. Очевидно, широкое применение имеют непрерывные процессы ионного обмена, которые могут осуществляться бесконечными лентами фосфорилированных тканей [505].

Недавно в США было выпущено несколько экспериментальных типов катионообменных смол фосфоновой кислоты.С.С.Р. [483, 453, 760] (RF, KF-1, KF-2, KF-3, KF-4) и в других странах [761] (Duolite S-60, S-61, S-62, S-65 , Пермутит XII).

Единственными известными фосфорсодержащими анионообменными смолами являются смолы, содержащие четвертичные фосфониевые группы [547].

Уникальные растворимые ионообменные смолы, нашедшие широкое промышленное применение (для соединения в строительных работах и ​​для приготовления синтетических моющих средств), представляют собой полифосфаты, годовое производство которых только в Соединенных Штатах достигает сотен тысяч тонн [ 762].

Что такое ионообменная смола и как она работает?

Хотя многие из нас слышали об ионообменных смолах (IX), немногие из нас понимают, как на самом деле работает эта технология. Независимо от того, взвешиваете ли вы потенциальные стратегии обработки, ищете способы максимально использовать имеющиеся у вас смолы IX или просто интересуетесь химическим составом IX, вы можете спросить «Что такое ионообменная смола и как она работает?»

Независимо от ваших целей, эта статья поможет вам принять более обоснованные решения в отношении правильных стратегий очистки воды для вашего предприятия, помогая лучше понять технологию смолы IX и то, как она удовлетворяет различные потребности в очистке и сепарации воды.

Что такое ионообменные смолы?

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой растворенные ионы удаляются из раствора и заменяются другими ионами с таким же или подобным электрическим зарядом. Не являясь химическим реагентом сама по себе, смола IX представляет собой физическую среду, которая способствует реакциям ионного обмена . Сама смола состоит из органических полимеров, которые образуют сеть углеводородов. По всей полимерной матрице расположены центры ионного обмена, где к полимерной сетке прикреплены так называемые «функциональные группы» либо положительно заряженных ионов (катионов), либо отрицательно заряженных ионов (анионов).Эти функциональные группы легко притягивают ионы с противоположным зарядом.

Геометрическая форма, размер и структура смол IX могут варьироваться от одного типа к другому. В большинстве систем обмена IX используется слой смолы, состоящий из крошечных пористых микрошариков, хотя в некоторых системах, например, используемых для электродиализа, используется пластиковая сетка из смолы. Шарики из смолы IX обычно маленькие и сферические, с радиусом всего от 0,25 до 1.Размер 25 миллиметров. В зависимости от области применения и конструкции системы шарики смолы могут иметь однородный размер частиц или распределение по гауссовскому размеру. В большинстве случаев используются шарики из гелевой смолы, которые имеют полупрозрачный вид, обладают высокой емкостью и химической эффективностью. Макропористые смолы, узнаваемые по непрозрачному белому или желтому цвету, обычно используются в сложных условиях, поскольку они обладают сравнительно большей стабильностью и химической стойкостью.

Матрица смолы IX образуется путем сшивания углеводородных цепей друг с другом в процессе, называемом полимеризацией.Сшивание придает полимерному полимеру более прочную, более упругую структуру и большую емкость (по объему). В то время как химический состав большинства смол IX представляет собой полистирол, некоторые типы производятся из акрила (акрилонитрила или метилакрилата). Затем полимерный полимер подвергается одной или нескольким химическим обработкам для связывания функциональных групп с участками ионного обмена, расположенными по всей матрице. Эти функциональные группы — это то, что придает смоле IX ее способность к разделению, и они будут значительно варьироваться от одного типа смолы к другому.К наиболее распространенным составам относятся:

