REFERAT CHIMIE: RASINI SCHIMBATOARE DE IONI

Incarcat la data: 13 Mai 2008

Autor: luminita carol

Pret: 50 credite

3 (4 review-uri)
TEHNICI DE DEPOLUARE RECUPERATIVA RASINI SCHIMBATOARE DE IONI CUPRINS pag. 1. INTRODUCERE.........................................................................4 1.1. Cum functioneaza rasinile schimbatoare de ioni ...................................................5 1.2. Utilizari ......................................................................................................................6 2. TRATAREA APEI ........................................................................................................7 2.1. Dedurizarea apei .........................................................................................................7 2.2. Demineralizarea ..........................................................................................................8 2.3. Identificarea rasinii epuizate .......................................................................................8 3. REGENERAREA RASINII SCHIMBATOARE DE IONI .....................9 4. AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE UTILIZARII RASINILOR SCHIMBATOARE DE IONI ............................................................................................9 5. IMPLICATIILE MEDIULUI INCONJURATOR .......................................................11 Rasinile schimbatoare de ioni sunt polimeri capabili sa schimbe ionii proprii cu ionii dintr-o solutie care este trecuta direct prin acestia. Aceasta caracteristica a fost observata de asemenea si in sisteme naturale ca soluri si celule vii. Rasinile sintetice sunt utilizate in special pentru purificarea apei, dar de asemenea si in cadrul altor aplicatii ca separarea de elemente. In purificarea apei se urmareste dedurizarea sau demineralizarea apei. Apa este dedurizata prin utilizarea unei rasini ce contine cationi Na+ , dar care poate forma legaturi mai puternice cu ionii de Ca2+ si Mg2+ fata de Na+ . Astfel, pe masura ce apa trece prin rasina, ionii de Ca2+ si Mg2+ sunt preluati de catre rasina, iar ionii de Na+ sunt eliberati rezultand o apa mai putin dura. Daca apa trebuie demineralizata, aceasta este trecuta printr-o rasina continind ioni H+ (care inlocuiesc toti cationii) si apoi printr-o rasina ce contine ioni OH- (care inlocuiesc toti anionii). Apoi ionii H+ si OH- reactioneaza formand mai multa apa. Procesul poate avea cateva dezavantaje printre care posibilitatea ca alte substante din apa (cum ar fi ionii Fe3+ sau substante organice) sa interactioneze cu rasina, dar in general avantajele procesului (timpul de viata lung al rasinii, intretinerea ieftina, etc), sunt mai mari decat dezavantajele. In plus, procesul este ecologic, deoarece se lucreaza numai cu substante existente deja in apa. CLASIFICAREA GENERALA A IONILOR SCHIMBATORI 1.INTRODUCERE Materialele schimbatoare de ioni sunt substante insolubile continind ioni cu putere slaba care sunt capabili sa fie schimbati cu alti ioni din solutiile cu care vin in contact. Aceste schimbari au loc fara alte modificari fizice in materialul schimbator de ioni. Ionii schimbatori sunt acizi sau baze insolubile, care formeaza la randul lor saruri insolubile, si aceasta ii face capabili sa schimbe ioni incarcati pozitivi (schimbatori de cationi) sau incarcati negativ (schimbatori de anioni). Multe substante naturale ca proteinele, celuloza, elementele galvanice, si particulele de impuritati demonstreaza proprietatile ionilor schimbatori care joaca un rol important in functia lor in natura. Materialele schimbatoare de ioni sintetice bazate pe carbune si rasini fenolice au fost primele utilizate la nivel industrial in 1930. Cativa ani mai tarziu au fost dezvoltate rasinile constand din polistiren cu grupe sulfonat pentru a forma schimbatori cationici sau grupe aminice pentru a forma schimbatori anionici, cf. Fig. 1. Rasina schimbatoare de cationi Rasina schimbatoare de anioni polistiren sulfonata puternic acida sare quaternara de amoniu puternic bazica Figura 1 Exemple rasini schimbatoare de ioni Aceste doua tipuri de rasina sunt inca cele mai utilizate astazi. 