Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Иониты в водоподготовке и водоотведении

Методические указания

к внеаудиторной самостоятельной работе по дисциплине

«Химия и микробиология воды» для студентов дневной (3 курс)

и заочной (4 курс) форм обучения по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

Воронеж 2012

УДК 544.723.21

ББК 24.5

Составители Г.В. Славинская, О.В. Куренкова

Иониты в водоподготовке и водоотведении: метод. указания к внеаудиторной самостоятельной работе по дисциплине «Химия и микробиология воды» для студ. дневной (3 курс) и заочной (4 курс) форм обучения спец. 270112 / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т.; сост.: Г.В. Славинская, О.В. Куренкова. - Воронеж, 2011. – 34 с.

Приведены данные о неорганических ионообменных материалах природного происхождения, а также органических ионитах, полученных синтезом мономеров. Описаны их наиболее существенные свойства, знание которых необходимо для практического применения ионитов в технологии водоподготовки и при очистке сточных вод. Даны примеры использования сорбентов с целью предотвращения загрязнения окружающей среды, извлечения ценных компонентов из сточных вод, умягчения и обессоливания воды.

Предназначены для студентов, аспирантов, магистрантов, обучающихся по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Ил. 6 . Табл. 1. Библиогр.: 9 назв.

УДК 544.723.21

ББК 24.5

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Рецензент – В.Н. Яценко., канд. биол. наук, доцент кафедры гидравлики,

водоснабжения и водоотведения Воронежского ГАСУ

Введение

Впервые явление ионного обмена обнаружили англичане Г. Томпсон и Д. Уэй в 1850 году. Они обнаружили, что почва (R-Ca) поглощает ионы аммония из минерального удобрения «сульфат аммония». При этом в сосуде, где проводилась реакция, образовался сульфат кальция (гипс):

R-Ca + (NH₄)₂SO₄ ⇄ R-(NH₄)₂ + CaSO₄.

Из этого явления следовало, что ионы аммония вытеснили из почвы ионы кальция. Позже Д. Уэй показал, что способность почвы обменивать ионы обусловлена присутствием глинистой фракции. Он провел соосаждение силикатов натрия и алюминия, впервые получив синтетический алюмосиликат, способный к обмену ионов.

Процесс перераспределения ионов между раствором и сорбентом назвали ионным обменом. Материалы, способные обменивать ионы, назвали ионитами. Иониты как органические, так и неорганические широко распространены в природе, а также синтезированы человеком.

Это явление имеет большое практическое значение. Обнаруженный ионообменный процесс интересовал также специалистов по водообработке (в связи с умягчением воды для паровых котлов) и сахароварению. Ионный обмен вначале изучался на естественных объектах – почвах и грунтах, глинах, глауконитовых песках и цеолитах. Позднее Гармс, Рюмпель и Ганс получили синтетические цеолиты, пригодные для умягчения воды и удаления из сахарных соков солей кальция, магния и других нежелательных примесей.

В 30-е годы прошлого столетия нашли широкое применение иониты на основе углей - главным образом сульфированных. Они обладали по сравнению с природными материалами большей химической стойкостью в кислых средах, но были неустойчивы в щелочах. Значительно расширился ассортимент ионообменников, когда удалось синтезировать неорганические алюмосиликатные иониты - пермутиты.

Переломным моментом в истории исследования и применения ионитов стал 1935 год, когда Адамсон и Холмс получили органические ионообменники, способные к обмену катионов и анионов. Этот факт открыл ученым возможность создания ионообменных материалов с заданными свойствами применительно к конкретным условиям решаемой технологической задачи.

К дальнейшим успехам в синтезе ионитов следует отнести получение ионообменных мембран, ионитов с окислительно - восстановительными свойствами, сорбентов с непоглощающим плотным ядром и сорбирующим периферийным слоем и т.д.

Ионный обмен занимает прочные позиции в науке и технике. Трудно перечислить все области его применения. Однако следует особо отметить первостепенное значение ионного обмена в технологии получения аминокислот, полипептидов, белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот, выделения и очистки антибиотиков, витаминов, гормонов, алкалоидов и других биопрепаратов и лекарственных веществ.

Применение ионитов позволило производить глубокую очистку жидкостей - деминерализацию воды в тепло- и атомной энергетике; удаление из сточных вод вредных веществ, а также улавливание ценных компонентов с целью возвращения их в производство; регенерацию отработанных электролитов гальванических цехов; получение кислот и щелочей из солей, а также солей заданного состава.

Большую роль играют иониты при извлечении металлов в процессе комплексной гидрометаллургической переработки сложных по составу и бедных руд и океанических вод, а также галогенидов из растворов; тонкого препаративного и промышленного разделения смесей металлов с близкими свойствами (редкоземельные элементы, цирконий, гафний и др.).

Велики достижения ионного обмена в области контроля и технологии органических и неорганических веществ. В химическом анализе с помощью ионного обмена производят концентрирование следов определяемых компонентов, удаление мешающих анализу ионов, тонкое разделение близких по свойствам соединений, что дает возможность затем определять содержание каждого из них любыми независимыми методами. В пищевой промышленности иониты используются в производстве пищевых кислот (лимонной, молочной, винной и др., а также для стабилизации вин путем извлечения азотсодержащих веществ и т.п.).

Активному внедрению ионного обмена в промышленность способствует простота аппаратурного оформления сорбционного процесса, который осуществляется путем фильтрования раствора через слой зернистого материала или контактирует с ионообменными мембранами при нормальных значениях температуры и давления.