• Сильные катионообменные смолы (SAC). Смолы SAC состоят из полистирольной матрицы с сульфонатной (SO ₃ ^—) функциональной группой, которая заряжена либо ионами натрия (Na ²⁺ ) для смягчения, либо ионами водорода (H ⁺ ) для деминерализации
• Слабокислотные катионообменные смолы (WAC). Смолы WAC состоят из акрилового полимера, который был гидролизован серной кислотой или каустической содой с образованием функциональных групп карбоновых кислот.Из-за их высокого сродства к ионам водорода (H ⁺ ) смолы WAC обычно используются для селективного удаления катионов, связанных с щелочностью.
• Сильноосновные анионообменные смолы (SBA). Смолы SBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию и аминированию для фиксации анионов на сайтах обмена. Смолы SBA типа 1 получают путем применения триметиламина, который дает хлорид-ионы (Cl ^— ), а смолы SBA типа 2 получают путем применения диметилэтаноламина, который дает гидроксид-ионы (OH ^—).
• Смолы со слабым основанием анионного обмена (WBA). Смолы WBA обычно состоят из полистирольной матрицы, которая подверглась хлорметилированию с последующим аминированием диметиламином. Смолы WBA уникальны тем, что они не содержат обменных ионов и поэтому используются в качестве поглотителей кислоты для удаления анионов, связанных с сильными минеральными кислотами.
• Хелатирующие смолы. Хелатирующие смолы являются наиболее распространенным типом специальных смол и используются для селективного удаления некоторых металлов и других веществ.В большинстве случаев матрица смолы состоит из полистирола, хотя для функциональных групп используются различные вещества, в том числе тиол, триэтиламмоний, аминофосфоний и многие другие.

Как работает ионообменная смола?

Чтобы полностью понять, как работают смолы IX, важно сначала понять принципы реакции ионного обмена. Проще говоря, ионный обмен — это обратимый обмен заряженных частиц (или ионов) на частицы с таким же зарядом. Это происходит, когда ионы, присутствующие в матрице нерастворимой смолы IX, эффективно меняются местами с ионами аналогичного заряда, которые присутствуют в окружающем растворе.

Смола IX функционирует таким образом благодаря своим функциональным группам, которые по существу представляют собой фиксированные ионы, которые постоянно связаны в полимерной матрице смолы. Эти заряженные ионы легко связываются с ионами противоположного заряда, которые доставляются путем нанесения раствора противоиона. Эти противоионы будут продолжать связываться с функциональными группами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Во время цикла IX обрабатываемый раствор добавляется к слою смолы IX, и ему дают возможность течь через шарики.По мере прохождения раствора через смолу IX функциональные группы смолы притягивают любые противоионы, присутствующие в растворе. Если функциональные группы имеют большее сродство к новым противоионам, чем те, которые уже присутствуют, то ионы в растворе вытеснят существующие ионы и займут их место, связываясь с функциональными группами посредством общего электростатического притяжения. В общем, чем больше размер и / или валентность иона, тем большее сродство он будет иметь с ионами противоположного заряда.

Давайте применим эти концепции к типичной системе умягчения воды IX. В этом примере механизм размягчения состоит из катионообменной смолы, в которой сульфонат-анионные функциональные группы (SO ₃ ^—) закреплены на матрице смолы IX. Затем на смолу наносят раствор противоиона, содержащий катионы натрия (Na ⁺ ). Na ⁺ удерживаются на фиксированных анионах SO ₃ ^— за счет электростатического притяжения, что приводит к чистому нейтральному заряду в смоле.Во время активного цикла IX к катионообменной смоле добавляется поток, содержащий ионы жесткости (Ca ²⁺ или Mg ²⁺ ). Поскольку функциональные группы SO ₃ ^— имеют большее сродство к катионам жесткости, чем к ионам Na ⁺ , ионы жесткости вытесняют ионы Na ⁺ , которые затем вытекают из блока IX как часть обработанный поток. С другой стороны, ионы жесткости (Ca ²⁺ или Mg ²⁺ ) удерживаются смолой IX.

