Реакции ионного обмена контрольная работа: Контрольная работа по теме «Растворы. Реакции ионного обмена»

Содержание

реакции ионного обмена и ОВР» (8 класс)

Контрольная работа № 5

Вариант 1

Задание 1.

Оксид углерода (II) или угарный газ () — это бесцветный нерастворимый в воде газ. Он является несолеобразующим оксидом и поэтому не взаимодействует ни с водой, ни с кислотами, ни со щелочами. Реакционная способность оксида углерода (II) связан с его восстановительной активностью. Он горит на воздухе синеватым пламенем. Его используют в промышленности в качестве восстановителя для получения металлов из их оксидов, например железа из оксида железа (III) (). Угарный газ очень ядовит. Он не имеет запаха и поэтому особенно опасен, поскольку отравление может произойти незаметно. Оксид углерода (II) легче, чем кислород, соединяется с гемоглобином крови и блокирует её способность переносить кислород.

Известен ещё один оксид углерода — углекислый газ или оксид углерода (IV) (). Этот газ используют в пищевой промышленности в значительных количествах для приготовления шипучих напитков, соды и мочевины. В промышленности углекислый газ образуется в различных процессах брожения, при обжиге известняка (). В лаборатории его можно получить, действуя на карбонаты различных металлов соляной () или серной кислотами. Также в больших количествах углекислый газ образуется при горении угля и углеродосодержащих веществ. Гидроксид натрия () поглощает углекислый газ и превращается в карбонат натрия (). Эта соль широко применяется в различных областях промышленности. Так, например, в пищевой промышленности карбонат натрия зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е500, используется в качестве регулятора кислотности, разрыхлителя, препятствующего комкованию и слёживанию продуктов питания.

Сложные неорганические вещества можно классифицировать по четырём группам, как показано на схеме. В эту схему для каждой из четырёх групп впишите по одной химической формуле веществ из числа тех, о которых говорится в приведённом тексте.

Сложные вещества

оксид

основание

кислота

соль

Задание 2.

1. Составьте молекулярное уравнение реакции взаимодействия гидроксида натрия и оксида углерода (IV).

2. Укажите, к какому типу (соединения, разложения, замещения, обмена) относится эта реакция.

Задание 3.

1. Составьте молекулярное уравнение реакции серной кислоты с карбонатом натрия, о которой говорилось в тексте;

2. Укажите признак(и), который(-е) наблюдается(-ются) при протекании этой реакции.

Задание 4.

Запишите молекулярное, полное и сокращённые ионные уравнения протекающей химической реакции взаимодействия гидроксида лития и хлорида меди.

Задание 5.

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1. Составьте электронный баланс этой реакции.

2. Укажите окислитель и восстановитель.

3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

Контрольная работа № 5

Вариант 2

Задание 1

В пищевой промышленности используется добавка Е338, которая представляет собой ортофосфорную кислоту (). Применяется она в основном как консервант, фиксатор цвета продуктов, регулятор кислотности.

Получение ортофосфорной кислоты можно проводить различными способами, один из которых заключается во взаимодействии оксида фосфора (V) () с водой. Эта реакция протекает столь активно, что оксид фосфора (V) часто используют в качестве осушителя воздуха в производственных помещениях.

При взаимодействии ортофосфорной кислоты со щелочами (например, с гидроксидом натрия или калия ), образуются её соли — ортофосфаты. Они также широко применяются в промышленности. Так, например, ортофосфат натрия () используется в составе чистящих и моющих средств, стиральных порошков и отбеливателей. Эти соединения часто используют для «смягчения» (устранения жёсткости) воды. Жёсткость воды обусловлена присутствием в ней растворимых солей кальция и магния (хлоридов, гидрокарбонатов и др.). Смягчение воды необходимо, поскольку использование жёсткой воды в промышленности вызывает появление осадка (накипи) на стенах котлов, в трубах, а также существенно увеличивает расход моющих средств.

Впишите по одной химической формуле веществ из числа тех, о которых говорится в приведённом тексте.

Сложные вещества

оксид

основание

кислота

соль

Задание 2.

1. Составьте молекулярное уравнение реакции взаимодействия оксида фосфора с водой;

2. Укажите, к какому типу (соединения, разложения, замещения, обмена) относится эта реакция.

Задание 3

1. Составьте молекулярное уравнение реакции взаимодействия гидроксида натрия с ортофосфорной кислотой;

2. Укажите признак, который наблюдается при протекании этой реакции.

Задание 4

Запишите молекулярное, полное и сокращённые ионные уравнения протекающей химической реакции взаимодействия гидроксида бария и карбоната калия.

Задание 5

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1. Составьте электронный баланс этой реакции.

2. Укажите окислитель и восстановитель.

3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

Контрольная работа № 5

Вариант 3

Задание 1

Железо — это блестящий, серебристо-белый, мягкий металл, с давних пор широко применяемый человеком. Известно большое количество руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (), магнитный железняк (), сидерит (), мелантерит (), вивианит (). Свойства соединений железа в значительной степени зависят от степени окисления железа. Так, в степени окисления +2 железо образует оксид (), который проявляет основные свойства, ему соответствует гидроксид (). Эти соединения способны реагировать с растворами сильных кислот, например с соляной кислотой () с образование хлорида железа (II) ().

Железо один из самых используемых металлов, на него приходится до 95% мирового металлургического производства. Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.

Впишите по одной химической формуле веществ из числа тех, о которых говорится в приведённом тексте.

Сложные вещества

оксид

основание

кислота

соль

Задание 2

1. Составьте молекулярное уравнение реакции оксида железа (II) с соляной кислотой;

2. Укажите, к какому типу (соединения, разложения, замещения, обмена) относится эта реакция.

Задание 3

1. Составьте молекулярное уравнение упомянутой в тексте реакции между гидроксидом железа и соляной кислотой;

2. Напишите признаки протекающей реакции.

Задание 4

Запишите молекулярное, полное и сокращённые ионные уравнения протекающей химической реакции взаимодействия хлорида кальция и нитрата серебра.

Задание 5

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1) Составьте электронный баланс этой реакции;

2) Укажите окислитель и восстановитель;

3) Расставьте коэффициенты и запишите получившееся уравнение реакции.

Контрольная работа № 5

Вариант 4

Задание 1

Железо — это блестящий, серебристо-белый, мягкий металл, с давних пор широко применяемый человеком. Известно большое количество руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (), магнитный железняк (), сидерит (), мелантерит (), вивианит (). При взаимодействии с неметаллами, например с хлором (), железо образует хлорид железа (III). Свойства соединений железа в значительной степени зависят от степени окисления железа. Так, в степени окисления +3 железо образует амфотерный оксид , который реагирует с раствором азотной кислоты () с образованием нитрата железа (III) (). Для качественного определения солей железа (III) можно использовать раствор гидроксида натрия (), так как в результате реакции выпадает осадок бурого цвета.

Химические формулы запишите в таблицу в следующем формате: Al2(SO4)3.

Сложные вещества

оксид

основание

кислота

соль

Задание 2

1. Составьте молекулярное уравнение реакции хлора с железом;

2. Укажите, к какому типу (соединения, разложения, замещения, обмена) относится эта реакция.

Задание 3

1. Составьте молекулярное уравнение упомянутой в тексте реакции между гидроксидом железа (III) и серной кислотой;

2. Напишите признаки протекающей реакции.

Задание 4.

Задание 5

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1) Составьте электронный баланс этой реакции;

2) Укажите окислитель и восстановитель;

3) Расставьте коэффициенты и запишите получившееся уравнение реакции.

Контрольная работа № 5

Вариант 5

Задание 1

Литий — мягкий лёгкий металл серебристо-белого цвета, наименее активный среди щелочных металлов. При окислении лития кислородом образуется соединение , которое активно взаимодействует с водой с образованием гидроксида лития (). Гидроксид лития проявляет свойства, характерные для щелочей: взаимодействует с кислотами и кислотными оксидами.

Примерно половина всего промышленно выпускаемого лития используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов. Ячейка такого аккумулятора состоит из двух электродов, разделённых пористым материалом, пропитанным раствором электролита. Один из электродов изготавливают из лития, а другой — из соединений кобальта или железа. Для приготовления растворов электролитов обычно используют сульфат лития () и органические растворители, например некоторые простые и сложные эфиры. Сульфат лития можно получить в результате взаимодействия гидроксида лития с серной кислотой ().

Впишите по одной химической формуле веществ из числа тех, о которых говорится в приведённом тексте.

Сложные вещества

оксид

основание

кислота

соль

Задание 2

1. Составьте молекулярное уравнение реакции взаимодействия лития с кислородом;

2. Укажите, к какому типу (соединения, разложения, замещения, обмена) относится эта реакция.

Задание 3

1. Составьте молекулярное уравнение реакции гидроксида лития с любой кислотой;

2. Укажите признак, который наблюдается при протекании этой реакции.

Задание 4

Запишите молекулярное, полное и сокращённые ионные уравнения протекающей химической реакции взаимодействия сульфата натрия и хлорида свинца (II).

Задание 5

Дана схема окислительно-восстановительной реакции:

1. Составьте электронный баланс этой реакции.

2. Укажите окислитель и восстановитель.

3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции.

Литература

1. https://chem11-vpr.sdamgia.ru/?redir=1

2. http://www.hemi.nsu.ru/

3. https://chemistry.ru/textbook/content.html

Тренировочная работа по химии “Реакции ионного обмена” 9 класс 👍

1. Реакции ионного обмена идут до конца, если образуется малодиссоциирующее вещество:

А)выпадает осадок,

Б)выделяется газ ( H 2 S, CO 2 ( H 2 CO 3 ) , SO 2 ( H 2 SO 3 ) , NH 3 ( NH 4 OH )),

В)образуется вода.

2. Не забывайте при написании уравнений в ионном виде проверять все вещества на растворимость.

3. Нерастворимые вещества на ионы не диссоциируют. Малорастворимые считаются растворимыми, если записаны ДО реакции, нерастворимыми, если записаны ПОСЛЕ реакции

1.Записать уравнения в молекулярном, ионном полном и ионном сокращенном виде.

Указать

уравнения, которые идут до конца.

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

HNO3 + KOH = KNO3 + h3O

Na2S + h3SO4 = Na2SO4 + h3S↑

CaO + HNO3 = Ca(NO3)2 + h3O.

Mg(OH)2 + h4PO4 = Mg3(PO4)2 + h3O.

Al2(SO4)3 + BaCl2 = BaSO4 + AlCl3

2. Какой из приведенных реакций Не соответствует Сокращенное ионное уравнение: Ba2+ + SO42- = BaSO4?

1) BaCl2 + h3SO4 = BaSO4 + 2HCl

2) Ba(OH)2 + h3SO4 = BaSO4 + 2h3O

3) 3BaCl2 + Al2(SO4)3 = 3BaSO4 + 2AlCl3

4) Ba(NO3)2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KNO3

1. Реакции ионного обмена идут до конца, если образуется малодиссоциирующее вещество:

А)выпадает осадок,

Б)выделяется газ ( H 2 S, CO 2 ( H 2 CO 3 ) , SO 2 ( H 2 SO 3 ) , NH 3 ( NH 4 OH )),

В)образуется вода.

2. Не забывайте при написании уравнений в ионном виде проверять все вещества

на растворимость.

1.Записать уравнения в молекулярном, ионном полном и ионном сокращенном виде.

Указать уравнения, которые идут до конца.

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

HNO3 + KOH = KNO3 + h3O

Na2S + h3SO4 = Na2SO4 + h3S↑

CaO + HNO3 = Ca(NO3)2 + h3O.

Mg(OH)2 + h4PO4 = Mg3(PO4)2 + h3O.

Al2(SO4)3 + BaCl2 = BaSO4 + AlCl3

2. Какой из приведенных реакций Не соответствует Сокращенное ионное уравнение: Ba2+ + SO42- = BaSO4?

1) BaCl2 + h3SO4 = BaSO4 + 2HCl

2) Ba(OH)2 + h3SO4 = BaSO4 + 2h3O

3) 3BaCl2 + Al2(SO4)3 = 3BaSO4 + 2AlCl3

4) Ba(NO3)2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KNO3

1. Реакции ионного обмена идут до конца, если образуется малодиссоциирующее вещество:

А)выпадает осадок,

Б)выделяется газ ( H 2 S, CO 2 ( H 2 CO 3 ) , SO 2 ( H 2 SO 3 ) , NH 3 ( NH 4 OH )),

В)образуется вода.

2. Не забывайте при написании уравнений в ионном виде проверять все вещества на растворимость.

1.Записать уравнения в молекулярном, ионном полном и ионном сокращенном виде.

Указать уравнения, которые идут до конца.

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

HNO3 + KOH = KNO3 + h3O

Na2S + h3SO4 = Na2SO4 + h3S↑

CaO + HNO3 = Ca(NO3)2 + h3O.

Mg(OH)2 + h4PO4 = Mg3(PO4)2 + h3O.

Al2(SO4)3 + BaCl2 = BaSO4 + AlCl3

2. Какой из приведенных реакций Не соответствует Сокращенное ионное уравнение: Ba2+ + SO42- = BaSO4?

1) BaCl2 + h3SO4 = BaSO4 + 2HCl

2) Ba(OH)2 + h3SO4 = BaSO4 + 2h3O

3) 3BaCl2 + Al2(SO4)3 = 3BaSO4 + 2AlCl3

4) Ba(NO3)2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KNO3

1. Реакции ионного обмена идут до конца, если образуется малодиссоциирующее вещество:

А)выпадает осадок,

Б)выделяется газ ( H 2 S, CO 2 ( H 2 CO 3 ) , SO 2 ( H 2 SO 3 ) , NH 3 ( NH 4 OH )),

В)образуется вода.

2. Не забывайте при написании уравнений в ионном виде проверять все вещества на растворимость.

1.Записать уравнения в молекулярном, ионном полном и ионном сокращенном виде.

Указать уравнения, которые идут до конца.

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

HNO3 + KOH = KNO3 + h3O

Na2S + h3SO4 = Na2SO4 + h3S↑

CaO + HNO3 = Ca(NO3)2 + h3O.

Mg(OH)2 + h4PO4 = Mg3(PO4)2 + h3O.

Al2(SO4)3 + BaCl2 = BaSO4 + AlCl3

2. Какой из приведенных реакций Не соответствует Сокращенное ионное уравнение: Ba2+ + SO42- = BaSO4?

1) BaCl2 + h3SO4 = BaSO4 + 2HCl

2) Ba(OH)2 + h3SO4 = BaSO4 + 2h3O

3) 3BaCl2 + Al2(SO4)3 = 3BaSO4 + 2AlCl3

4) Ba(NO3)2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KNO3

3. Какой из приведенных реакций соответствует сокращенное ионное уравнение Ca2+ + CO32- = CaCO3?

1) CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

2) Ca(OH)2 + CO2 + CaCO3 + h3O

3) Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + h3O

4) CaO + CO2 = CaCO3

4. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выпадением осадка и образованием воды?

1) Нитрат калия и хлорид кальция

2) карбонат бария и соляная кислота

3) гидроксид бария и соляная кислота

4) гидроксид бария и серная кислота

5. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выделением газа и образованием воды?

1) сульфид натрия и соляная кислота

2) силикат натрия и соляная кислота

3) карбонат натрия и соляная кислота

4) хлорид натрия и серная кислота

6. Какая пара ионов не может одновременно присутствовать в растворе?

1) Cu2+ и Cl – 2) Cu2+ и S2-

3) Al3+ и SO4 2- 4) Zn2+ и NO3-

7. При сливании каких двух растворов в воде практически не остается ионов?

1) BaCl2 и Na2SO4 2) h3SO4 и Ba(OH)2

3) HNO3 + Ba(OH)2 4) HCl + Ba(OH)2

8.При добавлении какого вещества к раствору гидроксида натрия происходит выделение газа?

1) Nh5Cl 2) CuCl2 3) ZnSO4 4) h4PO4

3. Какой из приведенных реакций соответствует сокращенное ионное уравнение Ca2+ + CO32- = CaCO3?

1) CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

2) Ca(OH)2 + CO2 + CaCO3 + h3O

3) Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + h3O

4) CaO + CO2 = CaCO3

4. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выпадением осадка и образованием воды?

1) Нитрат калия и хлорид кальция

2) карбонат бария и соляная кислота

3) гидроксид бария и соляная кислота

4) гидроксид бария и серная кислота

5. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выделением газа и образованием воды?

1) сульфид натрия и соляная кислота

2) силикат натрия и соляная кислота

3) карбонат натрия и соляная кислота

4) хлорид натрия и серная кислота

6. Какая пара ионов не может одновременно присутствовать в растворе?

1) Cu2+ и Cl – 2) Cu2+ и S2-

3) Al3+ и SO4 2- 4) Zn2+ и NO3-

7. При сливании каких двух растворов в воде практически не остается ионов?

1) BaCl2 и Na2SO4 2) h3SO4 и Ba(OH)2

3) HNO3 + Ba(OH)2 4) HCl + Ba(OH)2

8.При добавлении какого вещества к раствору гидроксида натрия происходит выделение газа?

1) Nh5Cl 2) CuCl2 3) ZnSO4 4) h4PO4

3. Какой из приведенных реакций соответствует сокращенное ионное уравнение Ca2+ + CO32- = CaCO3?

1) CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

2) Ca(OH)2 + CO2 + CaCO3 + h3O

3) Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + h3O

4) CaO + CO2 = CaCO3

4. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выпадением осадка и образованием воды?

1) Нитрат калия и хлорид кальция

2) карбонат бария и соляная кислота

3) гидроксид бария и соляная кислота

4) гидроксид бария и серная кислота

5. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выделением газа и образованием воды?

1) сульфид натрия и соляная кислота

2) силикат натрия и соляная кислота

3) карбонат натрия и соляная кислота

4) хлорид натрия и серная кислота

6. Какая пара ионов не может одновременно присутствовать в растворе?

1) Cu2+ и Cl – 2) Cu2+ и S2-

3) Al3+ и SO4 2- 4) Zn2+ и NO3-

7. При сливании каких двух растворов в воде практически не остается ионов?

1) BaCl2 и Na2SO4 2) h3SO4 и Ba(OH)2

3) HNO3 + Ba(OH)2 4) HCl + Ba(OH)2

8.При добавлении какого вещества к раствору гидроксида натрия происходит выделение газа?

1) Nh5Cl 2) CuCl2 3) ZnSO4 4) h4PO4

3. Какой из приведенных реакций соответствует сокращенное ионное уравнение Ca2+ + CO32- = CaCO3?

1) CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

2) Ca(OH)2 + CO2 + CaCO3 + h3O

3) Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + h3O

4) CaO + CO2 = CaCO3

4. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выпадением осадка и образованием воды?

1) Нитрат калия и хлорид кальция

2) карбонат бария и соляная кислота

3) гидроксид бария и соляная кислота

4) гидроксид бария и серная кислота

5. Реакция между какой парой веществ сопровождается одновременным выделением газа и образованием воды?

1) сульфид натрия и соляная кислота

2) силикат натрия и соляная кислота

3) карбонат натрия и соляная кислота

4) хлорид натрия и серная кислота

6. Какая пара ионов не может одновременно присутствовать в растворе?

1) Cu2+ и Cl – 2) Cu2+ и S2-

3) Al3+ и SO4 2- 4) Zn2+ и NO3-

7. При сливании каких двух растворов в воде практически не остается ионов?

1) BaCl2 и Na2SO4 2) h3SO4 и Ba(OH)2

3) HNO3 + Ba(OH)2 4) HCl + Ba(OH)2

8.При добавлении какого вещества к раствору гидроксида натрия происходит выделение газа?

1) Nh5Cl 2) CuCl2 3) ZnSO4 4) h4PO4

Самостоятельная работа по Химии «Реакции ионного обмена» 8 класс

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 1.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Na₂CO₃=

AlCl₃=

Ba(OH)₂=

H₂SO₃=

2.Напишите у равнения следующих реакций в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном виде. Укажите реакцию, которая не идет в растворе, объясните почему?

а) NaOH + H₃PO₄=

б) Na₂CO₃+ H₂SO₄=

в) NaOH + Ba(NO₃)₂=

г) AgNO₃+ HCl=

3. Напишите возможные полные ионные и молекулярные уравнения реакций, для которых имеются следующие сокращенные ионные уравнения.

Ba²⁺+ SO₄^2-= BaSO₄

_________________________________________________________________________________

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 2.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Ba(NO₃)₂=

HNO₃=

NaOH=

K₂CO₃=

а) KOH + BaSO₄=

б) NaOH+ H₂S=

в) AlCl₃ + KOH=

г) MgCl₂+NaOH=

Ag⁺+ Cl^—= AgCl

_________________________________________________________________________________

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 3.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Al(NO₃)₃=

Li₂SO₄=

KOH=

Na₃PO₄=

а) Na₂SO₄+ BaCl₂=

б) NaOH+ FeCl₃=

в) CuCl₂ + H₂SO₄=

г) CuSO₄+NaOH=

H⁺+ OH^—= H₂O

Контрольная работа по химии. 9 класс. ТЭД. Реакции ионного обмена..

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант I.

Какой вклад в химию внес С. Аррениус?

Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: электролит, гидратация, ион, кислоты, соли.

Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

гидроксид калия, нитрат меди (II), серная кислота, сульфат натрия.

А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Mg(NO3)2+ Na2SO3=

2) NaCl + KNO3=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Zn2++ CO32-= ZnCO3↓

2) H+ + OH-= h3O

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант II.