1.1.Cum functioneza rasinile schimbatoare de ioni Rasinile sunt preparate sub forma de particule sferice cu diametrul intre 0.5 si 1.0 mm. Acestea apar solide chiar si la microscop, dar pe o scala moleculara, structura este inca neelucidata, cf. Fig. 2. Aceasta inseamna ca o solutie trecuta printr-un strat de rasina poate curge direct prin legaturile din polimer, intrand intr-un contact intim cu pozitiile de schimb. Afinitatea rasinilor acide sulfonice pentru cationi variaza cu dimensiunea ionica si cu sarcina cationului. In general afinitatea este cea mai mare pentru ionii mari cu valenta mare. Pentru solutiile diluate ordinul de afinitate pentru cativa cationi comuni este aproximativ: Similar, pentru aminele pe baza de schimbatori anionici, avem: Figura 2 Vedere larga a picaturii de polistiren Presupunand ca o rasina AR are o afinitate mai mare pentru ionul B fata de ionul A, daca ionul B este dizolvat in apa si este astfel trecut prin rasina, atunci are loc urmatoarea schimbare, reactia fiind deplasata spre dreapta: AR fiind rasina. Cand capacitatea rasinii schimbatoare este aproape epuizata, aceasta va duce la formarea in majoritate a compusului BR. Relatia de echilibru este: , unde [BR], [A], [AR], [B] reprezinta concentratii Q este constanta de echilibru; este o constanta specifica pentru perechea de ioni si pentru tipul de rasina. Aceasta expresie indica faptul ca daca o solutie concentrata ce contine ioni A este trecuta printr-un strat epuizat, rasina va regenera in forma compusului AR, gata pentru reutilizare, in timp ce ionul B va fi imprastiat in apa. Aplicatiile la scara mare pentru rasinile schimbatoare de ioni cuprind cicluri de epuizate si regenerate a rasinii. 1.2.Utilizari Un strat de rasina poate fi utilizat fie pentru indepartarea ionilor nedoriti dintr-o solutie trecuta prin aceasta, fie pentru acumularea mineralului valoros din apa care mai tarziu poate fi recuperat din rasina. Exemple de indepartare a ionilor nedoriti sunt cele de indepartare a metalelor grele din apele industriale, demineralizarea zerului utilzat in produsele specializate de la fermele de lapte si indepartarea sarurilor din sucurile de fructe. Rasinile puternic cationice in forma de hidrogen sunt utilizate pentru hidroliza amidonului si a zaharozei. De asemenea rasinile isi gasesc multe utilizari in laborator unde ingeniozitatea inginerului este mai putin constrinsa de aspectele economice. Ei pot utiliza pentru indepartarea ionilor ce provoaca interferente in timpul analizelor sau pentru acumularea unor cantitati de ioni din solutii diluate dupa care se pot prepara solutii mai concentrate prin elutie cu un volum mai mic. O rasina cationica in forma de hidrogen poate fi utilizata la determinarea concentratiei totale de ioni intr-un amestec de saruri. Mostra trecuta printr-o coloana este transformata intr-o cantitate echivalenta de acid iar cantitatea va fi cu usurinta determinata la titrare. Unul din cele mai recente aplicatii a ionilor schimbatori a fost separarea elementelor de pamant rare in timpul anului 1940. Aceste metale se gasesc in mod natural ca amestecuri si au proprietati chimice aproape identice. Concentratiile la echilibru pentru rasina cationica variaza suficient pentru separare cromatografica prin adaugarea unei solutii la coloana de rasina si eluarea metalelor cu o solutie acida. Aceasta procedura a condus prima data la descoperirea promethiumului (elemenul 61) si mai tarziu la descoperirea altor cinci elemente din seria actinidelor. 2.TRATAREA APEI Mult mai multe rasini sunt utilizate pentru purificarea apei decat pentru alte scopuri. De aceea este indicata discutarea unor exemple de tratare a apei pentru a sublinia principiile care stau la baza tehnologiei schimbatorilor de ioni. Elementele industriale ale schimbatorilor de ioni sunt produse in vederea ajunstarii de la cativa litri pana la rezervoare cu cateva tone de rasina. Schimbul de ioni efectuat intre regenerari variaza de obicei intre 12 si 48 de ore. Doua tipuri importante de tratament aplicate apei se refera la dedurizarea apei inlocuirea ionilor grei gen Ca2+ si Mg2+ cu ionii de Na+ si demineralizarea acesteia o indepartare completa a mineralelor dizolvate. Ambele tratamente sunt conturate in Fig. 3. 2.1. Dedurizarea apei Pentru dedurizarea apei se foloseste o rasina cationica in forma de Na in scopul indepartarii ionilor metalelor dure (calciu si magneziu) din apa impreuna cu urme de fier si mangan care sunt de asemenea adesea intalnite. Acesti ioni sunt inlocuiti de o cantitate echivalenta de sodiu, astfel incat continutul de solide total dizolvate in apa ramane neschimbat ca si pH-ul si continutul anionic. La intervale de timp regulate rasina este curatata - Cf. Fig. 3. Figura 3 Utilizarea si spalarea apei dedurizate cu ajutorul sistemului de schimbatori de ioni Aceasta implica trecerea apei prin rasina pentru indepartarea solidelor suspendate, trecerea unei solutii regenerante in jos prin rasina pentru inlocuirea ionilor care formeaza legaturi cu rasina si apoi clatirea inca o data cu apa pentru indepartarea solutiei regenerante. In cazul dedurizarii apei regenerantul este o solutie concentrata de clorura de sodiu. 