Со временем ионы примесей связываются со всеми доступными центрами обмена в смоле IX. Когда смола исчерпана, ее необходимо восстановить для дальнейшего использования с помощью так называемого цикла регенерации. Во время цикла регенерации реакция IX по существу обращается вспять за счет применения концентрированного регенерирующего раствора. В зависимости от типа смолы и области применения регенерирующим агентом может быть раствор соли, кислоты или каустика.По мере продолжения цикла регенерации смола IX выделяет ионы загрязняющих веществ, заменяя их ионами, присутствующими в растворе регенерации. Ионы загрязняющих веществ будут выходить из системы IX как часть выходящего потока регенерирующего агента, и их необходимо будет надлежащим образом отвести. В большинстве случаев смолу промывают для удаления остатков регенерирующего агента перед следующим активным циклом IX.

SAMCO обладает более чем 40-летним опытом в определении подходящих технологий смол IX, которые помогают снизить затраты и объемы отходов при одновременном повышении качества продукции.Для получения дополнительной информации или связи, свяжитесь с нами здесь, чтобы назначить консультацию с инженером или запросить ценовое предложение. Мы поможем вам разработать правильное решение и реалистичную стоимость для вашей системы очистки IX.

Чтобы узнать больше об инновационных решениях смолы IX от SAMCO, посетите нашу страницу о технологиях ионообменных смол здесь.

Если вы хотите узнать больше об ионообменных смолах, эти статьи могут быть вам интересны:

Ионообменная смола — MEL Chemistry

Пошаговая инструкция

Приготовьте фильтр из ионообменной смолы.Чтобы повысить эффективность, слегка сожмите смолу с помощью ватных цилиндров и деревянной палочки.

Установите испытательный стенд.

Загрязнение воды сульфатом меди CuSO ₄ . Здесь медь выступает в роли нашего тяжелого металла.

Налейте немного загрязненной воды прямо в первый флакон. Он понадобится вам позже, чтобы оценить эффективность вашего фильтра.

Теперь проведите качественный тест на ионы меди Cu ²⁺ , добавив карбонат аммония (NH ₄ ) ₂ CO ₃ в пробирки.Если раствор содержит ионы меди, жидкость станет синей. Если вашему фильтру удалось очистить воду во втором флаконе, эта вода останется прозрачной.

Что произойдет, если нанести на фильтр немного карбоната аммония?

Вымойте флаконы, чтобы повторить эксперимент.

Ожидаемый результат

Ваш самодельный фильтр с ионообменной смолой очищает воду от ионов тяжелого металла — меди.

Реакция карбоната аммония (NH ₄ ) ₂ CO ₃ и ионов меди Cu ²⁺ изменяет цвет исходного раствора от светло-голубого до темно-индиго. Очищенная через фильтр проба воды остается бесцветной, что свидетельствует об эффективности фильтра.

Любые ионы меди, оставшиеся на ионообменной смоле, можно обнаружить, добавив в фильтр несколько капель карбоната аммония.

Вот это интересно!

Почему металлы заменяют друг друга?

Смола работает посредством ионного обмена — обратимого химического процесса, при котором происходит обмен ионов между твердым телом и раствором.В нашем случае отрицательно заряженные ионы жестко прикреплены к матрице зерен смолы. Эти ионы концентрируются на поверхности смолы. Они уравновешиваются положительно заряженными ионами, такими как Na ⁺ натрия, которые свободно перемещаются через поры смолы.

В воде сульфат меди CuSO ₄ распадается на ионы: положительно заряженный Cu ⁺² и отрицательно заряженный SO ^-4 . Когда загрязненный раствор проходит через смолу, поверхность смолы захватывает ионы металла Cu ⁺² , высвобождая ионы натрия Na ⁺ в раствор.Каждая крупинка смолы накапливает эти заряды до определенного предела, после чего ее необходимо очистить от ненужных заряженных частиц. Для этого через фильтр пропускают раствор поваренной соли NaCl, чтобы удалить ионы с поверхности смолы. Ионы-вредители смываются в канализацию, а свободное пространство снова заполняется ионами натрия. Это называется регенерацией или переработкой смолы.