1. Какой вклад в химию внес Каблуков И.А.?

2. Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: неэлектролит, растворение, катион, основания, степень диссоциации.

3. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

гидроксид бария, нитрат алюминия, соляная кислота, сульфат магния.

4. А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Pb(NO3)2+ Na2SO4=

2) Na2S + Ca(NO3)2=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Ba2++ CO32-= BaCO3↓

2) Al3+ + PO43-= AlPO4↓

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант III.

1. Какой вклад в химию внес Каблуков И.А. и Кистяковский В.А.?

2. Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: электролитическая диссоциация, гидратация, анион, соли, основания.

3. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

хлорид магния, карбонат калия, азотная кислота, гидроксид магния.

4. А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Cu(NO3)2+ Na2S =

2) Na2S + AgNO3=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Ba2++ SiO32-= BaSiO3↓

2) Fe3+ + PO43-= FePO4↓

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант IV.

1. Какой вклад в химию внес С. Аррениус?

2. Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: электролит, растворение, ион, кислота, степень диссоциации.

3. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

гидроксид калия, нитрат меди (II), серная кислота, сульфат натрия

4. А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Ba(NO3)2+ Na2SO4=

2) NaOH + Ba(NO3)2=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Ca2++ CO32-= CaCO3↓

2) Ca2+ + 2F-= CaF2↓

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант V.

1. Какой вклад в химию внес Каблуков И.А. и Кистяковский В.А.?

2. Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: электролит, гидратация, ион, кислоты, соли.

3. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

гидроксид бария, нитрат алюминия, соляная кислота, сульфат магния.

4. А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Cu(NO3)2+ Na2S =

2) Na2S + AgNO3=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Ba2++ SiO32-= BaSiO3↓

2) Fe3+ + PO43-= FePO4↓

Контрольная работа №1

Электролитическая диссоциация. Ионные уравнения.

Вариант VI.

1. Какой вклад в химию внес Каблуков И.А.?

2. Дайте определения следующим понятиям в свете ТЭД: электролитическая диссоциация, растворение, анион, соли, степень диссоциации.

3. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ:

гидроксид калия, хлорид алюминия, ортофосфорная кислота, сульфат магния.

4. А) Напишите уравнения реакций в полном и сокращенном ионном виде:

1) Pb(NO3)2+ Na2SO4=

2) Na2S + Ca(NO3)2=

Б) Напишите для сокращенной ионной формы молекулярное уравнение:

1) Mg2++ 2OH-= Mg(OH)2↓

2) Al3+ + PO43-= AlPO4↓

Самостоятельная работа по теме Реакции ионного обмена 8 класс

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 1.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Na₂CO₃=

AlCl₃=

Ba(OH)₂=

H₂SO₃=

а) NaOH + H₃PO₄=

б) Na₂CO₃+ H₂SO₄=

в) NaOH + Ba(NO₃)₂=

г) AgNO₃+ HCl=

B a²⁺+ SO₄^2-=BaSO₄

_________________________________________________________________________________

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 2.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Ba(NO₃)₂=

HNO₃=

NaOH=

K₂CO₃=

а) KOH + BaSO₄=

б) NaOH+ H₂S=

в) AlCl₃ + KOH=

г) MgCl₂+NaOH=

A g⁺+ Cl^—= AgCl

_________________________________________________________________________________

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 3.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Al(NO₃)₃=

Li₂SO₄=

KOH=

Na₃PO₄=

а) Na₂SO₄+BaCl₂=

б) NaOH+ FeCl₃=

в) CuCl₂ + H₂SO₄=

г) CuSO₄+NaOH=

H⁺+ OH^—= H₂O

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/63686-samostojatelnaja-rabota-po-teme-reakcii-ionno

Контрольная работа №5: «Растворение. Растворы».

Просмотр содержимого документа
«Контрольная работа №5: «Растворение. Растворы».»

Контрольная работа №5.

«Растворение. Растворы. Реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные».

по химии 8 класс

Вариант – I

А1. В химической реакции CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl вещество, которое выпадает в осадок:

1) CaCO3 2) NaCl 3) такого вещества нет

А2. Вещество К2СО3 диссоциирует на ионы:

1) Al⁺ + 3СО^— 2) 2К⁺ + СО3^2- 3) Na2⁺ + СО3^2-

А3. Бескислородная кислота имеет формулу:

1) h3CO3 2) h3SiO3 3) h3S 4) h4PO4

А4. Нерастворимой кислотой является:

1) фосфорная 2) соляная 3) азотная 4) кремниевая

А5. От чего НЕ зависит растворимость твердых веществ?

1) от природы растворителя 2) от природы растворенного вещества

4) от сосуда 3) от температуры

А6. Окислитель: 1)повышает свою степень окисления 2) понижает свою степень окисления

А7. Восстановитель: 1)повышает свою степень окисления 2) понижает свою степень окисления

А8. В результате ионных реакций образуется:

1)осадок 2)газ 3)вода 4)все перечисленное

В1. Установите соответствие

Кислотный оксид	Кислота
А). N₂O₅	2) HNO₃
Б). SO₃	1) H₂SO₄
В). SiO₂	3) H₂SiO₃
Г). Mn2O7	4) HMnO4

С1. Закончите молекулярные уравнения и запишите соответствующие им ионные уравнения:

NаОН + СuSО4 =

Контрольная работа №5.

«Растворение. Растворы. Реакции ионного обмена и окислительно-восстановительные».

по химии 8 класс

Вариант – II

А1. В химической реакции MgCl2 + 2NaОН = Mg(ОН)2 + 2NaCl вещество, которое выпадает в осадок:

1) Mg(ОН)2 2) NaCl 3) такого вещества нет

А2. Вещество Na2SO4 диссоциирует на ионы:

1) 2Аl⁺ + 4SO^2- 2) 2Na⁺ + SO4^2- 3) К2⁺ + SO4^2-

А3. Бескислородная кислота имеет формулу:

1) h3CO3 2) h3SO3 3) HI 4) h4PO4

А4. Растворимым основанием является:
1) Сu(ОН)2 2) Fe(OH)2 3) Mg(OH)2 4)NaOH.

А5. От чего зависит растворимость твердых веществ?

1) от температуры 3) от посуды

2) от сосуда 4) от пробирки

А6. Окислитель: 1)повышает свою степень окисления 2) понижает свою степень окисления

А7. Восстановитель: 1)повышает свою степень окисления 2) понижает свою степень окисления

А8. В результате ионных реакций образуется:

1)осадок 2)газ 3)вода 4)все перечисленное

В1. Установите соответствие

Кислотный оксид	Кислота
А). Mn2O7	2) HMnO4
Б). SO₃	1) H₂SO₄
В). SiO₂	3) H₂SiO₃
Г). N₂O₅	4) HNO₃

С1. Закончите молекулярные уравнения и запишите соответствующие им ионные уравнения:

KОН + MgSО4 =

Контрольная работа «Реакции ионного обмена и овр»

1 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

1. Определите возможность протекания реакций и для возможных составьте молекулярные, полные ионные и сокращённые ионные уравнения.

А) NaCl и AgNO3,

Б)CaCl2 и NaNO3,

В) BaCl2 и Na2SO4

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А)SO3 2-+2H+= h3O + SO2

Б) Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2

1. Даны схемы:

А)Fe2+ +2OH-

Б)2H+ + CO32-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

SO2+ O2 SO3

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

SO2+ h3S S + h3O

2. Определите степень окисления данных элементов в уравнении, укажите окислитель и восстановитель и расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

Au + HNO3+ HCl AuCl3 + NO2 + h3O

3. К раствору, содержащему 2 моль гидроксида натрия прилили раствор, содержащий 2,5 моль соляной кислоты. Какой будет реакция среды после реакции и вычислите какое количество соли образовалось.

3. К 300 г оксида железа (III) добавили раствор соляной кислоты , содержащий 200 г хлороводорода. Вычислите массу образовавшейся соли.

3. Вычислите объём выделившегося газа при н.у., если к 50 г карбоната кальция прилили 120 г раствора, содержащего 35 % хлороводорода.

Контрольная работа по теме: «ОВР и реакции ионного обмена»

2 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

А) FeCl2 и KOH,

Б)BaCl2 и KNO3,

В) HCl и Na2CO3

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А)CO3 2-+2H+= h3O + CO2

Б)Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3

1. Даны схемы:

А)Cu2+ +2OH-

Б)H+ + OH-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

FeCl2+ Cl2 FeCl3

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

P + h3O h4PO3 + Ph4

HNO3+ h3S S + NO2 + h3O

3. К раствору, содержащему 5 моль гидроксида натрия прилили раствор, содержащий 5,5 моль азотной кислоты. Какой будет реакция среды после реакции и вычислите какое количество соли образовалось.

3. В воде растворили 27 г хлорида меди (II) и добавили 9,52 г железных опилок. Будет ли находится в растворе соль меди после завершения реакции.

3. К 6,5 г цинка добавили раствор массой 150 г соляной кислоты с массовой долей 20 %. Вычислите объём водорода, который может быть получен при этом..

Контрольная работа по теме: «ОВР и реакции ионного обмена»

3 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

А) HCl и KOH,

Б)FeCl2 и KNO3,

В) CuSO4 и Na2CO3

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А)CO3 2-+Ca2+= CaCO3

Б)Ba2+ + SO42- = BaSO4

1. Даны схемы:

А)Zn2+ +2OH-

Б)H+ + OH-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

P + Cl2 PCl5

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

S + h3SO4 SO2 + h3O

HBr+ h3SO4 + SO2 + h3O+ Br2

3. К раствору, содержащему 2.5 моль гидроксида бария прилили раствор, содержащий 1,5моль серной кислоты. Какой будет реакция среды после реакции и вычислите какое количество соли образовалось.

3. Для реакции взяли 4 г водорода и 4 г кислорода. Определите массу воды, которая будет получена.

3. К раствору массой 200 г с массовой долей серной кислоты 8 % прилили раствор гидроксида натрия массой 50 г и массовой долей NaOH 12%. Какова масса соли, которая будет выделена из раствора.

Контрольная работа по теме: «ОВР и реакции ионного обмена»

4 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

А) HCl и AgNO3,

Б) Na2CO3 и KNO3,

В) CuO и HNO3

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А)S 2- + Cu2+= CuS

Б)Ca2+ + SO42- = BaSO4

1. Даны схемы:

А)SO2 +2OH- SO32- + h3O

Б)Ni2+ +2OH-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

MnO2 + h3 Mn + h3O

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

Nh4+ CrO3 N2 + h3O + Cr2O3

h3S+ HNO3 S+ NO + h3O

3. К раствору, содержащему 5 моль гидроксида бария прилили раствор, содержащий 3моль aзотной кислоты. Какой будет среда после реакции и вычислите какое количество соли образовалось.

3. Серу массой 8 г сплавили с 10,5 г железа. Вычислите массу образовавшейся соли.

3. К 60 мл раствора соляной кислоты с массовой долей HCl 20% и плотностью 1,1 г/мл добавили 13 г цинка. Рассчитайте массу хлорида цинка.

Контрольная работа по теме: «ОВР и реакции ионного обмена»

5 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

А) KBr и AgNO3,

Б) Na2CO3 и KCl,

В) Cu(OH)2 и HNO3

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А) Zn2+ + 2OH-= Zn(OH)2

Б)Ba2+ + CO32- = BaCO3

1. Даны схемы:

А)…..+….. SO2 + h3O

Б) Fe2+ +2OH-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

N2 + h3 Nh4

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

C + P2O5 P + CO

S+ HNO3 h3SO4+ NO + h3O

3. К раствору, содержащему 3 моль гидроксида бария прилили раствор, содержащий 2 моль cоляной кислоты. Какой будет реакция среды и вычислите какое количество соли образовалось.

3. 5 г оксида магния обработали раствором, содержащим 40 г азотной кислоты. Какая масса соли образовалось при этом.

3. Какой объём газа выделится ( н.у.) при сливании 150 г 30% -ной соляной кислоты с раствором карбоната натрия, содержащим 0,5 моль этой соли.

Контрольная работа по теме: «ОВР и реакции ионного обмена»

6 вариант

1 уровень

уровень

3 уровень

А) KBr и NaNO3,

Б) Na2CO3 и CaCl2,

В) KOH и Zn(NO3)2

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения, соответствующие сокращённым.

А) 2H + +SiO32-= h3SiO3

Б)Al3+ + 3OH- = Al(OH)3

1. Даны схемы:

А)Cu(OH)2 + 2H+ Cu2++ h3O

Б) Fe2+ +2OH-

Составьте уравнения реакций, согласно схеме в молекулярном и ионном виде.

2. Расставьте коэффициенты в окислительно – восстановительной реакции.

Al + HCl AlCl3+ h3

2. Расставьте степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель в данной реакции.

Ca+ V2O5 V + CaO

SO2+ HNO3 + h3O h3SO4+ NO

3. К раствору, содержащему 1 моль гидроксида бария прилили раствор, содержащий 2 моль азотистой кислоты. Какой будет реакция среды и вычислите какое количество соли образовалось.

3. К раствору, содержащему 20 г гидроксида натрия прилили раствор, содержащий 33 г хлороводорода. Какой будет среда раствора после окончания реакции.

3. Какой объём газа выделится ( н.у.) при сливании 150 г 30% -ной серной кислоты с раствором карбоната натрия, содержащим 0,5 моль этой соли.

Похожие образовательные материалы:

Ионообменная реакция | химическая реакция

Реакция ионного обмена , любая из класса химических реакций между двумя веществами (каждое из которых состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, называемых ионами), которая включает обмен одним или несколькими ионными компонентами.

Британская викторина

Типы химических реакций

Можете ли вы определить, какой тип химической реакции показан? Проверьте свои знания с помощью этой викторины!

Ионы — это атомы или группы атомов, несущие положительный или отрицательный электрический заряд.В парах или других множествах они составляют вещество многих кристаллических материалов, включая поваренную соль. Когда такое ионное вещество растворяется в воде, ионы освобождаются — в значительной степени — от ограничений, удерживающих их внутри жесткого массива кристалла, и перемещаются в растворе с относительной свободой. Некоторые нерастворимые материалы, несущие положительные или отрицательные заряды на своей поверхности, вступают в реакцию с ионными растворами, избирательно удаляя различные ионы, заменяя их ионами других типов.Такие процессы называются реакциями ионного обмена. Они используются множеством способов для удаления ионов из раствора и для отделения ионов разных типов друг от друга. Такие разделения широко используются в научных лабораториях для очистки и анализа неизвестных смесей. Ионообменные материалы, такие как цеолиты, также используются в коммерческих целях для очистки воды (среди прочего) и в медицине в качестве искусственных почек и для других целей.

Ранняя история

Удивительно, но признание ионообменных процессов предшествовало великому шведскому химику Сванте Аррениусу, который сформулировал ионную теорию.В 1850 году, за девять лет до рождения Аррениуса, в журнале Королевского сельскохозяйственного общества Англии были опубликованы отдельные статьи агронома сэра Х.С.М. Томпсон и химик Дж. Способ описания явления ионного обмена, происходящего в почвах. В своей статье, озаглавленной «О способности почвы поглощать навоз», Уэй обратился к вопросу о том, как растворимые удобрения, такие как хлорид калия, удерживаются почвой даже после сильных дождей. Уэй взял ящик с отверстием в дне, наполнил его землей и вылил на нее раствор хлорида калия, собирая жидкость, стекающую со дна.Затем он промыл почву дождевой водой и проанализировал собранную воду как из раствора, так и из дождевой воды. Оказалось, что вода содержит весь хлорид, который был добавлен изначально, но не содержит калия; калий был заменен химически эквивалентными количествами магния и кальция. Уэй назвал процесс «базовым обменом» из-за основного (некислотного) характера обмениваемых элементов. Этот термин сохранялся до 1940 г., когда процесс стал широко известен как ионный обмен.

Говоря современным языком, процесс можно описать следующим образом: ионы калия попадают в почву и вытесняют ионы кальция и магния. Ионы хлора не участвуют в работе и проходят без изменений. В терминах химического уравнения процесс 2K ⁺ + Ca ²⁺ (почва) ⇌ Ca ²⁺ + 2K ⁺ (почва), в котором двойная стрелка указывает, что обмен является обратимым. В эксперименте Уэя процесс был доведен до завершения (то есть равновесие было сдвинуто вправо), потому что вода, просачивающаяся через почву, постоянно контактировала со свежей, насыщенной кальцием почвой.Как также заметил Уэй, калий можно восстановить, промывая почву раствором хлорида кальция (который сдвигает равновесие в противоположном направлении).

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Ионообменная реакция | химическая реакция

Британская викторина

Типы химических реакций

Ионы — это атомы или группы атомов, несущие положительный или отрицательный электрический заряд. В парах или других множествах они составляют вещество многих кристаллических материалов, включая поваренную соль.Когда такое ионное вещество растворяется в воде, ионы освобождаются — в значительной степени — от ограничений, удерживающих их внутри жесткого массива кристалла, и перемещаются в растворе с относительной свободой. Некоторые нерастворимые материалы, несущие положительные или отрицательные заряды на своей поверхности, вступают в реакцию с ионными растворами, избирательно удаляя различные ионы, заменяя их ионами других типов. Такие процессы называются реакциями ионного обмена. Они используются множеством способов для удаления ионов из раствора и для отделения ионов разных типов друг от друга.Такие разделения широко используются в научных лабораториях для очистки и анализа неизвестных смесей. Ионообменные материалы, такие как цеолиты, также используются в коммерческих целях для очистки воды (среди прочего) и в медицине в качестве искусственных почек и для других целей.

Ранняя история

Удивительно, но признание ионообменных процессов предшествовало великому шведскому химику Сванте Аррениусу, который сформулировал ионную теорию. В 1850 году, за девять лет до рождения Аррениуса, отдельные статьи агронома сэра Х.С.М. Томпсон и химик Дж. Способ описания явления ионного обмена, происходящего в почвах. В своей статье, озаглавленной «О способности почвы поглощать навоз», Уэй обратился к вопросу о том, как растворимые удобрения, такие как хлорид калия, удерживаются почвой даже после сильных дождей. Уэй взял ящик с отверстием в дне, наполнил его землей и вылил на нее раствор хлорида калия, собирая жидкость, стекающую со дна. Затем он промыл почву дождевой водой и проанализировал собранную воду как из раствора, так и из дождевой воды.Оказалось, что вода содержит весь хлорид, который был добавлен изначально, но не содержит калия; калий был заменен химически эквивалентными количествами магния и кальция. Уэй назвал процесс «базовым обменом» из-за основного (некислотного) характера обмениваемых элементов. Этот термин сохранялся до 1940 г., когда процесс стал широко известен как ионный обмен.

Говоря современным языком, процесс можно описать следующим образом: ионы калия попадают в почву и вытесняют ионы кальция и магния.Ионы хлора не участвуют в работе и проходят без изменений. В терминах химического уравнения процесс 2K ⁺ + Ca ²⁺ (почва) ⇌ Ca ²⁺ + 2K ⁺ (почва), в котором двойная стрелка указывает, что обмен является обратимым. В эксперименте Уэя процесс был доведен до завершения (то есть равновесие было сдвинуто вправо), потому что вода, просачивающаяся через почву, постоянно контактировала со свежей, насыщенной кальцием почвой. Как также заметил Уэй, калий можно восстановить, промывая почву раствором хлорида кальция (который сдвигает равновесие в противоположном направлении).

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Справочник по воде — Ионный обмен и деминерализация воды

Все природные воды содержат в различных концентрациях растворенные соли, которые диссоциируют в воде с образованием заряженных ионов. Положительно заряженные ионы называются катионами; отрицательно заряженные ионы называются анионами. Ионные примеси могут серьезно повлиять на надежность и эффективность работы котла или технологической системы. Перегрев, вызванный накоплением накипи или отложений, образованных этими примесями, может привести к катастрофическим отказам трубок, дорогостоящим производственным потерям и незапланированным простоям.Ионы жесткости, такие как кальций и магний, необходимо удалить из воды, прежде чем ее можно будет использовать в качестве питательной воды для бойлера. Для систем питательной воды котлов высокого давления и многих технологических систем требуется почти полное удаление всех ионов, включая диоксид углерода и кремнезем. Ионообменные системы используются для эффективного удаления растворенных ионов из воды.

Ионообменники обменивают один ион на другой, временно удерживают его, а затем переводят в регенерирующий раствор. В системе ионного обмена нежелательные ионы в водопроводе заменяются более приемлемыми ионами.Например, в умягчителе на основе цеолита натрия образующие накипь ионы кальция и магния заменены ионами натрия.

ИСТОРИЯ

В 1905 году немецкий химик Ганс использовал синтетические алюмосиликатные материалы, известные как цеолиты, в первых ионообменных смягчителях воды. Хотя алюмосиликатные материалы сегодня используются редко, термин «цеолитный пластификатор» обычно используется для описания любого процесса катионообмена.

Синтетический цеолитный обменный материал вскоре был заменен природным материалом под названием Greensand.Greensand имел более низкую обменную способность, чем синтетический материал, но его большая физическая стабильность делала его более подходящим для промышленного применения. Емкость определяется как количество обменных ионов, которое единица количества смолы удаляет из раствора. Обычно он выражается в килограммах на кубический фут в виде карбоната кальция.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Разработка катионообменной среды из сульфированного угля, называемой углеродистым цеолитом, расширила применение ионного обмена до работы водородного цикла, что позволило снизить щелочность, а также жесткость. Вскоре была разработана анионообменная смола (продукт конденсации полиаминов и формальдегида). Новую анионную смолу использовали с катионной смолой с водородным циклом в попытке деминерализовать (удалить из нее все растворенные соли) воду. Однако ранние аниониты были нестабильны и не могли удалять такие слабоионизированные кислоты, как кремниевая и угольная кислоты.