2.2.Demineralizarea Toata materia dizolvata in apa naturala este in forma de ioni. Deionizarea completa (demineralizarea) poate fi realizata folosind doua rasini. Apa este prima trecuta printr-un strat de rasina schimbatoare de cation continuta intr-un rezervor similar cu cel descris pentru dedurizare. Aceasta este in forma de hidrogen prin utilizarea unui regenerant puternic acid (fie acid clorhidric, fie acid sulfuric). In timpul procesului, cationii din apa sunt preluati de catre rasina in timp ce ionii de hidrogen sunt eliberati. Astfel, se formeaza un amestec slab de acizi. Apoi apa este trecuta printr-un rezervor continind rasina schimbatoare de anion in forma hidroxidica pentru care hidroxidul de sodiu este utilizat ca si regenerant. Aici anionii sunt schimbati cu ionii hidroxid, care reactioneaza cu ionii hidrogen pentru a forma apa. Astfel de straturi rasinice identice vor reduce total continutul de solide la aproximativ 1-2 mg/l. Daca se folosesc unitati mai mari este necesar ca apa care paraseste unitatea cationica sa treaca printr-un turn de degazifiere. Aceasta indeparteaza majoritatea acidului carbonic produs de la dioxidul de carbon si bicarbonat din apa si reducere incarcarea anionica. Fara degazifiere acidul carbonic ar putea fi captat de stratul anionic dupa conversia la carbonat. Daca demineralizarea completa este necesara aceasta este realizata prin trecerea prin stratul pereche prin cel de al treilea rezervor continind fie rasina cation in forma hidrogenata, fie un strat al amestecului de rasina constind atat din rasina anionica cat si din cea cationica care au fost strins combinate. Rasina omogenizata este un foarte eficient demineralizant si poate produce apa cu mult peste nivelul materialului dizolvat decat daca ar putea fi realizata prin distilare. Pentru distributii mici, cum ar fi in laborator, rasina amestecata este adesea utilizata in caseta disponibila. Acestea sunt utilizate numai o singura data, insa rasina amestecata poate fi regenerata. Dupa golire, stratul este supus trecerii unui debit de apa. Particulelel de rasina anionica sunt mai putin dense decat cele cationice si ele pot creste pana la varf astfel incat stratul este separat in doua straturi de rasina. Fiecare este regenerat in situ cu un regenerant potrivit, apoi clatit cu apa curata. Se recomanda ca pompa de lucru interna a rezervorului sa fie aranjata astfel incat regenerantii si intrarile de spalare la punctul de separare dintre cele doua rasini si debit sa urce sau sa coboare. Are loc o crestere a aerului comprimat o data cu amestecarea rasinilor. 2.3. Identificarea rasinii epuizate O rasina este considerata a fi epuizata cand ionii rasinii sunt in marea majoritate inlocuiti cu ioni care au fost indepartati din solutie. Epuizarea prin demineralizare este de obicei detectata prin conductibilitate electrica a celulelor instalate la iesire. Cand conductivitatea creste, pentru a indica o incarcare ionica ridicata, ciclul de regenerare declanseaza automat. Cu unitati mici este posibil sa incorporezi un indicator de pH pe rasina anionica a stratului amestecat. Epuizarea poate fi urmarita pe partea de jos a casetei transparente ca si rasina anionica alcalina care este transformata in sare neutralizata. 3.REGENERAREA RASINII SCHIMBATOARE DE IONI O rasina schimbatoare de ioni in utilizarile industriale este de regula regenerata intre 12 si 48 ore. Depinzind de utilizarea rasinii, aceasta poate fi utilizata in cateva diferite feluri, fiecare cu avantajele si dezavantajele lui, depinzind de cei doi factori: chimic si economic. Regenerarea este importanta deoarece reducerea nivelului de regenerant al calitatii apei permite ca o mica cantitate de ioni sa fie primiti de rasina fara a fi schimbati. De exemplu, cu doua straturi deionizate, regenerarea incompleta a rasinii cationice la forma de hidrogen permite pierderea sodiului (cel mai putin pastrata de cationi, in mod normal regasita in produsele naturale) in apa trecuta prin rezervorul schimbator de anion. Prin urmare, apa ce spala unitatea anionica inca contine urme de sodiu din solutia de hidroxid de sodiu normala, la un pH cuprins intre 8 si 9. Oricum, cantitatile in exces de regenerant recomandate pentru o regenerare completa inseamna ca acest lucru este practicat rar. In