Тяжелые металлы в воде

Тяжелые металлы — это семейство химических элементов, наиболее токсичных для человека, особенно если они присутствуют в довольно больших количествах.В воде они обычно существуют в виде положительно заряженных частиц (катионов) — возьмем, например, медь Cu ²⁺ , свинец Pb ²⁺ или железо Fe ³⁺ .

Интересно, что наш организм нуждается в определенных тяжелых металлах в небольших количествах, таких как железо Fe, цинк Zn, медь Cu и молибден Mo. Однако они могут быть вредными, если накапливаются в больших количествах. Между тем, такие тяжелые металлы, как свинец, кадмий и ртуть, даже в небольших количествах вредны для нашего организма.

Многие тяжелые металлы содержатся в воде в форме катионов. Их необходимо отфильтровать, чтобы вода стала питьевой. Для этого мы можем использовать фильтр из ионообменной смолы.

Удобный и недорогой метод тестирования производительности носителей.

Набор для тестирования колонок ResinTech используется для выполнения пилотных испытаний в лабораторном масштабе с ионообменными смолами, активированным углем или другими средами.Данные о производительности, полученные при испытаниях на колонке, можно использовать, чтобы судить о том, является ли ионообменная технология жизнеспособным процессом для удаления конкретного загрязнителя.
Стендовые тесты также полезны перед масштабированием до полноразмерной системы. Набор для тестирования колонок содержит одну или две полные лабораторные колонки и до четырех образцов среды. Каждый сосуд для образца на 16 унций содержит достаточно среды, по крайней мере, для одного теста на колонке.

Приобрести тестовые наборы для колонок

Набор для тестирования колонок содержит одну или две полные лабораторные колонки и до четырех образцов среды.Каждая колонка состоит из прозрачных акриловых трубок с внешним диаметром 1 дюйм и специально экранированным выпускным фитингом. Также предоставляется дополнительное разное оборудование, необходимое для соединения входа и выхода колонок с трубками, поставляемыми заказчиком. Колонки универсальны и специально разработаны для смол, углерода и адсорбентов, что обеспечивает простоту использования и простоту эксплуатации. Каждый сосуд для образца на 16 унций содержит достаточно среды, по крайней мере, для одного теста на колонке.

Инструкции по закупке:

1. Выберите набор для тестирования колонки, который лучше всего соответствует вашим потребностям (стандартный или расширенный), и добавьте его в корзину.
2. Выберите до четырех образцов мультимедиа; добавление каждого в корзину. *
3. Когда закончите, следуйте инструкциям в корзине для завершения покупки.

Служба технической поддержки ResinTech доступна по электронной почте или по телефону, чтобы помочь выбрать наиболее эффективные среды и рассчитать вероятную пропускную способность для большинства потенциальных загрязнителей. Наш технический персонал также может просмотреть результаты и порекомендовать любые дополнительные тестовые работы, необходимые для масштабирования.

* Можно выбрать другие образцы. Эти образцы будут отправлены отдельно от набора для тестирования колонки.

ДОКУМЕНТЫ —

> Образец таблицы данных колонки
> Инструкции для образца колонки

На главную

Ионный обмен — BioMineWiki

из BioMineWiki

Ионный обмен — это процесс, используемый для удаления растворенных ионов из раствора путем электростатической сорбции ионообменными материалами (чаще всего ионообменными смолами).Удаленные ионы заменяются эквивалентными количествами других ионов того же заряда. Ионный обмен чаще всего используется для целей очистки, но также широко применяется при разделении и извлечении ценных веществ. Деионизация воды и умягчение воды можно назвать наиболее распространенным применением. Однако спектр применений варьируется от крупномасштабного извлечения металлов в гидрометаллургических процессах до лабораторной очистки очень ценных белков.