В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации сшитого стирола с дивинилбензолом. Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Полистирол-дивинилбензольные смолы до сих пор используются в большинстве приложений для ионного обмена.Хотя основные компоненты смолы одинаковы, смолы были модифицированы многими способами, чтобы соответствовать требованиям конкретных применений и обеспечить более длительный срок службы смолы. Одним из наиболее значительных изменений стало развитие макроретикулярной, или макропористой, структуры смолы.

Стандартные гелеобразные смолы, такие как показанные на Рисунке 8-1, имеют проницаемую мембранную структуру. Эта структура отвечает химическим и физическим требованиям большинства приложений. Однако в некоторых случаях физическая прочность и химическая стойкость, необходимые для структуры смолы, превышают возможности типичной гелевой структуры.Макроретикулярные смолы имеют дискретные поры в матрице полистирол-дивинилбензол с высокой степенью сшивки. Эти смолы обладают более высокой физической прочностью, чем гели, а также большей устойчивостью к термическому разложению и окислительным агентам. Макроретикулярные анионные смолы (рис. 8-2) также более устойчивы к органическому загрязнению из-за их более пористой структуры. Помимо полистирол-дивинилбензольных смол (рис. 8-3), существуют более новые смолы с акриловой структурой, которая увеличивает их устойчивость к органическому загрязнению.

В дополнение к пластиковой матрице ионообменная смола содержит ионизируемые функциональные группы. Эти функциональные группы состоят как из положительно заряженных катионных элементов, так и из отрицательно заряженных анионных элементов. Однако только одна из ионных разновидностей подвижна. Другая ионная группа присоединена к структуре гранул. На рис. 8-4 схематически изображен шарик сильнокислой катионообменной смолы, который имеет ионные центры, состоящие из неподвижных анионных (SO ₃ ¯) радикалов и подвижных катионов натрия (Na ⁺).Ионный обмен происходит, когда ионы сырой воды диффундируют в структуру гранул и обмениваются на подвижную часть функциональной группы. Ионы, вытесненные из шарика, диффундируют обратно в водный раствор.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Ионизируемые группы, прикрепленные к шарику смолы, определяют функциональную способность смолы. Смолы для промышленной водоочистки подразделяются на четыре основные категории:

Сильный кислотный катион (SAC)
Катион слабой кислоты (WAC)
Сильный основной анион (SBA)
Слабый основной анион (WBA)

Смолы SAC могут нейтрализовать сильные основания и превращать нейтральные соли в их соответствующие кислоты.Смолы SBA могут нейтрализовать сильные кислоты и превращать нейтральные соли в соответствующие им основания. Эти смолы используются в большинстве приложений умягчения и полной деминерализации. Смолы WAC и WBA способны нейтрализовать сильные основания и кислоты соответственно. Эти смолы используются для дещелачивания, частичной деминерализации или (в сочетании с сильными смолами) полной деминерализации.

Смолы

SAC получают свою функциональность от групп сульфоновой кислоты (HSO ₃ ¯). При использовании в деминерализации смолы SAC удаляют почти все катионы сырой воды, заменяя их ионами водорода, как показано ниже:

Реакция обмена обратима.Когда его емкость исчерпана, смолу можно регенерировать с избытком минеральной кислоты.

Сильные кислотные катиониты хорошо работают во всех диапазонах pH. Эти смолы нашли широкое применение. Например, они используются в натриевом цикле (натрий в качестве подвижного иона) для смягчения и в водородном цикле для декатионизации.

Катионообменные смолы со слабой кислотой получают свою обменную активность от карбоксильной группы (-COOH). При работе в водородной форме смолы WAC удаляют катионы, связанные со щелочностью, с образованием угольной кислоты, как показано на рисунке:

Эти реакции также обратимы и позволяют вернуть отработанную смолу WAC в регенерированную форму.Смолы WAC не могут удалить все катионы из большинства источников воды. Их главное достоинство — высокая эффективность регенерации по сравнению со смолами SAC. Эта высокая эффективность снижает количество кислоты, требуемой для регенерации смолы, тем самым уменьшая количество отработанной кислоты и сводя к минимуму проблемы утилизации.

Слабокислые катионные смолы используются в основном для умягчения и обезщелачивания жестких и щелочных вод, часто в сочетании с полировальными системами SAC с натриевым циклом.В системах полной деминерализации использование смол WAC и SAC в комбинации обеспечивает экономию более эффективной смолы WAC наряду с полными обменными возможностями смолы SAC.

Смолы

SBA получают свои функциональные возможности из функциональных групп четвертичного аммония. Используются два типа четвертичных аммониевых групп, называемые типом I и типом II. Сайты типа I имеют три метильные группы:

В смоле типа II одна из метильных групп заменена этанольной группой.Смола типа I имеет большую стабильность, чем смола типа II, и способна удалять больше слабоионизированных кислот. Смолы типа II обеспечивают более высокую эффективность регенерации и большую емкость для того же количества используемого регенерирующего химического вещества.

В форме гидроксида смолы SBA удаляют все обычно встречающиеся анионы, как показано ниже:

Как и в случае катионных смол, эти реакции обратимы, что позволяет регенерировать смолу сильной щелочью, такой как каустическая сода, для возврата смолы в гидроксидную форму.

Слабая основная функциональность смолы происходит из первичных (R-NH ₂), вторичных (R-NHR ‘) или третичных (R-NR’ ₂) аминогрупп. Смолы WBA легко удаляют серную, азотную и соляную кислоты, о чем свидетельствует следующая реакция:

НАТРИЙ ЦЕОЛИТ РАЗМЯГЧЕНИЕ

Умягчение цеолита натрия — наиболее широко применяемый вид ионного обмена. При умягчении цеолита вода, содержащая накипеобразующие ионы, такие как кальций и магний, проходит через слой смолы, содержащий смолу SAC в натриевой форме.В смоле ионы жесткости обмениваются с натрием, и натрий диффундирует в основной водный раствор. Вода без жесткости, называемая мягкой водой, может затем использоваться для питательной воды котлов низкого и среднего давления, подпитки системы обратного осмоса, некоторых химических процессов и коммерческих применений, таких как прачечные.

Принципы размягчения цеолитов

Удаление жесткости воды с помощью процесса умягчения цеолита описывается следующей реакцией:

Вода из правильно эксплуатируемого цеолитового умягчителя почти не имеет определяемой жесткости.Однако в очищенной воде присутствует небольшое количество жесткости, известное как утечка. Уровень утечки жесткости зависит от жесткости и уровня натрия в поступающей воде, а также от количества соли, используемой для регенерации.

На рис. 8-5 показан типичный профиль жесткости сточных вод цеолитного умягчителя в течение рабочего цикла. После последнего ополаскивания умягчитель обеспечивает низкий, почти постоянный уровень жесткости до тех пор, пока ионообменная смола не исчерпается. При истощении резко возрастает жесткость сточных вод, и требуется регенерация.

Как показывают реакции размягчения, смола SAC легко принимает ионы кальция и магния в обмен на ионы натрия. Когда отработанная смола регенерируется, на смолу наносится высокая концентрация ионов натрия, чтобы заменить кальций и магний. Смолу обрабатывают 10% -ным раствором хлорида натрия, и регенерацию проводят по следующему уравнению:

Во время регенерации используется большой избыток регенерирующего агента (примерно в 3 раза больше кальция и магния в смоле).Элюированная жесткость удаляется из умягчителя в отработанном рассоле и путем промывки.

После регенерации в смоле остается небольшая остаточная твердость. Если смолу оставить в емкости с застоявшейся водой, некоторая жесткость проникнет в объем воды. Следовательно, в начале потока вода, вытекающая из цеолитного умягчителя, может содержать жесткость, даже если она была недавно регенерирована. Через несколько минут протекания жесткость смывается из смягчителя, и очищенная вода становится мягкой.

Продолжительность цикла обслуживания зависит от скорости потока умягчителя, уровня жесткости воды и количества соли, используемой для регенерации. В таблице 8-1 показано влияние уровня регенерирующего агента на умягчающую способность гелеобразной прочной катионитовой смолы. Обратите внимание, что емкость смолы увеличивается с увеличением дозировки регенерирующего агента, но это увеличение непропорционально. Регенерация менее эффективна при более высоких уровнях регенерации. Следовательно, эксплуатационные расходы умягчителя возрастают с увеличением уровня регенерации.Как показывают данные в Таблице 8-1, увеличение регенерирующей соли на 150% обеспечивает только 67% -ное увеличение рабочей емкости.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на способность смягчать сильнокислотную катионную смолу.

Таблица 8-1. Влияние уровня регенерирующей соли на умягчение сильнокислой катионитовой смолы .
Соль (фунт / фут ³)	Производительность (гр / фут ³)
6	18 000
8	20 000
10	24 000
15	30 000

Оборудование

Оборудование, используемое для умягчения цеолита натрия, состоит из обменного резервуара для умягчителя, регулирующих клапанов и трубопроводов, а также системы для рассола или регенерации смолы.Обычно резервуар для умягчителя представляет собой вертикальный стальной резервуар высокого давления с выпуклыми днищами, как показано на Рисунке 8-6. Основные характеристики емкости для умягчения включают впускную распределительную систему, свободное пространство над бортом, систему распределения регенерирующего агента, ионообменную смолу и удерживающую смолу систему сбора нижнего дренажа.

Впускная распределительная система обычно расположена в верхней части бака. Впускная система обеспечивает равномерное распределение поступающей воды. Это предотвращает попадание воды в проточные каналы в слое смолы, что снизит производительность системы и качество сточных вод.Впускная система также действует как коллектор для воды обратной промывки.

Впускной распределитель состоит из центрального коллектора / ступицы с распределяющими боковыми / радиальными перегородками или простых перегородок, которые направляют поток воды равномерно по слою смолы. Если не предотвратить попадание воды прямо на слой или стенки резервуара, это приведет к образованию каналов.

Объем между впускным распределителем и верхней частью слоя смолы называется свободным пространством. Свободный борт позволяет смоле расширяться во время части регенерации с обратной промывкой без потери смолы.Он должен составлять минимум 50% объема смолы (предпочтительно 80%).

Распределитель регенерирующего агента обычно представляет собой систему, расположенную на стороне коллектора, которая равномерно распределяет регенерирующий рассол во время регенерации. Расположение распределителя на высоте 6 дюймов над верхом слоя смолы предотвращает разбавление регенерирующего агента водой в свободном пространстве. Это также сокращает количество воды и время, необходимое для вытеснения и быстрого ополаскивания. Распределитель регенератора должен быть прикреплен к конструкции резервуара, чтобы предотвратить поломку и последующее просачивание регенерирующего агента.

Вода смягчается слоем сильнокислой катионообменной смолы в натриевой форме. Требуемое количество смолы зависит от расхода воды, общей жесткости и желаемого времени между циклами регенерации. Для всех систем рекомендуется минимальная глубина станины 24 дюйма.

Система нижнего дренажа, расположенная на дне резервуара, удерживает ионообменную смолу в резервуаре, равномерно собирает рабочий поток и равномерно распределяет поток обратной промывки. Неравномерный сбор воды при эксплуатации или неравномерное распределение воды для обратной промывки может привести к образованию каналов, загрязнению смолой или ее потере.

Несмотря на то, что используются несколько конструкций нижнего дренажа, существует два основных типа — заполнитель и удерживающий смолу. Система подпитки состоит из нескольких слоев поддерживающей среды (например, гранулированного гравия или антрацита), которая поддерживает смолу, и системы сбора, включающей просверленные трубы или сетчатые фильтры подпитки. Пока поддерживающие слои остаются неповрежденными, смола остается на месте. Если поддерживающая среда нарушается, обычно из-за неправильной обратной промывки, смола может пройти через разрушенные слои и выйти из емкости.Удерживающий смолу коллектор, такой как экранированный боковой фильтр или сетчатый фильтр из профильной проволоки, дороже, чем система подпитки, но защищает от потерь смолы.

Главный клапан и система трубопроводов направляют поток воды и регенерирующего агента в нужные места. Клапанная система состоит из клапанного гнезда или одного многопортового клапана. Гнездо клапанов включает в себя шесть основных клапанов: вход и выход для обслуживания, вход и выход для обратной промывки, вход для регенерации и слив для регенерации / промывки. Клапаны могут управляться вручную или автоматически с помощью воздуха, электрического импульса или давления воды.В некоторых системах вместо гнезда клапана используется один многопортовый клапан. Когда клапан вращается в ряде фиксированных положений, отверстия в клапане направляют поток так же, как и в гнездо клапана. Многопортовые клапаны могут устранить эксплуатационные ошибки, вызванные открытием неправильного клапана, но их необходимо надлежащим образом обслуживать, чтобы избежать утечек через уплотнения порта.

Система рассола состоит из оборудования для растворения соли / измерения рассола и оборудования для контроля разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.Оборудование для растворения / измерения предназначено для обеспечения правильного количества концентрированного рассола (приблизительно 26% NaCl) для каждой регенерации, не допуская попадания нерастворенной соли в смолу. В большинстве систем используется поплавковый клапан для управления наполнением и опорожнением бака подачи, тем самым контролируя количество соли, используемой при регенерации. Обычно концентрированный рассол удаляется из резервуара с помощью эдукционной системы, которая также разбавляет рассол до оптимальной концентрации регенератора (8-10% NaCl).Рассол также можно перекачивать из резервуара для концентрированной соли и смешивать с водой для разбавления для обеспечения желаемой силы регенерации.

Работа умягчителя

Натриево-цеолитный умягчитель работает через два основных цикла: цикл обслуживания, в котором производится мягкая вода для использования, и цикл регенерации, который восстанавливает емкость смолы при ее исчерпании.

В рабочем цикле вода поступает в умягчитель через впускную распределительную систему и протекает через слой.Ионы жесткости диффундируют в смолу и обмениваются с ионами натрия, которые возвращаются в основную воду. Мягкая вода собирается в дренажной системе и отводится. Поток технической воды в умягчитель должен быть как можно более постоянным, чтобы предотвратить резкие скачки и частые операции включения-выключения.

Из-за требований к смоле и конструкции резервуаров операция умягчения наиболее эффективна при поддержании рабочего расхода от 6 до 12 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы. Большая часть оборудования предназначена для работы в этом диапазоне, но в некоторых специальных конструкциях используется глубокий слой смолы, позволяющий работать при 15-20 галлонах в минуту / фут².Непрерывная работа сверх рекомендованных производителем пределов может привести к уплотнению слоя, образованию каналов, преждевременному снижению твердости и утечке твердости. Работа со скоростью потока ниже рекомендованной производителем также может отрицательно повлиять на характеристики умягчителя. При низких скоростях потока вода не распределяется в достаточной степени, и оптимальный контакт смолы с водой невозможен.

Когда умягчитель закончился, смолу необходимо регенерировать. Мониторинг жесткости сточных вод показывает истощение смолы.Когда твердость увеличивается, агрегат истощается. Автоматические мониторы обеспечивают более постоянную индикацию состояния умягчителя, чем периодический отбор проб и тестирование оператором, но требуют частого обслуживания для обеспечения точности. Многие предприятия регенерируют умягчители до их исчерпания на основе заранее определенного периода времени или количества обработанных галлонов.

Большинство систем умягчения состоят из более чем одного умягчителя. Часто они работают так, что один умягчитель находится в режиме регенерации или в режиме ожидания, в то время как другие агрегаты находятся в эксплуатации.Это обеспечивает непрерывный поток мягкой воды. Перед вводом в эксплуатацию резервного смягчителя необходимо промыть устройство, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время выдержки.

Регенерация умягчителя

Цикл регенерации умягчителя на основе цеолита натрия состоит из четырех этапов: обратная промывка, регенерация (рассол), вытеснение (медленное ополаскивание) и быстрое ополаскивание.

Обратная промывка. Во время рабочего цикла нисходящий поток воды заставляет взвешенный материал накапливаться на слое смолы.Смола является отличным фильтром и может улавливать твердые частицы, прошедшие через фильтрующее оборудование выше по потоку. На этапе обратной промывки удаляется накопившийся материал и классифицируется слой смолы. На этапе обратной промывки вода течет из нижнего дренажного распределителя вверх через слой смолы и выходит из сервисного распределителя в отходы. Восходящий поток поднимает и расширяет смолу, позволяя удалять твердые частицы и мелкие частицы смолы и классифицировать смолу. В соответствии с классификацией смолы более мелкие шарики располагаются наверху устройства, а более крупные шарики оседают на дно.Это улучшает распределение регенерирующего химиката и технической воды.

Обратная промывка должна продолжаться не менее 10 минут или до тех пор, пока сток из выпускного отверстия обратной промывки не станет прозрачным. Потока обратной промывки должно быть достаточно, чтобы увеличить объем слоя смолы на 50% или более, в зависимости от имеющегося надводного щита. Недостаточная обратная промывка может привести к загрязнению постели и образованию каналов. Чрезмерная скорость потока обратной промывки приводит к потере смолы. Скорость потока при обратной промывке обычно варьируется от 4-8 (температура окружающей среды) до 12-15 (горячая среда) галлонов в минуту на квадратный фут площади слоя, но следует соблюдать рекомендации каждого производителя.Способность воды расширять смолу сильно зависит от температуры. Для расширения постели холодной водой требуется меньший поток, чем теплой. Расширение слоя смолы следует регулярно проверять, а скорость потока корректировать по мере необходимости для поддержания надлежащего расширения слоя.

Обычно вода для обратной промывки — это фильтрованная неочищенная вода. Вода, выходящая из выпускного отверстия для обратной промывки, не изменяется по химическому составу, но может содержать взвешенные твердые частицы. В целях экономии воды стоки обратной промывки можно возвращать в осветлитель или фильтрующий поток для очистки.

Регенерация (Рассол). После обратной промывки применяется регенерирующий рассол. Поток рассола входит в установку через распределитель регенератора и течет вниз через слой смолы с медленной скоростью (обычно от 0,5 до 1 галлона в минуту на квадратный фут смолы). Поток рассола собирается через нижний дренаж и отправляется в отходы. Низкая скорость потока увеличивает контакт между рассолом и смолой. Для достижения оптимальной эффективности рассола, крепость раствора во время подачи рассола должна составлять 10%.

Displacement (Медленная промывка). После подачи регенерирующего рассола через систему распределения регенерирующего агента продолжается медленный поток воды. Этот поток воды вытесняет регенерирующий агент через слой с желаемой скоростью потока. Этап замещения завершает регенерацию смолы, обеспечивая надлежащий контакт регенерирующего агента с дном слоя смолы. Расход вытесняющей воды обычно такой же, как и при разбавлении концентрированного рассола.Продолжительность этапа вытеснения должна быть достаточной, чтобы позволить примерно одному объему слоя смолы пройти через установку. Это обеспечивает «пробку» вытесняющей воды, которая постепенно полностью перемещает рассол через слой.

Быстрая промывка. После завершения промывки вытеснением вода подается через впускной распределитель с высокой скоростью потока. Эта промывочная вода удаляет оставшийся рассол, а также любую остаточную жесткость со слоя смолы. Скорость потока при быстрой промывке обычно составляет 1.5 и 2 галлона в минуту на квадратный фут смолы. Иногда это определяется скоростью использования умягчителя.

Изначально промывные воды содержат большое количество жесткости и хлорида натрия. Обычно жесткость смягчителя смывается перед избытком хлорида натрия. Во многих операциях умягчитель можно вернуть в эксплуатацию, как только жесткость достигнет заданного уровня, но в некоторых случаях требуется промывка до тех пор, пока хлориды или проводимость сточных вод не приблизятся к уровням на входе. Эффективная быстрая промывка важна для обеспечения высокого качества сточных вод во время технического обслуживания.Если умягчитель находился в режиме ожидания после регенерации, можно использовать второе быстрое ополаскивание, известное как техническое ополаскивание, чтобы удалить любую жесткость, которая попала в воду во время ожидания.

ГОРЯЧЕЕ СМЯГЧЕНИЕ ЦЕОЛИТА

Цеолитные пластификаторы могут использоваться для удаления остаточной жесткости в сточных водах, образующихся при горячей обработке извести или содового пластификатора. Горячий технологический поток проходит через фильтры, а затем через слой сильнокислой катионитовой смолы в натриевой форме (рис. 8-7).Оборудование и работа умягчителя с горячим цеолитом идентичны умягчителю температуры окружающей среды, за исключением того, что клапаны, трубопроводы, контроллеры и приборы должны быть пригодны для работы при высокой температуре (220-250 ° F). Стандартную прочную катионную смолу можно использовать при температурах до 270 ° F, но для более длительного срока службы рекомендуется гель премиум-класса или макросетчатая смола. При эксплуатации цеолитной системы после горячего умягчителя важно спроектировать систему так, чтобы исключить скачки потока в установке для горячей извести.Обычные конструкции включают использование резервуаров для хранения воды обратной промывки в установке для горячей извести и расширенных медленных промывок цеолита вместо стандартной быстрой промывки.

Области применения и преимущества

Образование накипи и отложений в котлах, а также образование нерастворимого мыльного творога при мойке создали большой спрос на умягченную воду. Поскольку умягчители на основе цеолита натрия способны удовлетворить этот спрос с экономической точки зрения, они широко используются при подготовке воды для котлов низкого и среднего давления, прачечных и химических процессов.Умягчение цеолита натрия также имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами умягчения:

Обработанная вода имеет очень низкую склонность к образованию накипи, поскольку умягчение цеолита снижает уровень жесткости большинства источников воды до менее 2 частей на миллион
проста в эксплуатации и надежна; автоматические и полуавтоматические регуляторы регенерации доступны по разумной цене
соль недорогая и простая в обращении
Отходы ила не образуются; Как правило, утилизация мусора не проблема
в определенных пределах, колебания расхода воды мало влияют на качество очищенной воды
, поскольку эффективная работа может быть достигнута в установках практически любого размера, умягчители на основе цеолита натрия подходят как для больших, так и для малых установок.

Ограничения

Хотя умягчители на основе цеолита натрия эффективно снижают количество растворенной жесткости в воде, общее содержание твердых веществ, щелочность и кремнезем в воде остаются неизменными.Умягчитель на основе цеолита натрия не является прямой заменой горячего смягчителя извести и соды. Заводы, которые заменили свои горячие умягчители только на цеолитные умягчители, столкнулись с проблемами, связанными с диоксидом кремния и уровнями щелочности в своих котлах.

Поскольку смола является очень эффективным фильтром, умягчители на основе цеолита натрия неэффективно работают с мутной водой. Продолжительная работа с входящей мутностью, превышающей 1,0 JTU, вызывает засорение слоя, короткие периоды обслуживания и низкое качество сточных вод.Подходит большинство городских и колодезных вод, но многие поверхностные источники воды перед использованием необходимо очистить и отфильтровать.

Смола может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как железо и алюминий, которые не удаляются в ходе нормальной регенерации. Если в водопроводе присутствует избыток железа или марганца, смолу необходимо периодически очищать. Когда алюминиевые коагулянты используются перед цеолитными умягчителями, правильная работа оборудования и тщательный контроль pH осветлителя необходимы для хороших характеристик умягчителя.

Сильные окислители в сырой воде разрушают смолу. Хлор, присутствующий в большинстве муниципальных водопроводов, является сильным окислителем и должен быть удален перед размягчением цеолита фильтрацией активированным углем или реакцией с сульфитом натрия.

ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ

Одного умягчения недостаточно для большинства питательных вод котлов высокого давления и многих технологических потоков, особенно тех, которые используются в производстве электронного оборудования. Помимо удаления жесткости, эти процессы требуют удаления всех растворенных твердых веществ, таких как натрий, кремнезем, щелочность и минеральные анионы (Cl, SO ₄ ²¯, NO ₃ ¯).

Деминерализация воды — это удаление практически всех неорганических солей посредством ионного обмена. В этом процессе сильнокислая катионная смола в водородной форме превращает растворенные соли в их соответствующие кислоты, а сильнокислая анионная смола в форме гидроксида удаляет эти кислоты. Деминерализация дает воду, аналогичную по качеству дистилляционной, при более низкой стоимости большинства пресных вод.

Принципы деминерализации

Система деминерализатора состоит из одной или нескольких колонок с ионообменной смолой, которые включают элемент сильного катиона кислоты и элемент сильного аниона основания.Катионная смола обменивает водород на катионы сырой воды, как показывают следующие реакции:

Показателем общей концентрации сильных кислот в сточных водах катионов является свободная минеральная кислотность (FMA). При типичном запуске службы содержимое FMA большую часть времени стабильно, как показано на рис. 8-8. Если бы катионный обмен был эффективен на 100%, FMA из теплообменника была бы равна теоретической минеральной кислотности (TMA) воды. FMA обычно немного ниже, чем TMA, потому что небольшое количество натрия просачивается через катионообменник.Количество утечки натрия зависит от уровня регенерации, скорости потока и соотношения натрия к другим катионам в сырой воде. Как правило, утечка натрия увеличивается с увеличением отношения натрия к общему количеству катионов.

Когда катионообменная установка близка к исчерпанию, FMA в сточных водах резко падает, указывая на то, что теплообменник следует вывести из эксплуатации. В это время смолу следует регенерировать кислотным раствором, который возвращает центры обмена в водородную форму.Серная кислота обычно используется из-за ее доступной стоимости и доступности. Однако неправильное использование серной кислоты может вызвать необратимое загрязнение смолы сульфатом кальция.

Чтобы предотвратить это явление, серную кислоту обычно наносят с высокой скоростью потока (1 галлон / мин на квадратный фут смолы) и начальной концентрацией 2% или меньше. Концентрация кислоты постепенно увеличивается до 6-8% до полной регенерации.

В некоторых установках для регенерации используется соляная кислота.Это требует использования специальных строительных материалов в системе регенерации. Как и в случае установки с цеолитом натрия, требуется избыток регенерирующего агента (серной или соляной кислоты) до трех раз по сравнению с теоретической дозой.

Для завершения процесса деминерализации вода из блока катионов пропускается через сильноосновную анионообменную смолу в форме гидроксида. Смола обменивает ионы водорода как на высокоионизированные минеральные ионы, так и на более слабоионизированные угольные и кремниевые кислоты, как показано ниже:

Указанные выше реакции показывают, что деминерализация полностью удаляет катионы и анионы из воды.В действительности, поскольку реакции ионного обмена являются равновесными, происходит некоторая утечка. Большая часть утечек из катионных единиц — это натрий. Эта утечка натрия преобразуется в гидроксид натрия в анионных единицах. Следовательно, pH стока двухслойной системы катион-анионного деминерализатора является слабощелочным. Каустик, образующийся в анионах, вызывает небольшую утечку кремнезема. Степень утечки анионов зависит от химического состава обрабатываемой воды и используемой дозировки регенерирующего агента.

Деминерализация с использованием сильных анионных смол удаляет кремнезем, а также другие растворенные твердые вещества. Сточный диоксид кремния и проводимость являются важными параметрами, которые необходимо контролировать во время обслуживания деминерализатора. В конце быстрой промывки и диоксид кремния, и проводимость низкие, как показано на Рисунке 8-9.

Когда в конце рабочего цикла происходит прорыв кремнезема, уровень кремнезема в очищенной воде резко повышается. Часто проводимость воды на мгновение уменьшается, а затем быстро возрастает.Это временное падение проводимости легко объяснимо. Во время нормальной эксплуатации большая часть проводимости сточных вод связана с небольшим уровнем гидроксида натрия, образующегося в анионообменнике. Когда происходит прорыв диоксида кремния, гидроксид больше не доступен, а натрий из катионита превращается в силикат натрия, который имеет гораздо меньшую проводимость, чем гидроксид натрия. По мере истощения анионной смолы проникают более проводящие минеральные ионы, вызывая последующее увеличение проводимости.

При обнаружении окончания работы деминерализатора необходимо немедленно вывести установку из эксплуатации. Если деминерализатору разрешено оставаться в эксплуатации после точки останова, уровень кремнезема в очищенной воде может подняться выше уровня поступающей воды из-за концентрирования кремнезема в анионной смоле во время рабочего цикла.

Аниониты с сильным основанием регенерируются 4% -ным раствором гидроксида натрия. Как и в случае регенерации катионов, относительно высокая концентрация гидроксида запускает реакцию регенерации.Для улучшения удаления диоксида кремния из слоя смолы регенерирующую щелочь обычно нагревают до 120 ° F или до температуры, указанной производителем смолы. Удаление диоксида кремния также улучшается за счет стадии предварительного нагрева слоя смолы перед введением теплого каустика.

Оборудование и эксплуатация

Оборудование, используемое для катионо-анионной деминерализации, аналогично тому, которое используется при умягчении цеолита. Основное отличие состоит в том, что сосуды, клапаны и трубопроводы должны быть изготовлены из коррозионно-стойких материалов (или покрыты ими).Резина и поливинилхлорид (ПВХ) обычно используются для футеровки ионообменных сосудов. Системы управления и регенерации деминерализаторов являются более сложными, чтобы учесть такие улучшения, как ступенчатая регенерация кислоты и теплой щелочи.

Деминерализаторы действуют аналогично цеолитным пластификаторам. Нормы расхода для деминерализатора составляют от 6 до 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы. Скорость потока более 10 галлонов в минуту на квадратный фут смолы вызывает повышенную утечку натрия и кремнезема с определенной водой.Анионная смола намного легче катионной. Следовательно, скорости потока обратной промывки для анионообменных смол намного ниже, чем для катионных смол, и на расширение анионной смолы влияет температура воды больше, чем на расширение катионита. Вода, используемая на каждой стадии регенерации анионной смолы, не должна иметь жесткости, чтобы предотвратить осаждение солей жесткости в слое щелочной анионной смолы.

Приборы непрерывной проводимости и анализаторы кремнезема обычно используются для контроля качества воды в сточных водах, содержащих анионы, и определения необходимости регенерации.В некоторых случаях датчики проводимости помещают в слой смолы над коллекторами нижнего дренажа для обнаружения истощения смолы до того, как произойдет проникновение диоксида кремния в очищенную воду.

Преимущества и ограничения

Деминерализаторы могут производить воду высокой чистоты практически для любого использования. Деминерализованная вода широко используется в питательной воде котлов высокого давления и во многих технологических водах. Качество производимой воды сравнимо с дистиллированной водой, обычно за небольшую часть ее стоимости.Деминерализаторы бывают самых разных размеров. Системы варьируются от лабораторных колонок, производящих всего несколько галлонов в час, до систем, производящих тысячи галлонов в минуту.

Как и другие ионообменные системы, деминерализаторам для эффективного функционирования требуется фильтрованная вода. Загрязняющие смолы и разлагающие вещества, такие как железо и хлор, следует избегать или удалять до деминерализации. Анионные смолы очень чувствительны к загрязнению и воздействию органических материалов, присутствующих во многих источниках поверхностной воды.Некоторые формы кремнезема, известные как коллоидные или инертные, не удаляются деминерализатором. Горячая щелочная котловая вода растворяет коллоидный материал, образуя простые силикаты, похожие на те, которые поступают в котел в растворимой форме. По сути, они могут образовывать отложения на поверхности трубок и улетучиваться в пар.

СДЕЛКА

Часто рабочие условия котла или процесса требуют удаления жесткости и снижения щелочности, но не удаления других твердых частиц.Умягчение цеолита не снижает щелочность, а деминерализация обходится слишком дорого. В этих ситуациях используется процесс дещелачивания. Дещелачивание натриевого цеолита / водородного цеолита (разделенный поток), дещелачивание хлорид-анионами и дещелачивание слабокислых катионов являются наиболее часто используемыми процессами.

Натрий цеолит / водородный цеолит (разделенный поток) Дещелачивание

В дещелачителе с разделенным потоком часть сырой воды проходит через умягчитель на основе цеолита натрия.Остальная часть протекает через узел сильнокислотного катиона в форме водорода (водородный цеолит). Выходящий поток из цеолита натрия объединяется с выходящим потоком водородного цеолита. Сточные воды с установки водородного цеолита содержат угольную кислоту, полученную из щелочности сырой воды, и свободные минеральные кислоты. Когда два потока объединяются, свободная минеральная кислотность в выходящем потоке водородного цеолита превращает карбонат натрия и бикарбонатную щелочность в выходящем потоке цеолита натрия в угольную кислоту, как показано ниже:

Угольная кислота нестабильна в воде.Он образует углекислый газ и воду. Смешанные сточные воды направляются в декарбонизатор или дегазатор, где диоксид углерода удаляется из воды встречным потоком воздуха. На рис. 8-10 показана типичная система дещелачивания разделенного потока.

Требуемый уровень щелочности смешанной воды можно поддерживать путем контроля процентного содержания цеолита натрия и водородного цеолита в воде. Более высокий процент воды с цеолитом натрия приводит к более высокой щелочности, а повышенный процент воды с водородным цеолитом снижает щелочность.

Помимо снижения щелочности, дещелочитель с разделенным потоком снижает общее количество растворенных твердых веществ в воде. Это важно для вод с высокой щелочностью, поскольку проводимость этих вод влияет на процесс и может ограничивать циклы концентрации в котле.

Дещелачивание цеолита натрия / хлорид-аниона

Сильноосновная анионная смола в хлоридной форме может использоваться для снижения щелочности воды. Вода протекает через цеолитный умягчитель, а затем через анионный блок, который заменяет карбонатные, бикарбонатные, сульфатные и нитрат-ионы хлорид-ионами, как показано в следующих реакциях:

Хлорид-анион-дещелачитель снижает щелочность примерно на 90%, но не снижает общее содержание твердых веществ.Когда смола приближается к истощению, щелочность очищенной воды быстро увеличивается, сигнализируя о необходимости регенерации.

Цеолитный умягчитель регенерируют, как описано ранее. Кроме того, анионная смола также регенерируется рассолом хлорида натрия, который возвращает смолу в хлоридную форму. Часто в регенерирующий рассол добавляют небольшое количество каустической соды, чтобы улучшить удаление щелочности.

Обесщелачивание катионов слабой кислоты

В другом методе дещелачивания используются слабокислые катионные смолы.Слабокислотные смолы аналогичны сильнокислотным катионным смолам, но обмениваются только катионами, которые связаны со щелочностью, как показано этими реакциями:

, где Z представляет собой смолу. Образовавшаяся угольная кислота (H ₂ CO ₃) удаляется декарбонизатором или дегазатором, как в системе с разделенным потоком.

Идеальный приток для слабокислой катионной системы имеет уровень жесткости, равный щелочности (оба показателя выражаются в ppm как CaCO ₃).В водах с более высокой щелочностью, чем жесткостью, щелочность не снижается до самого низкого уровня. В водах, имеющих жесткость больше, чем щелочность, некоторая жесткость остается после обработки. Обычно эти воды необходимо полировать с помощью умягчителя на основе цеолита натрия, чтобы удалить жесткость. Во время начальной части цикла обслуживания слабых кислотных катионов (первые 40-60%) некоторые катионы связаны с обменом минеральных анионов, образуя небольшие количества минеральных кислот в сточных водах. По мере продолжения цикла обслуживания в сточных водах появляется щелочность.Когда щелочность сточных вод превышает 10% щелочности поступающих, установка выводится из эксплуатации и регенерируется 0,5% -ным раствором серной кислоты. Концентрация регенерирующей кислоты должна быть ниже 0,5-0,7%, чтобы предотвратить осаждение сульфата кальция в смоле. Слабый кислотный обмен катионита очень эффективен. Следовательно, необходимое количество кислоты практически равно (химически) количеству катионов, удаленных в течение рабочего цикла.

Если материалы конструкции для последующего оборудования или всего процесса не могут выдерживать минеральную кислотность, присутствующую на начальных этапах рабочего цикла, раствор солевого раствора пропускают через регенерированную слабокислотную смолу перед заключительной промывкой.Этот раствор удаляет минеральную кислотность без значительного влияния на качество или продолжительность последующего цикла.

Оборудование, используемое для дещелачивания слабых кислотных катионов, аналогично оборудованию, используемому для сильнокислотного катионита, за исключением смолы. В одном из вариантов стандартной конструкции используется слой слабокислой смолы поверх сильнокислой катионитовой смолы. Поскольку он легче, на нем остается слабокислая смола. Слоистую систему смол регенерируют серной кислотой, а затем рассолом хлорида натрия.Солевой раствор превращает сильнокислотную смолу в натриевую форму. Эта смола затем действует как мягчитель для полировки.

Прямой впрыск кислоты

В процессе прямого впрыска кислоты и декарбонизации кислота используется для преобразования щелочности в угольную кислоту. Угольная кислота диссоциирует с образованием диоксида углерода и воды, а диоксид углерода удаляется в декарбонаторе. К использованию системы впрыска кислоты следует подходить с осторожностью, поскольку избыточная подача кислоты или нарушение системы контроля pH может привести к образованию кислой питательной воды, которая разъедает железные поверхности систем питательной воды и котлов.Требуются надлежащий мониторинг pH и контролируемая подача каустика после декарбонизации.

Преимущества и ограничения систем дещелачивания

Системы ионообменной дещелачивания производят воду с низкой жесткостью и низкой щелочностью по разумной цене и с высокой степенью надежности. Они хорошо подходят для обработки питательной воды для котлов среднего давления и технологической воды для производства напитков. Системы с разделенным потоком и катионами слабых кислот также снижают общее количество растворенных твердых веществ.Помимо этих преимуществ, необходимо учитывать следующие недостатки:

Дещелочники не удаляют всю щелочность и не влияют на содержание кремнезема в воде
требуют такой же чистоты входящего потока, как и другие процессы ионного обмена; необходимо использовать фильтрованную воду с низким содержанием потенциальных загрязнителей
вода, полученная в системе дещелачивания, использующей декарбонизатор с принудительной тягой, насыщается кислородом, поэтому она потенциально коррозионная

ПРОТИВОПОТРЕБИТЕЛЬНАЯ И СМЕШАННАЯ ДЕИОНИЗАЦИЯ

Из-за увеличения рабочего давления котла и производства продуктов, требующих чистой воды, растет потребность в воде более высокого качества, чем могут производить катионно-анионные деминерализаторы.Поэтому возникла необходимость изменить стандартный процесс деминерализации для повышения чистоты очищенной воды. Наиболее значительные улучшения в чистоте деминерализованной воды были достигнуты с помощью противоточных катионообменников и теплообменников со смешанным слоем.

Противоточные катионообменники

В обычной системе деминерализатора поток регенерирующего агента идет в том же направлении, что и рабочий поток, вниз через слой смолы. Эта схема известна как параллельная работа и является основой для большинства конструкций ионообменных систем.Во время регенерации прямоточного устройства загрязняющие вещества перемещаются через слой смолы во время регенерации. В конце регенерации некоторые ионы, преимущественно ионы натрия, остаются на дне слоя смолы. Поскольку верхняя часть слоя подверглась воздействию свежего регенерирующего агента, он подвергается высокой регенерации. Когда вода протекает через смолу во время эксплуатации, катионы сначала обмениваются в верхней части слоя, а затем движутся вниз через смолу, когда слой истощается.Ионы натрия, оставшиеся в слое во время регенерации, диффундируют в декатионизированную воду, прежде чем она покинет сосуд. Эта утечка натрия попадает в анионный блок, где при анионном обмене образуется щелочь, повышая pH и проводимость деминерализованной воды.

В противоточном регенерированном катионите регенерирующий агент течет в направлении, противоположном рабочему потоку. Например, если рабочий поток идет вниз через слой, поток регенерирующей кислоты идет вверх через слой.В результате смола с наиболее высокой степенью регенерации находится там, где техническая вода выходит из резервуара. Сильно регенерированная смола удаляет низкий уровень загрязнителей, которые не удалось удалить в верхней части слоя. Это приводит к более высокой чистоте воды, чем может обеспечить прямоточная конструкция. Чтобы максимизировать контакт между кислотой и смолой и предотвратить смешивание наиболее сильно регенерированной смолы с остальной частью слоя, слой смолы должен оставаться сжатым во время введения регенерирующего агента. Это сжатие обычно достигается одним из двух способов:

Теплообменники смешанного типа

В теплообменнике со смешанным слоем катионная и анионная смолы смешаны в одном сосуде.Когда вода протекает через слой смолы, процесс ионного обмена повторяется много раз, «полируя» воду до очень высокой чистоты. Во время регенерации смола разделяется на отдельные фракции катионов и анионов, как показано на Рисунке 8-12. Смолу отделяют обратной промывкой, при этом более легкая анионная смола оседает поверх катионной смолы. Регенерирующая кислота вводится через нижний распределитель, а щелочь вводится через распределители над слоем смолы. Потоки регенерирующего агента встречаются на границе между катионом и анионной смолой и выходят через коллектор, расположенный на границе раздела смолы.После введения регенерирующего агента и промывки вытеснением для смешивания смол используются воздух и вода. Затем смолы промываются, и установка готова к работе.

Противоточные системы и системы со смешанным слоем производят более чистую воду, чем традиционные катионо-анионные деминерализаторы, но требуют более сложного оборудования и имеют более высокую начальную стоимость. Более сложные последовательности регенерации требуют более пристального внимания оператора, чем стандартные системы. Это особенно актуально для агрегата со смешанной кроватью.

ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Стандартный процесс катион-анион был изменен во многих системах, чтобы уменьшить использование дорогостоящих регенераторов и образование отходов. Модификации включают использование декарбонизаторов и дегазаторов, слабокислотных и слабощелочных смол, щелочных отходов с сильным щелочным анионом (для регенерации слабых основных анионитов) и рекуперацию части отработанного щелочного раствора для последующих циклов регенерации. Несколько различных подходов к деминерализации с использованием этих процессов показаны на Рисунке 8-13.

Декарбонаторы и дегазаторы

Декарбонаторы и дегазаторы экономически выгодны для многих систем деминерализации, поскольку они снижают количество щелочи, требуемой для регенерации. Вода из катионита разбивается на мелкие капельки с помощью разбрызгивателей, поддонов или упаковки в декарбонаторе. Затем вода протекает через воздушный поток, идущий в противоположном направлении. Угольная кислота, присутствующая в сточных водах катионов, диссоциирует на диоксид углерода и воду.Двуокись углерода удаляется из воды воздухом, уменьшая нагрузку на анионообменники. Типичные декарбонизаторы с принудительной тягой способны удалять углекислый газ до 10-15 частей на миллион. Однако вода, выходящая из декарбонатора, насыщена кислородом.