Процесс

Ионы металлов, изначально содержащиеся в водном растворе, обмениваются с ионами, изначально содержащимися в твердом материале (большинство из них — в органической ионообменной смоле).Такой процесс называется катионным обменом и может быть проиллюстрирован реакцией

(1)

где R = ионообменник; A ⁺ = положительно заряженный ион металла; полоски указывают фазу ионообменника. Подобный процесс с участием анионов называется анионным обменом:

(2)

, где B ^— и Y ^— = анионы или отрицательно заряженные комплексы ионов металлов. Химическая селективность реакций (1) и (2) желательна, но не является обязательной. В отличие от многих других химических разделений, реакции (1) и (2) могут быть успешно использованы, даже если они сдвинуты в «неправильное» направление.Для достижения эффективного разделения применяются колоночные методы.

Ионообменные материалы

Существует большое разнообразие органических и неорганических ионообменных материалов. Органические материалы (например, ионообменные смолы) могут быть как катионообменниками, так и анионообменниками. Известны только катионообменные неорганические материалы (например, цеолиты). Органические смолы состоят из функциональных групп, связанных с различными полимерными каркасами (чаще всего с сшитым полистиролом). Неорганические материалы представляют собой отрицательно заряженные пористые структуры с обменными катионами, расположенными во внутренних пустотах.Подобно обычным кислотам, катиониты делятся на сильные и слабые катиониты в зависимости от типа функциональной группы, присоединенной к полимеру.

• Большинство типичных сильнокислотных обменников содержат сульфоновые группы (-SO ₃ ^— ). Такие материалы активны во всем диапазоне pH.
• Большинство слабокислотных обменников имеют карбоксильные группы (-COOH). Слабокислотные обменники неактивны при значениях pH ниже 4-6 (это значение существенно различается для разных материалов).Однако они часто обладают более высокой ионообменной емкостью, чем сильнокислотные обменники, а также имеют другие особые преимущества.

Аниониты делятся схожим образом на аниониты с сильным основанием и аниониты со слабым основанием.

• Сильные основные обменники имеют четвертичные аммониевые группы (-NR ₃ ⁺ ). Они активны во всем диапазоне pH.
• Обменники со слабым основанием имеют первичные (-NH ₂ ), вторичные (-NRH) и / или третичные (-NR ₂ ) аминогруппы.Слабые основные обменники не активны при щелочном pH. Однако во многих практических случаях они полезны.

Обычные операции ионного обмена

Чаще всего ионный обмен выполняется циклически. Каждый цикл разделен на следующие основные подпроцессы: сорбция, элюция и, в конечном итоге, регенерация. Следовательно, в большинстве методик растворы прокачиваются через колонку, заполненную ионообменной смолой.

• Сорбция: раствор, содержащий целевые ионы, медленно проходит через колонку.Ионы связываются со смолой. Ионы, изначально содержащиеся в теплообменнике, высвобождаются.
• Элюция (отгонка): целевые ионы впоследствии удаляются из загруженной смолы небольшим объемом элюента. Элюент заменяет и, следовательно, также высвобождает целевые ионы из смолы в фазу раствора.
• Регенерация: В зависимости от типа ионообменника и десорбирующего агента, ионообменник иногда необходимо регенерировать. Например, если на стадии сорбции используется катионит, загруженный ионами H ⁺ , но при элюировании ионы Na ⁺ остаются в фазе обменника, материал должен быть протонирован.Можно использовать сильную кислоту, чтобы преобразовать (регенерировать) обменник в исходное состояние.

Применяемость

Большой успех ионного обмена в области очистки и умягчения воды в определенном смысле дал «обратный эффект». Считается, что этот метод подходит почти только для очистки воды. Однако его можно успешно применять практически для любого разделения ионных, ионизируемых или локально заряжаемых веществ. Этот надежный метод позволяет успешно проводить разделение даже в неоптимизированных химических системах.Это одно из основных преимуществ по сравнению с конкурирующими технологиями, такими как экстракция растворителем.

Основное ограничение метода — экономичность. Процесс разделения недорогой, если он работает с низкой концентрацией ионов. Увеличение концентрации приводит к увеличению стоимости. Таким образом, конкурирующие методы (мембранное разделение, экстракция растворителем и т. Д.) Могут быть рассмотрены (но не обязательно предпочтительны) для обработки концентрированных растворов.