В вакуумном дегазаторе капли воды вводятся в насадочную колонну, работающую под вакуумом. Углекислый газ удаляется из воды благодаря пониженному парциальному давлению в вакууме. Вакуумный дегазатор обычно снижает углекислый газ до уровня менее 2 частей на миллион, а также удаляет большую часть кислорода из воды.Однако вакуумные дегазаторы дороже в приобретении и эксплуатации, чем декарбонаторы с принудительной тягой.

Слабокислотные и слабые основные смолы

Смолы со слабой функциональностью имеют гораздо более высокую эффективность регенерации, чем их аналоги с сильной функциональностью. Слабокислые катионные смолы, как описано в разделе о дещелачивании, обмениваются с катионами, связанными с щелочностью. Слабые основные смолы обмениваются с анионами минеральных кислот (SO ₄ ²¯, Cl ¯, NO ₃ ¯) в растворе сильной кислоты.Эффективность регенерации слабых смол практически стехиометрическая, для удаления 1 кг ионов (как CaCO ₃) требуется лишь немногим более 1 кг регенерирующего иона (как CaCO ₃). Для сильных смол требуется в три-четыре раза больше регенерирующего средства для того же удаления загрязнений.

Смолы со слабым основанием настолько эффективны, что на практике обычно регенерируют обменник со слабым основанием с помощью части «отработанной» щелочи от регенерации анионной смолы с сильным основанием.Первая фракция каустика из сильного основного элемента отправляется в отходы, чтобы предотвратить загрязнение слабой основной смолы диоксидом кремния. Оставшийся каустик используется для регенерации слабой основной смолы. Дополнительной особенностью смол со слабой базой является их способность удерживать природные органические материалы, которые загрязняют смолы с сильной основой, и выделять их во время цикла регенерации. Из-за этой способности смолы со слабым основанием обычно используются для защиты смол с сильным основанием от вредного органического загрязнения.

Повторное использование регенеранта

Из-за высокой стоимости каустической соды и возрастающих проблем с удалением отходов многие системы деминерализации теперь оснащены функцией регенерации каустической соды.Система регенерации использует часть отработанной щелочи от предыдущей регенерации в начале следующего цикла регенерации. За повторно использованным каустиком следует свежий каустик для завершения регенерации. Затем новый каустик утилизируется для использования в следующей регенерации. Обычно серную кислоту не регенерируют, поскольку она дешевле, а осаждение сульфата кальция представляет собой потенциальную проблему.

КОНДЕНСАТНАЯ ПОЛИРОВКА

Использование ионного обмена не ограничивается технологической и подпиткой котловой воды.Ионный обмен можно использовать для очистки или полировки возвращаемого конденсата, удаления продуктов коррозии, которые могут вызвать вредные отложения в котлах.

Обычно загрязняющими веществами в конденсатной системе являются твердые частицы железа и меди. Низкие уровни других загрязняющих веществ могут попасть в систему через утечки конденсатора и уплотнения насоса или унос котловой воды в пар. Очистители конденсата отфильтровывают твердые частицы и удаляют растворимые загрязнения путем ионного обмена.

Большинство полировальных машин для конденсата на бумажных фабриках работают при температурах, приближающихся к 200 ° F, что исключает использование анионной смолы.Катионная смола, которая устойчива до температур выше 270 ° F, используется для полировки конденсата в глубоких слоях в этих областях. Смолу регенерируют рассолом хлорида натрия, как в умягчителе цеолита. В ситуациях, когда утечка натрия из полировальной машины отрицательно влияет на внутреннюю химическую программу котловой воды или на чистоту воды, оперирующей паром, смолу можно регенерировать с помощью раствора ионизированного амина, чтобы предотвратить эти проблемы.

Рабочий расход полира для глубокого слоя (20-50 галлонов в минуту на квадратный фут площади поверхности смолы) очень высок по сравнению с обычным пластификатором.Допускаются высокие скорости потока, поскольку уровень растворимых ионов в конденсате обычно может быть очень низким. Железо и медь в виде твердых частиц удаляются фильтрацией, а растворенные загрязнения уменьшаются путем обмена на натрий или амин в смоле.

Полировщик конденсата с глубоким слоем катионита регенерируется с использованием 15 фунтов хлорида натрия на кубический фут смолы аналогично тому, как это используется для регенерации традиционного цеолита натрия. Солюбилизирующий или восстанавливающий агент часто используется для удаления железа.Иногда дополнительный коллектор обратной промывки располагается чуть ниже поверхности слоя смолы. Этот подповерхностный распределитель, используемый перед обратной промывкой, вводит воду для разрушения корки, которая образуется на поверхности смолы между регенерациями.

Важным моментом является выбор смолы для полировки конденсата. Поскольку высокие перепады давления вызываются высокими рабочими расходами и содержанием твердых частиц, а также поскольку многие системы работают при высоких температурах, структура смолы подвергается значительным нагрузкам.При полировке конденсата в глубоком слое следует использовать гелеобразную или макроретикулярную смолу премиум-класса.

В системах, требующих полного удаления растворенных твердых частиц и твердых частиц, можно использовать полировщик конденсата со смешанным слоем. Температура конденсата должна быть ниже 140 ° F, что является максимальной непрерывной рабочей температурой для анионной смолы. Кроме того, поток через установку обычно снижается примерно до 20 галлонов в минуту / фут².

Ионообменные смолы также используются как часть системы фильтрации предварительного покрытия, как показано на Рисунке 8-14, для полировки конденсата.Смолу измельчают и смешивают с суспензией, которую используют для покрытия отдельных перегородок в сосуде фильтра. Порошковая смола представляет собой очень тонкую фильтрующую среду, которая улавливает твердые частицы и удаляет некоторые растворимые загрязнения посредством ионного обмена. Когда фильтрующий материал забивается, материал предварительного покрытия утилизируется, а перегородки покрываются свежей суспензией порошкообразной смолы.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ИОННОГО ОБМЕНА

Как и в любой динамической операционной системе, включающей электрическое и механическое оборудование и химические операции, в системах ионного обмена действительно возникают проблемы.Проблемы обычно приводят к низкому качеству сточных вод, сокращению продолжительности обслуживания или повышенному расходу регенерирующего агента. Чтобы система ионного обмена работала эффективно и надежно, при обнаружении проблем следует учитывать изменения качества воды, продолжительности пробега или расхода регенератора.

Диаграммы причинно-следственных связей для коротких пробегов (Рисунок 8-15) и некачественных стоков (Рисунок 8-16) показывают, что существует множество возможных причин снижения производительности системы деминерализации.Некоторые из наиболее распространенных проблем обсуждаются ниже.

Эксплуатационные проблемы
Изменения качества сырой воды оказывают значительное влияние как на продолжительность цикла, так и на качество стоков, производимых ионообменной установкой. Хотя большинство колодезных вод имеют постоянное качество, состав большинства поверхностных вод со временем сильно меняется. Повышение жесткости воды для умягчителя на основе цеолита натрия на 10% приводит к сокращению продолжительности рабочего цикла на 10%. Увеличение отношения натрия к общему количеству катионов вызывает повышенную утечку натрия из системы деминерализации.Для выявления таких отклонений необходимо проводить регулярный химический анализ воды, поступающей в ионообменники.

Другие причины операционных проблем ионного обмена включают:

Неправильная регенерация, вызванная неправильным потоком, временем или концентрацией регенератора. При регенерации ионообменных смол следует соблюдать рекомендации производителя.
Каналы, возникающие в результате высокой или низкой скорости потока, повышенного содержания взвешенных твердых частиц или плохой обратной промывки.Это вызывает преждевременное истощение, даже если большая часть кровати находится в регенерированном состоянии.
Загрязнение или разложение смолы из-за некачественного регенерирующего агента.
Неспособность удалить диоксид кремния из смолы, что может быть результатом низкой температуры каустической соды регенерирующего агента. Это может привести к повышенной утечке кремнезема и сокращению сроков обслуживания.
Избыточные примеси в смоле из-за предыдущей работы после истощающих нагрузок. Поскольку в смоле содержится больше загрязняющих веществ, чем предназначено для удаления при обычной регенерации, после продолжительного рабочего цикла требуется двойная регенерация.

Механические проблемы

Типичные механические проблемы, связанные с системами ионного обмена, включают:

Негерметичные клапаны, вызывающие некачественные сточные воды и длительные полоскания.
Распределитель сломан или забит, что приводит к выбиванию каналов.
потери смолы, из-за чрезмерную обратную промывку или отказ в underdrain скрининга или поддержки средств массовой информации.
Катионная смола в анионном блоке, вызывающая увеличенное время ополаскивания и утечку натрия в деминерализованную воду.
Проблемы с приборами, такие как неисправные сумматоры или измерители проводимости, которые могут указывать на проблему, когда ее нет, или могут привести к использованию воды низкого качества. КИПиА в зоне деминерализатора следует регулярно проверять.

ОТРАСИВАНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ СМОЛЫ

Смола может загрязняться загрязнениями, которые препятствуют процессу обмена. На рис. 8-17 показана смола, загрязненная железом. Смола также может подвергаться воздействию химических веществ, вызывающих необратимое разрушение.Некоторые материалы, такие как природные органические вещества (рис. 8-18), сначала загрязняют смолы, а затем со временем разрушают смолу. Это наиболее частая причина загрязнения и деградации ионообменных систем, которая обсуждается в разделе «Органическое загрязнение» далее в этой главе.

Причины загрязнения смолой

Железо и марганец . Железо может существовать в воде в виде неорганической соли двух или трехвалентного железа или в виде изолированного органического комплекса. Двухвалентное железо обменивается на смолу, но трехвалентное железо нерастворимо и не растворяется.Трехвалентное железо покрывает катионную смолу, препятствуя обмену. Для удаления этого железа необходимо использовать кислоту или сильный восстановитель. Органически связанное железо проходит через катионный элемент и загрязняет анионную смолу. Его необходимо удалить вместе с органическим материалом. Марганец, присутствующий в некоторых колодезных водах, загрязняет смолу так же, как и железо.

Алюминий . Алюминий обычно присутствует в виде гидроксида алюминия, возникающего в результате использования алюмината квасцов или натрия для осветления или смягчения осаждения.Алюминиевый флок, проходящий через фильтры, покрывает смолу умягчителем на основе цеолита натрия. Его удаляют очисткой кислотой или щелочью. Обычно алюминий не является загрязнителем в системе деминерализатора, потому что он удаляется из смолы во время нормальной регенерации.

Осадки твердости . Осадки твердости проходят через фильтр из смягчителя осаждения или образуются после фильтрации путем последующего осаждения. Они осаждают грязные смолы, используемые для умягчения натриевого цеолита.Их удаляют кислотой.

Сульфатные осадки. Осаждение сульфата кальция может происходить в установке с сильным катионом кислоты, работающей в водородном цикле. В конце рабочего цикла верхняя часть слоя смолы богата кальцием. Если серная кислота используется в качестве регенерирующего агента, и она вводится в слишком высокой концентрации или слишком низкой скорости потока, происходит осаждение сульфата кальция, загрязняя смолу. После образования сульфата кальция его повторно растворить очень трудно; поэтому смолу, загрязненную сульфатом кальция, обычно выбрасывают.Легкие случаи загрязнения сульфатом кальция можно устранить длительным замачиванием в соляной кислоте.

Сульфат бария даже менее растворим, чем сульфат кальция. Если источник воды содержит измеримые количества бария, следует рассмотреть возможность регенерации соляной кислоты.

Нефтяное обрастание . Масло покрывает смолу, блокируя прохождение ионов к участкам обмена и от них. Для удаления масла можно использовать поверхностно-активное вещество. Следует проявлять осторожность при выборе поверхностно-активного вещества, которое не загрязняет смолу.Загрязненные маслом анионные смолы следует очищать только неионогенными поверхностно-активными веществами.

Микробиологическое обрастание. Микробиологическое загрязнение может происходить в слоях смолы, особенно в слоях, которые могут оставаться без технологического потока. Микробиологическое загрязнение может привести к серьезному засорению слоя смолы и даже к механическим повреждениям из-за чрезмерного падения давления на загрязненной смоле. Если микробиологическое загрязнение в резервных установках является проблемой, следует использовать постоянный поток оборотной воды, чтобы минимизировать проблему.В тяжелых условиях может потребоваться применение подходящих стерилизующих агентов и поверхностно-активных веществ.

Обрастание кремнезема . Загрязнение кремнеземом может происходить в смолах с сильным основным анионом, если температура регенерирующего агента слишком низкая, или в смолах со слабым основанием, если щелочь, вытекающая из блока SBA, используемого для регенерации элемента со слабым основанием, содержит слишком много кремнезема. При низких уровнях pH полимеризация диоксида кремния может происходить в смоле со слабым основанием. Это также может быть проблемой в отработанной анионной смоле с сильным основанием.Загрязнение кремнеземом удаляется путем длительного замачивания в теплой (120 ° F) каустической соде.

Причины необратимой деградации смолы

Окисление . Окислители, такие как хлор, разлагают как катионные, так и анионные смолы. Окислители разрушают сшивки дивинилбензола в катионной смоле, снижая общую прочность шарика смолы. По мере продолжения воздействия катионная смола начинает терять свою сферическую форму и жесткость, вызывая ее уплотнение во время эксплуатации.Это уплотнение увеличивает перепад давления в слое смолы и приводит к образованию каналов, что снижает эффективную производительность установки.

В случае хлора в сырой воде анионная смола не подвергается прямому воздействию, потому что хлор потребляется катионной смолой. Однако расположенные ниже по потоку смолы с сильным основанием на анионе загрязняются определенными продуктами разложения окисленной катионной смолы.

Если в сырой воде присутствует хлор, его следует удалить перед ионным обменом фильтрацией с активированным углем или сульфитом натрия.Приблизительно 1,8 ppm сульфита натрия требуется для потребления 1 ppm хлора.

Вода, насыщенная кислородом, такая как вода, обнаруженная после декарбонизации с принудительной тягой, ускоряет разрушение участков сильного обмена оснований, которое происходит естественным образом с течением времени. Он также ускоряет разложение из-за органического загрязнения.

Термическое разложение . Термическое разложение происходит, если анионная смола перегревается во время цикла обслуживания или регенерации. Это особенно верно для акриловых смол, которые имеют температурные ограничения до 100 ° F, и анионных смол с сильным основанием типа II, которые имеют температурный предел 105 ° F в форме гидроксида.

Органическое обрастание

Органическое загрязнение — наиболее распространенная и дорогая форма загрязнения и разложения смолы. Обычно в колодезной воде обнаруживается только небольшое количество органических веществ. Однако поверхностные воды могут содержать сотни миллионных долей природного и антропогенного органического вещества. Природная органика происходит из разлагающейся растительности. Они ароматические и кислые по своей природе и могут образовывать комплекс тяжелых металлов, таких как железо. Эти загрязнители включают дубильные вещества, дубильную кислоту, гуминовую кислоту и фульвокислоту.

Первоначально органические вещества блокируют участки сильного основания на смоле. Это засорение приводит к длительному окончательному ополаскиванию и снижает способность к расщеплению соли. По мере того как засорение продолжает оставаться на смоле, оно начинает разрушать участки сильного основания, снижая способность смолы к расщеплению солей. Функциональность сайта меняется с сильной базы на слабую и, наконец, на неактивный сайт. Таким образом, смола на ранних стадиях разложения демонстрирует высокую общую емкость, но пониженную способность к расщеплению солей.На этом этапе очистка от смолы все еще может вернуть некоторую, но не всю потерянную рабочую мощность. Потеря способности расщеплять соли снижает способность смолы удалять кремнезем и угольную кислоту.

Об органическом загрязнении анионной смолы свидетельствует цвет сточных вод из анионного блока во время регенерации, который варьируется от чайного до темно-коричневого. Во время работы очищенная вода имеет более высокую проводимость и более низкий pH.

Профилактика . Для уменьшения загрязнения органическими веществами используются, по отдельности или в комбинации, следующие методы:

Предварительное хлорирование и осветление.Вода предварительно хлорируется в источнике, а затем очищается с помощью средства для удаления органических веществ.
Фильтрация через активированный уголь. Следует отметить, что угольный фильтр имеет ограниченную способность удалять органический материал и что эффективность удаления угля следует часто контролировать.
Макропористая и слабая основная смола перед сильной основной смолой. Слабое основание или макропористая смола абсорбирует органический материал и элюируется во время регенерации.
Специальные смолы.Были разработаны акриловые и другие специальные смолы, которые менее подвержены органическому загрязнению.

Осмотр и очистка . В дополнение к этим профилактическим процедурам, программа регулярных проверок и очистки ионообменной системы помогает продлить срок службы анионной смолы. В большинстве процедур очистки используется одно из следующего:

Горячий (120 ° F) рассол и каустик. Для улучшения очистки могут быть добавлены мягкие окислители или солюбилизирующие агенты.
Кислота соляная.Когда смолы также загрязнены значительным количеством железа, используются соляные кислоты.
Растворы гипохлорита натрия 0,25-0,5%. Эта процедура разрушает органический материал, но также значительно разлагает смолу. Очистка от гипохлорита считается крайней мерой.

Важно очистить смолу с органическими загрязнениями до того, как произойдет чрезмерное необратимое разрушение участков сильного основания. Очистка после того, как произошла необратимая деградация, удаляет значительное количество органического материала, но не улучшает работу устройства.За состоянием смолы следует внимательно следить, чтобы определить оптимальный график очистки.

ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ СМОЛ

Для отслеживания состояния ионообменной смолы и определения наилучшего времени для ее очистки необходимо периодически брать пробы смолы и анализировать ее на физическую стабильность, уровни загрязнения и способность выполнять требуемый ионный обмен.

Образцы должны быть репрезентативными для всего слоя смолы. Следовательно, пробы следует собирать на разных уровнях в слое, либо следует использовать зерновой захват или полую трубу для получения «керновой» пробы.Во время отбора проб следует осмотреть впускной патрубок и распределитель регенератора и отметить состояние верхней части слоя смолы. Чрезмерные холмы или впадины в слое смолы указывают на проблемы с распределением потока.

Образец смолы следует исследовать под микроскопом на наличие признаков загрязнения, трещин или сломанных шариков. Также необходимо проверить его физические свойства, такие как плотность и содержание влаги (Рисунок 8-19). Уровень органических и неорганических загрязняющих веществ в смоле следует определять и сравнивать с известными стандартами и предыдущим состоянием смолы.Наконец, следует измерить расщепление солей и общую емкость на образцах анионной смолы, чтобы оценить скорость разложения или органического загрязнения.

Рисунок 8-1. Микроскопический вид гранул ячеистой смолы (20-50 меш) в наполнителе сульфированного стирол-дивинилбензол-катиона сильной кислоты. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Икс

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула сульфокислотной катионной смолы (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Икс

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Икс

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Икс

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Икс

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Икс

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Икс

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Икс

Рисунок 8-10. Умягчитель разделенного потока натриевого цеолита / водородного цеолита.

Икс

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Икс

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Икс

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Икс

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Икс

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Икс

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества стоков в двухслойной системе деминерализации.

Икс

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Икс

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Икс

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Икс

Химия ионного обмена

Автор: C.F. «Чубб» Мишо, MWS

Химия 101: элементы, соединения, кислоты, основания, соли и ионы
Все химические вещества, перечисленные в Периодической таблице элементов (см. Рисунок 1), состоят из атомов, которые представляют собой комбинации электронов (отрицательный заряд), протоны (положительный заряд) и нейтроны (нейтральный заряд). Протоны и нейтроны содержатся в ядре атома. Электроны окружают ядро как заряженное облако.Электроны и протоны всегда равны, поэтому все элементы нейтральны. Общее количество протонов определяет атомный номер (AN), а комбинация протонов и нейтронов определяет молекулярный вес (MW или атомный вес AW) элемента. Поскольку элементы нейтральны, соединение, которое они образуют, объединяя, также нейтрально. Пример: натрий (Na) — это элемент №11. В нем 11 протонов и 11 электронов. У него также 12 нейтронов, поэтому он имеет атомный номер 11 и МВт 23. Когда он вступает в реакцию с хлором (Cl) (Элемент # 17 с МВт 35.5) он образует соединение (хлорид натрия, NaCl), которое также является нейтральным и имеет молекулярную массу 58,5, сумму двух компонентов. Хлор встречается в природе с двумя первичными изотопами (варианты химического элемента, которые различаются числом нейтронов). У одного 18 нейтронов, а у другого 19, и они примерно одинаково распределены. Таким образом, средняя МВт представляет собой сумму протонов (17) плюс среднее значение нейтронов (18,5) для средней МВт, равной 35,5.

Когда элементы реагируют с водой (H ₂ O), они могут образовывать кислоты и / или основания.Хлор (Cl) образует кислоту (HCL и HOCl), а натрий (Na) образует основание (NaOH), как показано в следующих реакциях:
Реакция 1: Na + H ₂ O → NaOH + H ↑ выделяется газообразный водород и образуется гидроксид натрия.
Реакция 2: Cl ₂ + H ₂ O → HCl + HOCl образуются соляная и хлорноватистая кислоты.

Когда кислоты и основания взаимодействуют вместе, они образуют соли плюс вода:
Реакция 3: NaOH + HCl → NaCl + H ₂ O продукт нейтрализации — соль плюс вода.

Когда соль растворяется в воде, она распадается на ионы, которые являются заряженными частицами. Положительные ионы называются катионами, а отрицательные ионы — анионами. Заряд происходит из-за получения или потери отрицательных электронов.
Реакция 4: NaCl + H ₂ O ↑ Na ⁺ + Cl ^— + H ⁺ + OH ^— положительный и отрицательный заряды равны.

При диссоциации натрий теряет один электрон (потеря отрицательного заряда) и становится положительным (ион натрия) (см. Рисунок 2).Хлор приобретает один электрон и становится отрицательным (хлорид-ион). Они написаны, чтобы показать заряд как Na ⁺ и Cl ^—. Мы называем этот уровень заряда валентностью элемента или иона. Валентность определяется количеством электронов, потерянных или приобретенных при ионизации, и обычно ограничивается только внешней орбитой атома. Значения валентности типичны для элемента, но не фиксированы. Азот, например, имеет валентность -3 при соединении с водородом с образованием газообразного аммиака (NH ₃).Однако, когда он соединяется с кислородом с образованием нитрат-иона (NO ₃ ^—), он имеет валентность +5. Это потому, что азот (элемент №7) — это атом с пятью электронами на внешней орбите. Чтобы удовлетворить свою внешнюю орбиту, он может либо отдать пять электронов (становится положительным +5), либо забрать три электрона (становится отрицательным -3). На нижних концах столбца Периодическая таблица элементов магическое число для электронов представляет собой внутреннюю орбиту, равную двум, и внешнюю орбиту, равную восьми (см. Рисунок 2).

Когда элементы взаимодействуют друг с другом, они делают это на основе их эквивалентного веса (EW). EW — это реальное весовое число, которое приравнивает, сколько элемента A требуется для реакции с X количеством элемента B. В нашем примере молекулы, показанном на рисунке 2, потребуется 23 грамма (или миллиграммы, или фунты, или тонны) металлического натрия, чтобы полностью реагирует с 35,5 граммами (или фунтами и т. д.) газообразного хлора с образованием 58,5 г и т. д. хлорида натрия. MW элемента, деленная на его валентность, равна его эквивалентному весу.Это очень важно, когда речь идет о реакциях ионного обмена и многовалентных ионах (имеющих валентность> 1), таких как кальций, магний, сульфаты и мышьяк.

Пример: Сколько натрия вводится в поток воды из умягчителя, обрабатывающего 80 мг / л кальция и 24 мг / л магния? Молекулярная масса кальция составляет 40, а валентность — 2 (EW = 20). Молекулярная масса магния равна 24, а валентность также равна 2 (EW = 12). Молекулярная масса натрия составляет 23, а валентность — 1 (EW = 23). Итак, у нас EW для кальция (40/2 =) 20 и магния (24/2 =) 12.Натрий равен (23/1 =) 23. В эквиваленте 80/20 = 4 для кальция, 24/12 = 2 для магния. Таким образом, мы заменим 4 + 2 эквивалента жесткости на 6 эквивалентов натрия. Таким образом: 6 х 23 = 138 мг. Мы убрали жесткость 120 мг / л и заменили ее на 138 мг / л натрия. Мы сделали увеличили TDS, но мы не , а не увеличили количество эквивалентов (т. Е. Количество ионов или частей на миллион в виде карбоната кальция: CaCO ₃).

Отдельный атом любого элемента идентифицируется как этот элемент.Золото состоит из тех же электронов, протонов и нейтронов, что и гелий, но они очень разные. Алхимики пытались изменить это на протяжении веков. Каждый элемент имеет уникальную комбинацию электронов, протонов и нейтронов, которая определяет его свойства и то, как он ведет себя в химической реакции. Элементы с аналогичным поведением образуют семейства и представлены в виде одного вертикального столбца на Периодическая таблица элементов . Примером может служить семейство галогенидов (столбец 17): фтор, хлор, бром и йод, все уникальные, но все они имеют сходство с другими.Другой пример — инертные газы (столбец 18): гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Эти элементы очень счастливы сами по себе и не взаимодействуют с другими.

Как только соль растворяется в воде, она больше не связывается со своим противоионом (партнером, с которым она пришла). Смесь хлорида кальция, сульфата магния и бикарбоната натрия растворяется, диссоциирует и превращается в шесть разных и независимых ионов. Различные элементы из разных столбцов Периодическая таблица элементов будет иметь разную молекулярную массу и разную валентность из-за переноса электронов, когда они растворяются в воде (ионизируются).Эта разница в заряде и весе дает им более высокую и более низкую селективность (предпочтение по реакционной способности — более высокий заряд и более высокая молекулярная масса обычно увеличивают ионную селективность) при объединении с другими ионами, что может определять их растворимость или летучесть. Это основа равновесия в реакции ионного обмена. Это также причина того, почему работает ионный обмен.

Взгляд на атомы в перспективе
Отдельные атомы элементов чрезвычайно малы; настолько малы, что их размер трудно понять с точки зрения измерений, с которыми мы знакомы.Если мы возьмем эталон, такой как метр (одна десятимиллионная расстояния от экватора до Северного полюса), и разделим его на 1000 частей, мы получим миллиметр (мм). Мы используем миллиметры для измерения гранулированного фильтрующего материала, такого как активированный уголь. Разделите это на 1000, и мы получим микрон (мкм). Мы используем микроны для измерения даже более мелких частиц, которые мы все еще можем видеть (размер ионообменных смол обычно составляет от 300 до 1000 мкм), и некоторых, которые мы не можем увидеть без микроскопа (бактерии находятся в диапазоне размеров от 1 до 100 мм).Клетки крови человека имеют размер около 8 мкм. Разделив один микрон на 1000, мы получим нанометр (нм). Вы можете поместить около 100 000 из них в точку в конце этого предложения (рядом). Вот и все, но с точки зрения молекул он все еще довольно большой. Разделите нм на 10, и мы получим единицу измерения, называемую ангстремом (Å), которая составляет одну десятимиллиардную часть метра. Теперь мы находимся на уровне молекулярных размеров. Диаметр водорода составляет всего 0,25 Å; натрий и калий намного больше — около 2 Å.Атомы — это в основном пространство, поскольку ядро атома составляет всего около одной десятитысячной (1/10 000) его общего диаметра. Электронное облако имеет объем, но не считается большой массой. Представьте, если хотите, воздушный шар диаметром 10 метров (около 33 футов или 10 000 мм) (с объемом> 500 м ³). Поместите песчинку в центр сферического шара и крошечную пылинку на внешней поверхности. У вас есть пропорциональная модель атома водорода с песчинкой, представляющей размер ядра, и частицей пыли, представляющей электронное облако.Это помогает нарисовать картину того, что наша Вселенная и все, что в ней, в значительной степени представляет собой пустое пространство.

Константа Авагадро
Амедео Авагадро (1776–1856), итальянский физик, работавший в начале 19 века. В 1811 году Авагадро заметил, что «одинаковые объемы разных газов при одинаковой температуре и давлении имеют одинаковое количество молекул». Это стало известно как закон Авагадро. В течение следующего столетия несколько блестящих ученых, использовавших различные методы для проведения расчетов, ответили на вопрос стоимостью 64 доллара: сколько молекул содержится в грамм-моль любого элемента? Грамм-моль любого вещества — это количество этого вещества, измеренное в граммах, которое по количеству равно молекулярной массе этого вещества (т.е., 12 грамм углерода, 1 грамм водорода, 197 грамм золота). Ответ — 6,022 x 1023 (то есть 602,200,000,000,000,000,000,000) и получил название числа Авагадро (NA) в честь физика.

Если вы разделите количество грамм-моля любого элемента на его валентность, вы получите число, которое представляет собой эквивалентный вес в граммах этого вещества. Кальций имеет молекулярную массу 40 и валентность = 2. EW для кальция составляет (40/2 =) 20, а грамм-эквивалент составляет 20 граммов. Это важное соотношение, потому что в химии ионного обмена емкость выражается в миллиэквивалентах на миллилитр (мэкв / мл).Это то же самое, что и грамм-эквивалент / литр или экв / л. Значение емкости 1,0 мэкв / мл означает, что ионообменная смола будет иметь способность удерживать 20 мг кальция на миллилитр смолы или 1,0 эквивалент кальция на литр смолы (1,0 эквивалент кальция = 20 г).

Ионообменные смолы
Ионообменная смола представляет собой полимер (пластик), обычно используемый в виде небольшого шарика (около 0,5 мм [500 мкм]), который содержит фиксированную нерастворимую матрицу как часть структуры шарика и подвижный или сменный подвижный ионный компонент, который можно заменить на другие подвижные ионы в растворе.Степень обмена — это переменная, которая определяется ранее упомянутой избирательностью. Кальций, например, образует двухвалентный ион (Ca ⁺²), который имеет более сильное притяжение к обменной матрице, чем одновалентный натрий (Na ⁺¹). Следовательно, если раствор, содержащий Ca ⁺², проходит через слой смолы в форме Na ⁺¹, матрица улавливает более селективный Ca ⁺² и высвобождает менее прочно удерживаемый Na ^+1..Вот как и почему работает кондиционер.
Реакция 5: Ca (HCO ₃) ₂ + O ^-Na ↔ O ^-Ca + NaHCO ₃ реакция размягчения. Знак ↔ указывает на то, что реакция обратимая.
Реакция 6: O ^-Ca + NaCl ↔ O ^-Na + CaCl ₂ + NaCl реакция регенерации показывает избыток использованной соли.

Смягчающие смолы довольно малы, их диаметр составляет всего около 600 мкм (0,6 мм).Подсчитано, что вы можете поместить 6 891 038 из них в литровый стакан. Каждая крошечная бусинка имеет внутри 1,75 x 10 ¹⁷ реактивных узла. Полностью насыщенный кубический фут катионо-смягчающей смолы может содержать 56,64 эквивалента чистой кальциевой жесткости. Это почти два с половиной фунта (56,64 x 20 = 1132,8 грамма).

Селективность
В Периодическая таблица элементов , начиная с верхнего левого угла с Элемента № 1 (водород), чем дальше вы идете вниз по таблице и чем дальше вправо, тем выше селективность по катиону. разновидность.Многие элементы образуют анионные частицы. Как правило, неметаллы, такие как сера (S), фосфор (P), углерод (C), кремнезем (Si) и мышьяк (As), соединяются с кислородом и превращаются в окси-анионы (обычно с «ат» или ите ‘в названии). Семейство галогенов образует анионы (без кислорода они образуют «иды»). Фиг.3 представляет собой таблицу ², показывающую относительную селективность по выбранным ионам на типичной 8-процентной поперечно-сшитой катионной (смягчающей) смоле, работающей в форме натрия (Na-соли), и смоле, снижающей щелочность типа I, работающей в форме хлорида. .(SAC означает сильный кислотный катион, а SBA означает сильный основной анион.)

Что может пойти не так?
Да, вы можете использовать обычный умягчитель, регенерированный солью (NaCl), для удаления аммония из питательной воды, поскольку селективность по аммонию (NH ₄ ⁺) выше, чем по натрию (Na ⁺) ( 1,29 против 1,0). Но что происходит, когда смола приближается к истощению и / или у вас появляется жесткость (селективность по кальцию [Ca] и магнию [Mg] намного выше, чем по аммонию [NH ₄]) (2.61 и 1,66 против 1,29)? Вы будете сбрасывать аммоний, возможно, в 5-10 раз больше, чем в питательной воде. То же самое справедливо для нитритов и нитратов в воде с высоким содержанием сульфатов. Не нужно беспокоиться о том, что радий удалит умягчитель, потому что радий имеет гораздо более высокую селективность, чем твердость (13,0 против 2,61 и 1,66). То же самое и с ураном над сульфатом. Убедитесь, что вы понимаете последовательность, в которой ионы захватываются и высвобождаются ионообменными смолами. Селективность по SBA по хрому +6 (CrO ₄ ^-2) составляет 100.Он намного более селективен, чем сульфат, и будет предпочтительно улавливаться даже после того, как смола исчерпает сульфаты. Селективность по мышьяку +5 (HAsO ₄ ^-2) составляет 4,5. Это ниже, чем у сульфата (6.1). * Будьте осторожны! Уменьшите настройку мощности, чтобы не исчерпать смолу, чтобы избежать сброса большого количества мышьяка обратно в очищенный поток.

* Селективность определенных ионов изменяется в зависимости от конфигурации конкретной анионной смолы.Тип I имеет другой порядок избирательности и абсолютное относительное значение, чем Тип II. То же самое и со слабыми основными смолами в линии прямого ввода-вывода. За последние 25 лет были достигнуты большие успехи в разработке анион-селективных смол и ионообменных адсорбентов с очень высокой селективностью в отношении нитратов, мышьяка, перхлоратов, урана, хромата и других. ³

Заключение
Ионный обмен — отличная среда для селективного удаления загрязнений.Ионный обмен работает по принципу притяжения положительных и отрицательных зарядов и селективности. Однако выбор правильной ионообменной обработки немного шире, чем простая покупка в Интернете того, что звучит как подходящая смола. Лучший совет — поговорить с теми, кто знаком с правильным дизайном. Делайте домашнее задание и не бойтесь задавать вопросы. Когда вы имеете дело с канцерогенами и токсичными элементами, вы не можете позволить себе потерпеть неудачу.

Ссылки

Определение фемтометра и диаметра протона. Википедия .
Michaud, C.F. «Основы химии — часть 3», WC&P International , июнь 1998 г.
Пуролит. Руководство по техническим возможностям , Purolite Co., Bala Cynwyd, PA

Об авторе
C.F. «Чубб» Мишо, главный специалист по водным ресурсам, является техническим директором и генеральным директором компании Systematix в Буэна-Парк, Калифорния, которую он основал в 1982 году. Он занимал пост председателя нескольких секций, комитетов и рабочих групп в WQA, в прошлом — директор и Губернатор WQA и в настоящее время входит в состав Совета PWQA, возглавляя технический и образовательный комитеты.Мишо является гордым членом Залов славы WQA и PWQA, был удостоен награды WQA Award of Merit и дважды был лауреатом премии Роберта Ганса PWQA. С ним можно связаться по телефону (714) 522-5453 или по электронной почте [email protected].

История, введение и кинетика ионообменных материалов

За последние несколько десятилетий ионообменные материалы превратились из лабораторных инструментов в промышленные продукты, оказавшие значительное техническое и коммерческое влияние.В данной статье кратко излагается история развития ионообменных материалов. В статье определены ионообменные материалы и их типы. В статье представлена кинетика процесса ионного обмена с описанием факторов, влияющих на скорость ионного обмена. Механизм ионного обмена также был обрисован схематической диаграммой, иллюстрирующей, что существует два типа диффузии: диффузия, контролируемая пленкой и частицами. Также был включен краткий математический подход к кинетике ионного обмена.

1. Введение

1.1. Историческая справка

Всякий раз, когда ион удаляется из водного раствора и заменяется другим ионным веществом, это обычно называется «ионным обменом». Это древняя техника, внесенная в культурное наследие. Ренессансная керамика Средиземноморского бассейна, состоящая из тонкой стеклянной пленки, имела неоднородное распределение наночастиц серебра и меди различного размера, нанесенных на керамическую подложку [1–3]. Осаждение меди / серебра было получено путем нанесения смеси солей и оксидов меди и серебра вместе с уксусом, охрой и глиной на поверхность ранее глазурованной глиняной посуды.Затем вся система была нагрета примерно до 600 ° C в восстановительной атмосфере, создаваемой введением курительных веществ в печь. В этих условиях индуцировался процесс ионного обмена между ионами металлов и ионами щелочных металлов в стекле. Позже ионы металлов с последующим восстановлением агрегировались, оставаясь захваченными в первом слое.

Еще до рассвета человеческой цивилизации технику ионного обмена можно проследить до Священной Библии, где упоминается приготовление питьевой воды «Моисеем» из солоноватой воды.

Хотя обмен катионами как явление было впервые обнаружено чуть более ста лет назад, два английских агрохимика, Томпсон и Уэй, отметили, что одни почвы обладают большей способностью, чем другие, поглощать аммиак из удобрений [4, 5] . Они обнаружили, что сложные силикаты в почве выполняют функцию ионного обмена. В лаборатории они смогли приготовить материалы такого типа из растворов алюмината натрия и силиката натрия. В 1906 году Робер Ганс использовал материалы этого типа для умягчения воды и обработки сахарных растворов [6].Первые органические ионообменники были синтезированы в 1935 г .; Адамс и Холмс обнаружили, что раздавленные пластинки фонографа обладают ионообменными свойствами [7]. В середине 1940-х годов были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации стирола, сшитого с дивинилбензолом. Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола и дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это нововведение сделало возможной полную деминерализацию воды.

Открытие ионообменников было предопределено общим прогрессом фундаментальной науки в середине (Майкл Фарадей, концепция ионов) и позднем (Сванте Аррениус, теория электролитических растворов) восемнадцатого века. Эти идеи имели решающее значение для научного открытия ионообменников, потому что такие материалы, как органические, так и неорганические, по существу являются полиэлектролитами . Это означает, что их можно рассматривать как состоящие из двух ионов противоположного заряда. В отличие от обычных электролитов, ионы с одним зарядом закреплены на полимерной (органические ионообменники) или кристаллической (неорганические ионообменники) структуре.Как и любое ионное соединение, ионообменный материал может диссоциировать и участвовать в реакциях ионного обмена. Однако диссоциация не приводит к растворению материала. Это вызывает множество специфических явлений и множество возможностей для создания гетерогенных систем с ионными свойствами (таблица 1).


Имя / источник ученого	Прорыв в области ионного обмена	Год

Water debitter		~ 1400 г. до н.э.
Аристотель	Аристотель обнаружил, что морская вода теряет часть своего содержания соли при просачивании через определенный песок.	~ 330 BC
Х.С. Томпсон	Томпсон пропустил раствор навоза через фильтр, сделанный из обычной садовой почвы, и обнаружил, что аммиак был удален из раствора.	1845
Х. С. Томпсон и Дж. Т. Уэй Дж. Спенс	Распознавание явления ионного обмена и описание его основных характеристик. Было обнаружено, что ионообменные свойства почв основаны на их содержании в небольших количествах цеолитов.	1848–1852
H. Eichorn	Доказано, что адсорбция ионов глинами и цеолитами представляет собой обратимую реакцию.	1858
J. Lemberg	Цеолиты, признанные переносчиками обмена оснований в почвах; доказана эквивалентность обмена базами.	1876
F. Харм, А.Rumpher, S. Mayert и K. Halse	Искусственные цеолиты, используемые для удаления калия из сахарных соков. Первый синтетический промышленный ионообменник. Производство сульфированных углей и предложения по удалению калия из сахарных соков.	1901–1902
R. Gans	Обнаружил, что цеолиты можно использовать для смягчения жесткой воды. Он также изобрел процессы синтеза цеолитов и сконструировал оборудование — цеолитный смягчитель воды, используемый для извлечения золота из морской воды.	1905
О. Фолин, Р. Белл	Первое аналитическое приложение ионного обмена.	1917
Дж. Уайтхорн	Первое использование ионного обмена в колоночной хроматографии.	1923
A. Bahrdt	Первое использование ионообменной колонки для анализа анионов.	1927
O. Leibknecht	Были разработаны совершенно новые типы катионитов.Их можно было использовать не только в натриевом цикле при регенерации с помощью соли, но также в водородном цикле при регенерации с помощью кислоты. Одна группа этих катионитов была углеродистой, которая была получена сульфированием угля.	1934–1939
Б. А. Адамс и Э. Л. Холмс	Синтез первого органического ионообменника.	1934–1935
Г.Ф. D’alelio	Изобретение катионитов полимеризации сульфированного полистирола.	1942
Г. Э. Бойд, Дж. Шуберт и А. В. Адамсон	Демонстрация применимости ионного обмена для адсорбции продуктов деления в отслеживаемых количествах.	1942
К. Х. Макберни	Изобретение анионитов полимеризации аминированного полистирола.	1947
A. Skogseid	Получение калийспецифической полистирольной катионообменной хелатирующей смолы.	1947
Дж.А. Маринский, Л. Е. Гленденин и К. Д. Кориелл	Открытие прометия, элемента, встречающегося в природе, приписывают ионному обмену.	1947
Д. К. Хейл, Д. Райхенберг, Н. Э. Топп и К. Г. Томас	Разработка карбоксильных аддитивных полимеров в качестве слабокислотных катионитов.	1949–1956
Р. М. Баррер и Д. В. Брек	Новые цеолиты как молекулярные сита с ионообменными свойствами.	1951–1956
H.П. Грегор, К. В. Пеппер и Л. Р. Моррис	Изобретение и разработка хелатирующих полимеров.	1952–1971
М. А. Петерсон, Х. А. Собер	Разработка ионообменников целлюлозы.	1956
F. Helfferich	Заложены основы нового теоретического рассмотрения ионного обмена.	1959
Т. Р. Крессманн и Дж. Р. Миллар	Изобретение и разработка изопористых ионообменных смол.	1960
J. Weiss	Термически регенерируемый ионный обмен и опреснение воды на их основе.	1964

1.2. Ионообменные материалы

Ионный обмен — это химическая реакция, в которой свободные подвижные ионы твердого тела, ионообменника, обмениваются на различные ионы с одинаковым зарядом в растворе. Обменник должен иметь открытую сетчатую структуру, органическую или неорганическую, которая переносит ионы и позволяет ионам проходить через нее.

Ионообменник — это нерастворимое в воде вещество, которое может обменивать часть своих ионов на ионы с одинаковым зарядом, содержащиеся в среде, с которой он контактирует; это определение всеобъемлющее. Термин «вещество», а не соединение, включает множество обменников — некоторые из них являются натуральными продуктами, не имеющими четко определенного состава. Термин «среда» означает, что ионный обмен может происходить как в водном, так и в неводном растворе, в расплавленных солях или даже при контакте с парами.Определение не ограничивается твердыми веществами, поскольку некоторые органические растворители, которые не смешиваются с водой, могут извлекать ионы из водного раствора по механизму ионного обмена [10].

Определение также указывает на процесс ионного обмена. В основном он состоит из контакта между теплообменником и средой, в которой происходит обмен. Обычно это твердый ионообменник и водный раствор. Тот факт, что ионы обмениваются, означает, что теплообменник должен быть ионизирован, но только один из ионов в теплообменнике является растворимым.Этот ион может обмениваться, в то время как другой, будучи нерастворимым, не может этого делать.

Если мы представим ионообменник как M ⁺ X ^—, чтобы показать, что он ионизирован (M ⁺ является растворимым ионом), и представим его помещенным в раствор соли NY, которая ионизируется, давая ионов N ⁺ и Y ^—, реакцию обмена можно записать следующим образом: Это напоминает простую реакцию замещения между двумя солями MX и NY. Поскольку ион Y ^— не принимает участия в реакции, его можно не включать в обе части уравнения, которое затем упрощается до В этом примере происходит обмен катионов, аналогично аналогичное уравнение может быть записано для ионного обмена, когда нерастворимый ион в обменнике является катионом.

Нет строгой разницы между ионообменной смолой и хелатирующими смолами, потому что некоторые полимеры могут действовать как хелатирующие или нехелатирующие вещества в зависимости от химической среды. Ионный обмен похож на сорбцию, потому что оба являются поверхностным явлением, и в обоих случаях твердое вещество поглощает растворенные частицы. Характерное различие между этими двумя явлениями заключается в стехиометрическом характере ионного обмена. Каждый ион, удаленный из раствора, заменяется эквивалентным количеством того же заряда (рис. 1).С другой стороны, при сорбции растворенное вещество обычно поглощается нестехиометрически без замены.

Обычно ионообменные материалы подразделяются на две категории: катиониты и аниониты, в зависимости от типа ионных групп, присоединенных к материалу.

Катионообменные материалы, содержащие отрицательно заряженные группы, такие как сульфат, карбоксилат, фосфат, бензоат и т. Д., Прикреплены к материалу основной цепи и позволяют прохождение катионов, но отталкивают анионы, в то время как анионообменные материалы, содержащие положительно заряженные группы, такие как аминогруппа, алкил замещенный фосфин (), алкилзамещенные сульфиды () и т. д. прикрепляются к материалам основной цепи и позволяют проходить анионам, но отклоняют катионы.Существуют также амфотерные обменники, способные обменивать и катионы, и анионы одновременно. Однако одновременный обмен катионов и анионов может быть более эффективно осуществлен в смешанных слоях , которые содержат смесь анионных и катионообменных смол, или пропускании обработанного раствора через несколько различных ионообменных материалов. Существует еще один класс ионообменников, известный как хелатный ионообменник. Многие ионы принимают неподеленную пару электронов от лигандов, устанавливая ковалентные связи, называемые координационными связями.В зависимости от количества координационных связей лиганд называют монодентатным, бидентатным или полидентатным. Координационные взаимодействия очень специфичны. Примером координационного соединения является координация иона металла с этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА) (рис. 2).

Органическая структура функциональных групп часто содержит атомы азота, кислорода и серы, которые являются электронодонорными элементами (рис. 3).

1.3. Типы ионообменных материалов
По происхождению ионообменные материалы можно разделить на природные и синтетические (рис. 4).

1.4. Натуральные органические продукты
Некоторые натуральные органические материалы обладают ионообменными свойствами или могут быть обработаны простой химической обработкой. Клетки растений и животных действуют как ионообменники благодаря наличию карбоксильных групп амфотерных белков. Эти карбоксильные группы (–CO ₂ H) и фенольные группы (–OH) являются слабокислотными и будут обменивать свои ионы водорода на другие катионы в нейтральных или щелочных условиях. Гумины и гуминовые кислоты, содержащиеся в природном почвенном «гумусе», являются примерами этого класса обменников; частично разложившиеся и окисленные растительные продукты содержат кислотные группы.На рынке продается несколько органических продуктов на основе обработанной целлюлозы либо в виде волокон для использования в ионообменных колонках, либо в качестве фильтровальной бумаги для ионообменного разделения на бумаге. Многие ионообменники были получены из других природных материалов, таких как древесина, волокна, торф и уголь, путем окисления азотной кислотой или, что еще лучше, концентрированной серной кислотой, когда группа сильнокислой сульфоновой кислоты (–SO ₃ H) вводится в материал. Последний процесс был особенно успешным для сульфированных углей.Они могут обмениваться в кислотном растворе, потому что сама обменивающаяся группа ионизируется в этих условиях, тогда как более слабые карбоксильные и фенольные группы — нет. У всех этих материалов есть определенные недостатки; однако они имеют тенденцию окрашивать обрабатываемые растворы, и их свойства трудно воспроизвести из-за сложности контроля над обработкой, которую они проводят.
1.5. Природные неорганические продукты
Многие природные минеральные соединения, такие как глины (например,например, бентонит, каолинит и иллит), вермикулит и цеолиты (например, анальцит, шабазит, содалит и клиноптилолит) обладают ионообменными свойствами. Природные цеолиты были первыми материалами, которые использовались в процессах ионного обмена. Глиняные материалы часто используются в качестве засыпных или буферных материалов для свалок радиоактивных отходов из-за их ионообменных свойств, низкой проницаемости и легкости обработки. Глины также можно использовать в процессах периодического ионного обмена, но обычно они не подходят для работы в колонне, поскольку их физические свойства ограничивают поток через слой.
1,6. Модифицированные природные ионообменники
Для улучшения обменной емкости и селективности некоторые природные ионообменники модифицированы; например, катиониты на основе целлюлозы могут быть модифицированы введением фосфатных, угольных или других кислотных функциональных групп.
Параметры сорбции природных материалов могут быть изменены путем химической и / или термической обработки; например, обрабатывая клиноптилолит разбавленным раствором кислот или некоторых солей, можно разработать более селективную форму сорбента для конкретного радионуклида [11].
В Японии природные минералы, обработанные щелочными растворами в гидротермальных условиях, были предложены для сорбции цезия и стронция из раствора. Эти обработки позволили получить материалы с коэффициентами распределения от 1000 до 10000. Сообщалось о хороших результатах удаления цезия и стронция неолиновыми глинами, модифицированными фосфорной кислотой [12].
1,7. Синтетические органические ионообменники
В 1935 году два химика из Национальной химической лаборатории в Теддингтоне, Адамсе и Холмсе [7] продемонстрировали, что органические ионообменные смолы могут быть синтезированы аналогично хорошо идентифицированной смоле «Бакелит», которая была подготовил Бэкеланд в 1909 году.«Бакелит» представляет собой твердый, нерастворимый полимер конденсационной смолы, который можно легко получить путем нагревания вместе фенолов и формальдегида в присутствии кислоты или основания с удалением воды. В основном реакция проходит в два этапа (рис. 5).

Повторение предыдущих реакций приведет к образованию трехмерной структуры, содержащей слабокислотные фенольные группы –OH или OR (рис. 6).

Адамс и Холмс показали, что они обмениваются ионами водорода в щелочном растворе; они также приготовили катионит, который работал в кислотном растворе, вводя в структуру сильнокислые группы сульфоновой кислоты –SO ₃ H.Это осуществляли либо сульфированием конечного продукта, либо использованием в качестве исходного материала не фенола, а фенолсульфоновой кислоты, в которой группа сульфоновой кислоты уже присутствовала.
Путем соответствующей модификации своего синтеза они также смогли ввести основные группы, производные от аминов, и таким образом получить синтетические аниониты. Впервые стало возможным получать в контролируемых условиях как катионит, так и анионообменные смолы, поведение и стабильность которых значительно опережают другие материалы.
Конденсационные смолы успешно использовались до появления современных технологий химии высоких полимеров. В 1944 году д’Алелио в США производил материалы высшего качества. Смолы Д’Алелио, как и большинство их потомков, основывались на регулярной трехмерной сетке, образованной полимеризацией стирола, производного бензола (см. Рисунок 7).

Двойная связь в боковой цепи может быть разорвана, а стирольные звенья соединены встык, образуя полимерную цепь (рис. 8).

Здесь повторяющееся звено на основе молекулы стирола встречается миллионы раз. Стирол также можно рассматривать как производное этилена, в котором один атом водорода заменен фенильной группой, –C ₆ H ₆. Подобно тому, как этилен может полимеризоваться в полиэтилен (полиэтилен), стирол легко полимеризуется в полистирол. Цепи могут быть связаны вместе в двух- и трехмерные структуры, если стирол смешан с небольшой долей дивинилбензола (рис. 9), который по своим свойствам напоминает стирол, но имеет две ненасыщенные боковые цепи, через которые он может полимеризоваться.

Полимер, образованный из смеси стирола и дивинилбензола, состоит из цепей, подобных упомянутым ранее, связанных с другой цепью, где единицей является молекула дивинилбензола вместо стирола (рис. 10).

В областях, обведенных пунктирными линиями, цепи связаны друг с другом, и если мы представим себе это в трех измерениях, легко увидеть, что полученный полимер образует довольно регулярную сеть (рис. 10). Связи между цепями называются «поперечными связями», и смола обычно характеризуется процентным содержанием дивинилбензола (ДВБ), использованного при ее получении; таким образом, 2% сшитая смола содержит 2% ДВБ и 98% стирола.
Д’Алелио приготовил такие смолы путем эмульсионной полимеризации с использованием подходящих эмульгаторов, из которых смола осаждается в виде сферических шариков. Сам по себе полимер не работает как ионообменник, но его можно сульфировать так же, как и конденсационные смолы, вводя сильнокислотную группу, такую как –SO ₃ H, в бензольные кольца полимера. Ионы водорода этой группы будут обмениваться с другими катионами в растворе.
Помня о том, что одно бензольное кольцо повторяется много раз в полимере, основные этапы введения обменивающихся групп (или «функциональных» групп, как их обычно называют) показаны на рисунке: катионообмен (а) и анионный обмен. (б) (Рисунок 11).
Вторая из этих реакций дает соль четвертичного аммония, которая сильно ионизируется и легко превращается в соответствующее основание. Анион легко обменивается с другими анионами при всех значениях pH. Катион образует часть цепи или сети нерастворимого полимера, так что теплообменник в целом нерастворим в воде.
Синтетические ионообменники, такие как смолы на основе полистирола, которые составляют основу большинства смол, доступных сегодня на рынке, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с более ранними природными органическими обменниками: (1) метод синтеза более контролируемый, а конечный продукт более однородный по размеру частиц, степени сшивки и содержанию функциональных групп; (2) подходящим изменением этих факторов может быть приготовлен широкий спектр различных продуктов; (3) продукт имеет сферическую форму, в отличие от частиц неправильной формы, образующихся при измельчении и просеивании твердой массы конденсационной смолы.Это сводит к минимуму отходы; кроме того, сферические частицы более равномерно упаковываются в слои, чем частицы неправильной формы. Это влияет на структуру потока растворов через слои и упрощает контроль их поведения; (4) физическая и химическая стабильность этих смол выше, чем у конденсационных смол.
1,8. Синтетические неорганические ионообменники
1.8.1. Синтетические цеолиты
Цеолиты представляют собой кристаллические гидратированные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, имеющие бесконечную трехмерную атомную структуру [13].Кроме того, они характеризуются способностью обратимо терять и приобретать воду и обмениваться определенными составляющими атомами, также без значительного изменения атомной структуры. Наряду с минералами кварца и полевого шпата цеолиты представляют собой трехмерные каркасы из силикатных (SiO ₄) тетраэдров, в которых все четыре угловых атома кислорода каждого тетраэдра являются общими с соседними тетраэдрами. Если каждый тетраэдр в каркасе содержит кремний в качестве центрального атома, вся структура электрически нейтральна, как и кварц (SiO ₂).В структурах цеолита часть четырехзарядного кремния заменяется трехзарядным алюминием, что приводит к дефициту положительного заряда. Заряд уравновешивается наличием одно- и двухзарядных атомов, таких как натрий (Na ⁺), калий (K ⁺), аммоний (Nh5 ⁺), кальций (Ca ²⁺). и магний (Mg ²⁺) в других частях структуры. Эмпирическая формула цеолита имеет вид где M представляет собой любой атом щелочного или щелочноземельного металла, представляет собой заряд на этом атоме, представляет собой соотношение диоксида кремния и оксида алюминия, число варьируется от 2 до 10 и является числом от 2 до 7.Химическая формула клиноптилолита, обычного природного цеолита:
Атомы или катионы (т. Е. Заряженные атомы металла) во втором наборе круглых скобок известны как структурные атомы, потому что вместе с кислородом они составляют жесткий каркас структуры. Те, которые указаны в первом наборе круглых скобок, известны как обмениваемые ионы, потому что они могут быть более или менее легко заменены (заменены) другими катионами в водном растворе, не затрагивая алюмосиликатный каркас.Это явление известно как ионный обмен или, чаще, катионный обмен. Процесс обмена включает замену одного однозарядного обменного атома в цеолите одним однозарядным атомом из раствора или замену двух однозарядных обменных атомов в цеолите одним двухзарядным атомом из раствора. Величина такого катионообмена в данном цеолите известна как его катионообменная емкость (CEC) и обычно измеряется в молях обменного катиона на грамм (или 100 г) цеолита или в эквивалентах обменных катионов на грамм. (или 100 грамм) цеолита.
1.8.2. Соли многоосновных кислот
Это кислые соли многовалентных, в основном четырехвалентных металлов, образующиеся при смешивании кислотных оксидов металлов, принадлежащих к IV, V и VI группам периодической таблицы. Они имеют нестехиометрический состав в зависимости от условий выпадения осадков. В частности, соли четырехвалентных металлов и кислот (tma) [14, 15] приобретают все большее значение из-за их превосходной термической стабильности и химического сопротивления. Это катиониты, имеющие общую формулу M (IV) (HXO ₄) 2 × H ₂ O, где M (IV) = Zr, Ti, Sn, Ce, Th и т. Д. И X = P , W, As, Mo, Sb и т. Д.Эти материалы обладают структурными гидроксильными группами, причем H в –OH является обменными центрами. Они обладают значительной ионообменной способностью, а также высокой селективностью по отношению к некоторым ионам металлов. Соли ТМА могут быть получены как в аморфной, так и в кристаллической формах. Хотя структуры кристаллических материалов хорошо известны, было обнаружено, что они не подходят для работы в колоннах, поскольку их получают в виде порошков. С другой стороны, аморфные материалы могут быть получены в гранулированной форме, очень подходящей для работы в колоннах [16].Соли ТМА, синтезируемые золь-гель методами, материалы с различным содержанием воды, составом, ионообменной емкостью и кристалличностью могут быть получены путем изменения параметров, таких как стехиометрия и концентрация используемых реагентов, температура, при которой они смешиваются, скорость добавления , режим перемешивания и pH. Ионообменные материалы с более высокой селективностью постоянно исследуются [17].
1.8.3. Водные оксиды
Водные оксиды некоторых ионов металлов также используются в качестве ионообменных материалов, таких как свежеосажденные оксиды трехвалентных металлов.
1.8.4. Ферроцианиды металлов
Нерастворимые ферроцианиды металлов также используются в качестве неорганических ионообменных материалов, широко известных как поглотители щелочных металлов. Их легко приготовить, и они широко используются при обращении с радиоактивными отходами.
1.8.5. Нерастворимые ионообменные материалы
Они представляют большой интерес как ионообменники и получают в основном осаждением из раствора соли металла сульфидом натрия и сероводородом.
1.8.6. Гетерополикислоты
ГПК представляют собой сложные протонные кислоты, в состав которых входят полиоксометаллат-анионы (гетерополианионы), имеющие металло-кислородные октаэдры в качестве основных структурных единиц [10]. Гетерополисоединения являются довольно сильным окислителем. Гетерополикислоты используются в качестве ионообменников, полученных из 12 HPA с общей формулой H _n XY ₁₂ O ₄₀ · H ₂ O. Первым охарактеризованным и наиболее известным из них является гетерополианион Кеггина, обычно представленный по формуле XM ₁₂ O ₄₀ ^{x −8}, где X — центральный атом (Si ⁴⁺, P ⁵⁺ и т. д.), является его степенью окисления, а M представляет собой ион металла (Mo ⁶⁺ или W ⁶⁺).
2. Механизм ионообменного процесса
Наиболее распространенная система ионного обмена включает набухший в воде ионообменный материал и окружающий водный раствор. Ионный обмен, как и любой гетерогенный процесс, осуществляется переносом ионов к межфазной границе и от нее; то есть саму химическую реакцию, диффузию внутри материала и диффузию в окружающем растворе следует рассматривать как ионный обмен.Помимо двух основных фаз, следует отдельно рассматривать тонкую пленку раствора на поверхности теплообменника. Свойства пленки отличаются от свойств окружающего объемного раствора. Неизбежно образование тонкой пленки. Даже сильное перемешивание только уменьшает толщину межфазной пленки.
На рисунке 12 показана простейшая иллюстрация массопереноса при ионном обмене. Ионы B диффундируют из раствора через пленку в шарики, а ионы A диффундируют из шариков, пересекая пленку, в раствор.Эта межфазная диффузия противоионов называется ионным обменом. Противоионы — это обменные ионы, переносимые ионообменниками. Противоионы могут свободно перемещаться внутри рамки, но их движение должно компенсироваться соответствующими встречными движениями других ионов того же изменения, выполняющих принцип электронейтральности. Термин «противоион» имеет два толкования: (а) он может использоваться исключительно для ионов внутри ионообменника. (Б) Он может использоваться в широком смысле, будь то в теплообменнике или во внешнем растворе; все ионные частицы со знаком заряда, противоположным знаку заряда функциональных групп, могут быть названы противоионами.

Коион — это термин, используемый для обозначения ионных частиц с тем же знаком заряда, что и функциональная группа. Ионная форма — это термин, определяющий, какой противоион присутствует при ионном обмене.
Любой противоион, покидающий ионообменник, заменяется эквивалентным количеством других противоионов. Это следствие требования электронейтральности. Когда противоион пересекает межфазную границу, между двумя фазами создается электрический потенциал. Этот потенциал должен быть компенсирован движением другого противоиона в противоположном направлении (ионный обмен) или движением коиона в том же направлении.Во многих системах, особенно в разбавленном растворе, исключение Доннана (исключение Доннана: уменьшение концентрации подвижных ионов внутри ионообменной мембраны из-за присутствия фиксированных ионов того же знака, что и подвижные ионы) ограничивает попадание коионов в обменник во время весь процесс. В этом случае коионы не участвуют в реакции и мало влияют на скорость. Однако косвенное влияние может иметь место.
Из рисунка 13 ясно, что сначала растворенная соль диссоциирует, содержащую первый ионный этап, а затем следует диффузия первого иона из раствора к межфазному пленочному этапу.Затем ион диффундирует из ступеньки пленки к ступени материальной фазы. Ион связывается со стадией функциональной группы, и затем на стадии происходит диссоциация второго иона и функциональной группы. Второй ион диффундирует внутри материальной фазы по направлению к ступеньке поверхности. Второй ион диффундирует внутри межфазной ступени пленки с последующей диффузией и случайным распределением на ступени растворения. Таким образом, формирование второй ионной пары завершает этап.

2.1. Селективность ионообменных материалов
Селективность — это параметр, который определяется в конкретных условиях раствора.Другое равновесие, связанное с интересующим ионом, может влиять на селективность иона. Для объяснения избирательности обмена были привлечены три основных класса моделей.
Немеханические модели были получены с использованием принципов действия масс и термодинамики, механистических моделей, основанных на теории двойного диффузного слоя, и механистических моделей, полученных из энергетики гидратации и электростатических взаимодействий.
Вычисление коэффициентов селективности воздействия масс на основе данных измерений ионного обмена, возможно, является наиболее распространенным методом обработки селективности катионного обмена.В идеале такие коэффициенты оценивают константы термодинамического равновесия (~). Такая обработка ионного обмена не делает различий между твердой и жидкой фазами и, следовательно, требует определения активности для адсорбированных ионов. Vanselow (1932) предположил, что активность адсорбированных ионов близко аппроксимируется мольными долями ионов, адсорбированных на твердом теле [18]. Однако измеренные коэффициенты Ванзелова () часто меняются в зависимости от ионного состава теплообменника и общей ионной силы уравновешивающего раствора [19].Гейнс и Томас (1953) предложили интегрирование измеренных коэффициентов селективности во всем диапазоне составов как средство оценки констант термодинамического равновесия [20]. Согласно подходу Гейнса-Томаса, вариации измеренных коэффициентов селективности в зависимости от ионного состава обменника произвольно приписываются вариациям активности адсорбированных ионов. Подход Гейнса-Томаса явно включает изменения химического потенциала воды, которые могут произойти во время реакции ионного обмена.
Термодинамическое рассмотрение селективности катионного обмена имеет две фундаментальные проблемы: гистерезис иногда наблюдается в реакциях ионного обмена с участием филлосиликатов 2: 1 [21], и когда наблюдается гистерезис, термодинамическое рассмотрение ионного обмена недопустимо, поскольку требуется обратимость. Стандартный термодинамический подход по своей сути немеханистичен: можно предсказать исход реакции ионного обмена, но никогда не узнать причину селективности ионного обмена.
Эрикссон предложил механистическую модель селективности катионного обмена, основанную на теории двойного диффузного слоя (DDL) [22]. Было показано, что с различными модификациями модель Эрикссона позволяет оценивать коэффициенты селективности для реакций гетеровалентного обмена, которые находятся в пределах порядка величины измеренных коэффициентов [19, 23]. Модель Эрикссона рассматривает только электростатические взаимодействия и рассматривает все катионы как точечные заряды; следовательно, он не различает селективность реакций обмена с участием катионов с одинаковым зарядом.Несколько авторов предложили модификации модели Эрикссона, пытаясь решить эту проблему. Нил и Купер, например, предположили, что ион не может подойти к заряженной поверхности не ближе, чем его гидратированный радиус [24], а Нир использовал специфические коэффициенты связывания, чтобы учесть различия в селективности для катионов с одинаковым зарядом [25]. Для данной глины модель Эрикссона может быть скорректирована в соответствии с данными измерений. Однако никакая корректировка не изменит фундаментального прогноза модели Эрикссона о том, что более заряженные катионы будут все более предпочтительными по мере увеличения заряда слоя глины.Хотя эта взаимосвязь была качественно продемонстрирована для обмена Na-Ca [23], противоположная зависимость наблюдается для обмена K-Ca [26, 27]. Неспособность модели Эрикссона учесть взаимосвязь между зарядом слоя и селективностью в реакциях обмена K-Ca указывает на главный недостаток модели Эрикссона.
На более фундаментальном уровне применимость модели Эрикссона для описания селективности ионного обмена, проявляемой смектитами, может быть поставлена под сомнение, поскольку модель Эрикссона основана на теории DDL.В водных системах смектиты существуют в виде квазикристаллов. Каждый квазикристалл состоит из от 1 до нескольких сотен ламелей, уложенных друг с другом с параллельными осями, но случайно ориентированными и осями. В объемном растворе, прилегающем к внешним поверхностям квазикристаллов, могут образовываться диффузные двойные слои; однако DDL не образуются между ламелями внутри квазикристалла. Внутри квазикристалла ламели разделены 4 или менее дискретными слоями молекул воды, а анионы исключены из межслоевых пространств [28].Если предположить, что средний квазикристалл состоит из 10 скоординированных ламелей со слоем заряда, равномерно распределенным по всем поверхностям, тогда 90% способных к обмену катионов удерживаются на внутренних поверхностях и только 10% остаются на внешних поверхностях. Теория диффузного двойного слоя и модель Эрикссона подходят для описания селективности, проявляемой 10% катионов, сорбированных на внешних поверхностях, но не имеют отношения к селективности в отношении 90% катионов, удерживаемых на внутренних поверхностях.
Другой подход к пониманию селективности катионного обмена основан на теории Эйзенмана, которая была разработана для объяснения поведения ионоселективных электродов [29].Эйзенман утверждал, что молярная свободная энергия обмена (AGex) определяется чистым изменением кулоновской энергии и энергии гидратации обменивающихся катионов. Эберл применил теорию Эйзенмана к филлосиликатам 2: 1 для реакций обмена между Cs и другими щелочными катионами [30]. Для этого он предположил, что Cs не гидратирован как в растворе, так и при адсорбции на глине. Однако он не смог использовать подход Эйзенмана для частично гидратированных глин 2: 1, потому что состояния гидратации частично гидратированных межслоевых катионов были неизвестны.Вместо этого он предположил, что промежуточная вода в глине 2: 1 аналогична воде в концентрированном растворе галогенида щелочного металла. Исходя из этого предположения, он смог оценить ~ как функцию как межслойной молярности, так и заряда слоя. В соответствии с экспериментальными данными, анализ показал, что предпочтение менее гидратированного катиона увеличивается по мере уменьшения межслойной воды и увеличения плотности заряда слоя.
3. Кинетика ионообменных материалов
Кинетика зависит от этих соображений.(i) Массоперенос (диффузия) в растворе или в другой внешней среде является неизбежным шагом в любом ионообменном взаимодействии. Процесс хорошо известен. Этому может легко способствовать гидродинамическая турбулентность, и поэтому его нельзя рассматривать как ограничивающий этап для ионного обмена. (Ii) Пленка представляет собой зону раствора определенной толщины без конвекции. Массоперенос в пленке определяется исключительно коэффициентами диффузии. Толщина пленки может быть уменьшена путем перемешивания. (Iii) Массоперенос в фазе обмена зависит от физико-химических свойств системы и не может быть увеличен без изменения самой химической системы.(iv) Реакция между противоионами и фиксированными группами — единственное химическое взаимодействие, которое может повлиять на общую скорость ионного обмена. (v) Диссоциация комплексов и образование ионных пар в растворе не рассматривается как часть ионного обмена.
Как следует из этих соображений, большинство процессов ионного обмена являются чисто диффузионными; то есть они контролируются диффузией противоионов, а не реальной химической реакцией.
В большинстве случаев рассматриваются два основных этапа определения скорости: диффузия ионов внутри материала или диффузия ионов через жидкую пленку.В обоих случаях миграция ионов определяется исключительно свойствами системы. Скорость этих шагов не может быть увеличена или замедлена внешним воздействием без изменения самой системы.
Диффузия внутри материала называется диффузией частиц, а диффузия через пленку называется диффузией через пленку. В простых случаях скорость ионного обмена определяется более медленным из этих двух процессов. Преобладание одного из этих механизмов можно предсказать приближенно [31–33]. Для управления диффузией частиц см. [32–34] А для контроля диффузии пленки см. [34], где — концентрация фиксированной группы, а — концентрация раствора.- коэффициент взаимной диффузии в ионообменнике; — коэффициент взаимной диффузии в пленке; — радиус валика; — толщина пленки; — отдельный коэффициент.
В соответствии с критерием все факторы, которые имеют тенденцию увеличивать скорость взаимной диффузии в гранулах и снижать скорость в пленке, способствуют контролю диффузии пленки и наоборот. Таким образом, контроль диффузии пленки может преобладать в системе, характеризующейся следующими свойствами [31]: (i) высокая концентрация обменных центров, (ii) низкая степень сшивки, (iii) малый размер частиц, (iv) разбавленный раствор. , (v) неэффективное перемешивание.
Самым простым методом различения контроля диффузии частиц и пленки является испытание на прерывание. Ионообменное взаимодействие осуществляется в периодическом режиме. Степень конверсии отслеживается. Шарики удаляются из раствора задолго до завершения процесса. Через короткое время материал снова погружают в тот же раствор. Если внутри гранул создается градиент концентрации, эти градиенты выравниваются, когда прекращается подача свежих ионов из раствора.Если процесс контролируется диффузией частиц, скорость сразу после повторного погружения выше до прерывания. В случае диффузии пленки количество ионов, неравномерно распределенных в пленке в момент прерывания, практически не обнаруживается, и градиент концентрации в шарике отсутствует. Таким образом, прерывание не влияет на этот процесс, а скорость до и после прерывания одинакова.
4. Математический подход к кинетике ионного обмена
Общий подход к кинетике ионного обмена металлов заключается в применении обычных уравнений диффузии.Из-за учета взаимодействия при ионном обмене моделирование сильно усложняется. Эти взаимодействия представляют собой индуцированные диффузией электрические силы, селективность, специфические взаимодействия, изменения набухания. В основе описания диффузионных процессов лежит первый закон Фика [35]: (см. [35]). Для фазы ионного обмена (см. [35]), где — поток иона в молях / времени и единице поперечного сечения, — коэффициент диффузии, а — концентрация в молях на единицу объема.
В простейшем случае коэффициент диффузии принимается постоянным, и, таким образом, поток пропорционален градиенту концентрации. постоянство означает, что на вид не действуют никакие силы, кроме неоднородности концентрации. Это не обычный случай, когда рассматривается ионный обмен из-за электросвязи ионных потоков. Влиянием связи можно пренебречь только при равных потоках. В ионном обмене может быть исключение. Примером такого исключения является изотоп с контролируемой диффузией в системах, где концентрация других выровнена.Соответствующий коэффициент диффузии (одинаковый для обоих изотопов) называется коэффициентом самодиффузии. Его значение является постоянным для любой отдельной фазы системы, но, конечно, зависит от природы и состава конкретной фазы и от температуры.
В большинстве других случаев коэффициент диффузии непостоянен. Это означает, что необходимо учитывать изменение коэффициента диффузии. Влияние электрического поля можно учесть, используя уравнение Нернста-Планка вместо уравнения Фика: (см. [35]), где — электрический потенциал.
Если два обмененных иона присутствуют в фазе с разной концентрацией, на их диффузию влияет электрическое взаимодействие неодинаково. Как показано в (7), поток диффузионных частиц зависит только от градиента концентрации и не зависит от самой концентрации (первый член в (7)), поскольку диффузия является чисто статистическим явлением, не связанным с физической силой на молекулярном уровне. .
Напротив, электрическое поле вызывает истинную физическую силу, действующую на каждый ион и производящую поток, пропорциональный концентрации соответствующего иона (второй член в (8)).В результате электрическое поле в основном воздействует на ионы, присутствующие в большинстве. Для тех, кто находится в меньшинстве, второй член невелик и, таким образом, (8) приближается к (6). В результате ионы, присутствующие в небольшой концентрации, мигрируют по существу со скоростью их обычной диффузии. При взаимной диффузии двух противоионов в отсутствие значительного переноса коионов два потока строго связаны. На диффузию большинства ионов не оказывает сильное влияние электрическое поле, и, таким образом, скорость регулируется.
Уравнение (6) — не только возможный способ описания процесса диффузии. Теория необратимой термодинамики утверждает, что движущей силой диффузии является не градиент концентрации, а градиент химического потенциала.
В этом случае (см. [35]), где — химический потенциал и связаны уравнением: (см. [35]), а зависит от концентрации и, следовательно, может различаться в разных точках неоднородной среды.можно предположить, что он имеет постоянное значение. Если в системе более двух соединений (9) следует заменить на (см. [35]), где — количество соединений. Однако из-за электросвязи ионных потоков только один диффузионный поток может считаться независимым, и, таким образом, (9) может использоваться для большей части ионного обмена [10].
В заключение, концентрация внешнего раствора может иметь решающее значение для шага определения скорости; то есть простое увеличение концентрации раствора может изменить механизм от диффузии пленки к контролю диффузии частиц.
5. Заключение
Ионный обмен — древний метод, зарегистрированный более ста лет назад. С тех пор они использовались для умягчения воды в несравненно более широком масштабе и стали неотъемлемой частью новых технических и промышленных процессов. Существует большое разнообразие ионообменных материалов. У них много внешнего вида, натурального и синтетического, органического и неорганического, катионного, анионного и амфотерного и т. Д. Наиболее распространенная ионообменная система включает в себя набухшие в воде ионообменные материалы и окружающие системы.Во всех случаях механизм включает образование тонкой пленки. При межфазной диффузии электронейтральность сохраняется. Кинетика ионного обмена включает массоперенос, который определяется исключительно коэффициентами диффузии. Это зависит от физико-химических свойств системы. Считается, что на скорость влияют два основных шага: диффузия ионов внутри материала или диффузия ионов через жидкую пленку. Самый простой способ отличить их — это проверка на прерывание.
В статье предлагаются шаги, направленные на повышение скорости процесса ионного обмена. Самый простой способ добиться более быстрой диффузии внутри гранул теплообменника — это выбрать материалы с низкой плотностью геля. В целом скорость процесса может быть увеличена даже без замены материалов. Уменьшение размера гранул может сократить время достижения равновесия для процесса, контролируемого частицами. Повышенная температура увеличивает скорость независимо от шага регулирования скорости.
Реакции обмена лигандов (Введение) — Химия LibreTexts
На этой странице описаны некоторые общие реакции обмена (замещения) лигандов с участием комплексных ионов металлов. Предполагается, что вы знакомы с основными представлениями о сложных ионах. Реакция обмена лигандом включает замену одного или нескольких лигандов в комплексном ионе одним или несколькими различными лигандами.
Замена воды на хлор-лиганды
Если вы добавите концентрированную соляную кислоту в раствор, содержащий ионы гексааквакобальта (II) (например, раствор хлорида кобальта (II)), раствор изменит свой первоначальный розовый цвет на темно-синий.{2-} + 6H_2O \]
Концентрированная соляная кислота используется в качестве источника хлорид-ионов, поскольку она обеспечивает очень высокую концентрацию по сравнению, например, с раствором хлорида натрия. Концентрированная соляная кислота имеет концентрацию хлорид-иона примерно 10 моль дм ^-3. Высокая концентрация хлорид-иона смещает положение равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье.
Обратите внимание на изменение координации кобальта.Хлорид-ионы больше, чем молекулы воды, и нет места, чтобы разместить шесть из них вокруг центрального иона кобальта. Эту реакцию легко обратить, добавив к раствору воду. Добавление воды в правую часть равновесия приводит к смещению положения равновесия влево. Ион гексааквакобальта (II) приобретает розовый цвет (конечно, только бледнее, потому что он более разбавлен).
Замена воды в ионе гексааквакоппера (II)
С точки зрения химии, это в точности то же самое, что и в последнем примере — отличается только цвет.{2-} + 6H_2O \]
Цвет иона тетрахлоркупрата (II) можно описать по-разному как оливково-зеленый или желтый. Добавление воды к зеленому раствору снова заменяет хлор-лиганды на молекулы воды и возвращает раствору синий цвет.
Замена молекул воды аммиаком
Молекулы воды и молекулы аммиака очень похожи по размеру, поэтому на этот раз координация не изменилась. К сожалению, описать реакции не так просто.Раствор аммиака может реагировать с ионами металла гексааква двумя совершенно разными способами, поскольку он может действовать как основание, а также как лиганд.
Если вы добавите небольшое количество раствора аммиака, вы получите осадок гидроксида металла — аммиак действует как основание. В некоторых случаях эти осадки повторно растворяются, когда вы добавляете больше аммиака, чтобы получить растворы, в которых произошла реакция обмена лиганда. На диаграммах ниже показаны оба этапа, но мы собираемся рассмотреть только химию общей реакции обмена лиганда.Осадки растворяются из-за сложной серии сдвигов равновесия, и пока нам не стоит об этом беспокоиться.
Замена воды в ионе гексааквакоппера (II)
Это немного нетипичный случай, потому что только четыре из шести молекул воды заменяются на ион тетраамминдиаквакоппера (II), [Cu (NH ₃) ₄ (H ₂ O) ₂] ²⁺.
Обратите внимание, что все четыре аммиака лежат в одной плоскости с молекулами воды сверху и снизу.{2+} + 4H_2O \]
Цвет темно-синего комплекса настолько сильный, что эта реакция используется в качестве чувствительного теста на ионы меди (II) в растворе. {2+} + 6H_2O \]
Образовавшийся раствор соломенного цвета очень быстро меняет цвет при стоянии до темно-красновато-коричневого.Ионы гексаамминкобальта (II) окисляются воздухом до ионов гексаамминкобальта (III). Однако это совершенно отдельная реакция, которая не является частью реакции обмена лиганда.
Замена воды на ион гексааквахрома (III)
Опять же, все лиганды agua заменены лигандами аммиака. На этот раз разница в том, что реакция не завершена. Осадок необходимо оставить на некоторое время в присутствии избытка концентрированного раствора аммиака, чтобы получить полностью замещенный аммиачный комплекс.{3+} + 6H_2O \]
Еще две замены воды в ионе гексааквахрома (III)
Цвет иона гексааквахрома (III) показан как «трудно описываемый» фиолетово-сине-серый на всех диаграммах выше. На практике, когда он вырабатывается во время реакции в пробирке, он часто бывает зеленого цвета. Типичным примером этого является использование подкисленного дихромата калия (VI) в качестве окислителя. Всякий раз, когда он используется, оранжевый раствор становится зеленым, и мы почти всегда описываем зеленый ион как Cr ³ ⁺ _(водн.) — подразумевая ион гексааквахрома (III).На самом деле это чрезмерное упрощение. Что происходит, так это то, что одна или несколько молекул воды лиганда заменяются отрицательным ионом в растворе — обычно сульфатом или хлоридом.
Замена воды на сульфат-ионы
Это можно сделать, просто нагревая раствор сульфата хрома (III).
Одна из молекул воды заменена на сульфат-ион. Обратите внимание на изменение заряда иона. Два положительных заряда аннулируются наличием двух отрицательных зарядов на сульфат-ионе.
Замена воды хлорид-ионами
В присутствии хлорид-ионов (например, хлорида хрома (III)) чаще всего наблюдается зеленый цвет. Это происходит, когда две молекулы воды заменяются ионами хлорида с образованием иона тетрааквадихлорхрома (III) — [Cr (H ₂ O) ₄ Cl ₂] ⁺. Еще раз обратите внимание, что замена молекул воды ионами хлора изменяет заряд иона.
Реакция обмена лиганда в тесте на ионы железа (III)
Это чрезвычайно чувствительный тест на ионы железа (III) в растворе.Если вы добавите тиоцианат-ионы, SCN ^—, (например, из раствора тиоцианата натрия, калия или аммония) в раствор, содержащий ионы железа (III), вы получите интенсивный кроваво-красный раствор, содержащий ион [Fe (SCN) ( H ₂ O) ₅] ²⁺.
Авторы и авторство
.
No related posts.

Реакции ионного обмена контрольная работа: Контрольная работа по теме «Растворы. Реакции ионного обмена» | Материал по химии (8 класс):

реакции ионного обмена и ОВР» (8 класс)

Тренировочная работа по химии “Реакции ионного обмена” 9 класс 👍

Самостоятельная работа по Химии «Реакции ионного обмена» 8 класс

Контрольная работа по химии. 9 класс. ТЭД. Реакции ионного обмена..

Самостоятельная работа по теме Реакции ионного обмена 8 класс

Контрольная работа №5: «Растворение. Растворы».

Контрольная работа «Реакции ионного обмена и овр»

Ионообменная реакция | химическая реакция

Ранняя история

Ионообменная реакция | химическая реакция

Ранняя история

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Справочник по воде — Ионный обмен и деминерализация воды

Рисунок 8-2. Макропористая анионная смола с сильным основанием под микроскопом. (С разрешения компании Dow Chemical.)

Рисунок 8-3.Химическая структурная формула сульфокислотной катионной смолы (Amberlite IR-120), (XL): поперечная сшивка; (ПК): полимерная цепь; (ES): сайт обмена; (EI): обменный ион.

Рисунок 8-4. Схема гидратированного сильнокислотного катионита. (Любезно предоставлено компанией Rohm and Haas.)

Рисунок 8-5. Типичный профиль стока умягчителя на основе цеолита натрия.

Рисунок 8-6. Умягчитель цеолит натрия. (Предоставлено Graver Water Division, Ecodyne Corporation.)

Рисунок 8-7. Комбинированная система умягчения горячей извести / горячего цеолита. (Любезно предоставлено подразделением водоподготовки, Envirex, Inc.)

Рисунок 8-8. Типичный профиль стока для сильнокислотного катионита.

Рисунок 8-9. Профиль проводимости / кремнезема для сильноосновного анионообменника.

Рисунок 8-10. Умягчитель разделенного потока натриевого цеолита / водородного цеолита.

Рисунок 8-11.Профиль противотока катионов, показывающий двойной метод блокировки потока кислоты.

Рисунок 8-12. Важные этапы процесса регенерации теплообменника со смешанным слоем.

Рисунок 8-13. Системы деминерализаторов.

Рисунок 8-14. Полировщик конденсата из порошковой смолы. (С любезного разрешения Graver Water Div., Ecodyne Corporation).

Рисунок 8-15. Причинно-следственная диаграмма для коротких прогонов в системе деминерализатора с двумя слоями.

Рисунок 8-16. Причинно-следственная диаграмма плохого качества стоков в двухслойной системе деминерализации.

Рисунок 8-17. Смола, загрязненная железом.

Рисунок 8-18. Анионная смола загрязнена органическим материалом.

Рисунок 8-19. Периодический отбор проб и оценка смолы необходимы для поддержания производительности и эффективности на оптимальном уровне.

Химия ионного обмена

История, введение и кинетика ионообменных материалов

1. Введение

1.1. Историческая справка

1.2. Ионообменные материалы

1.3. Типы ионообменных материалов

1.4. Натуральные органические продукты

1.5. Природные неорганические продукты

1,6. Модифицированные природные ионообменники

1,7. Синтетические органические ионообменники

1,8. Синтетические неорганические ионообменники

1.8.1. Синтетические цеолиты

1.8.2. Соли многоосновных кислот

1.8.3. Водные оксиды

1.8.4. Ферроцианиды металлов

1.8.5. Нерастворимые ионообменные материалы

1.8.6. Гетерополикислоты

2. Механизм ионообменного процесса

2.1. Селективность ионообменных материалов

3. Кинетика ионообменных материалов

4. Математический подход к кинетике ионного обмена

5. Заключение

Реакции обмена лигандов (Введение) — Химия LibreTexts

Замена воды на хлор-лиганды

Замена воды в ионе гексааквакоппера (II)

Замена молекул воды аммиаком

Замена воды в ионе гексааквакоппера (II)

Замена воды на ион гексааквахрома (III)

Еще две замены воды в ионе гексааквахрома (III)

Замена воды на сульфат-ионы

Замена воды хлорид-ионами

Реакция обмена лиганда в тесте на ионы железа (III)

Авторы и авторство

Добавить комментарий Отменить ответ