practica un compromis este in mod normal suficient, si rasinile obisnuite sunt regenerate la apropae 2/3 din capacitatea totala. Suplimentar, pentru multe utilizari, purificarea totala nu este necesara. De exemplu, apa cu un pH intre 8 si 9 este recomandata pentru utilizarea in boilere, solicitind oarecum o apa alcalina. Cateva impuritati, cum ar fi silicea, pot fi indepartate de o rasina puternic bazica. De exemplu, silicea dizolvata este un component importanta al tuturor sistemelor de distribuire a apei. In mod normal aceasta exista ca un polimer neutru, si devine incarcata cu sarcina negativa doar la un nivel de pH ridicat. Aceasta inseamna ca ea poate fi doar indepartata din apa intr-un mediu alcalin ridicat a unei rasini bazice puternice in forma hidroxil. Procesul de schimb ionic este adesea mult mai eficient prin introducerea regenerantului la baza coloanei de rasina si trecerea acestuia prin strat in directia varfului coloanei (regenerarea curentului opus). Acesta garanteaza ca rasina la baza devine mai inalt regenerata decat la varf. Apa tratata paraseste coloana inclinata de jos si apoi vine in contact cu ultima rasina, fiind cel mai inalt grad de schimbare. 4.AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE UTILIZARII RASINILOR SCHIMBATOARE DE IONI Avantajele proceselor schimbatoare de ioni sunt costurile scazute de operare. Este suficienta o cantitate de energie mica, produsele chimice de regenerare sunt ieftine si straturile de rasina pot fi pastrate multi ani fara sa necesite inlocuire. Exista oricum un numar de limitari de care ar trebui sa se tina cont in timpul elaborarii etapelor. Cand sunt evaluate limitarile procesului de schimb ionic se poate considera ca utilizarea in practica industriala este greu de realizat. Totusi nu este cazul pentru ca avantajele compenseaza aceste limitari ale procesului. IMPURIFICAREA CU SULFAT DE CALCIU Acidul sulfuric este cea mai ieftina rasina cationica regeneratoare pentru demineralizari si este utilizata oriunde este posibil. Unele surse de apa contin concentratii mari de ioni de calciu si cand acest acid este utilizat pentru regenerarea rasinii, sulfatul de calciu precipita. Astfel se blocheaza rasina si conductele. In acest caz este recomandat acidul clorhidric drept regenerant. IMPURIFICAREA CU FIER Sursele de apa din subteran, in conditii anaerobe, contin intotdeauna ioni de Fe(II) solubili. Cantitati mici sunt intr-adevar indepartate de catre agentii de dedurizare in forma de sodiu, dar trebuie prevenit contactul cu aerul inaintea tratamentului. Aerarea permite oxidarea Fe2+ la Fe3+ si precipitarea hidroxidului feric care incarca particulele de rasina si impiedica schimbul de ioni. Blocarea rasinii de catre ionul de fier este una dintre cele mai comune cauze ale esecului procesului de dedurizare. ADSORBTIA MATERIEI ORGANICE Una din cele mai uzuale probleme rezulta din prezenta materiei organice din apa distribuita. Apa netratata din lacuri si rauri in mod normal contine materii organice dizolvate, derivate din dezintegrarea vegetatiei care imprima o culoare galbena sau maro. Aceste substante pot fi ireversibil adsorbite in interiorul particulelor rasinii anionice, reducand capacitatea lor de schimb si implicit eficienta procesului de tratare a apei. Indepartarea partilor organice inainte de demineralizare este de obicei realizata prin floculare cu o sare de aluminiu sau ferica urmata de filtrare pentru indepartarea flocoanelor de hidroxizi metalici si de coprecipitare a compusilor organici. Acest tratament de asemenea indeparteaza orice namol fin care reprezinta o sursa de blocare a rasinii. Atat materiile organice cat si ionii de fier pot fi curatate chimic pe sita, insa indepartarea completa a impuritatilor este rara si calitatea rasinii sufera dupa astfel de impurificare. CONTAMINAREA ORGANICA DE LA RASINA Rasinile pot fi surse de contaminare organica ne-ionica. Rasina mai nou comercializata adesea contine resturi organice dupa fabricatie, in timp ce rasini foarte vechi pot fi surse de fragmente organice deoarece structura unui polimer se scindeaza in timp. Asemenea contaminare poate fi neglijata pentru multe utilizari, insa cand indepartarea este necesara, demineralizarea apei se poate face prin trecerea printr-o memebrana de ultra filtrare. CONTAMINAREA CU BACTERII Straturile de rasina nu actioneaza ca filtre pentru indepartarea bacteriilor sau a altor micro-organisme. Adesea au tendinta de a agrava aceasta contaminare cu bacterii mai ales pentru ca urmele de materii organice care se acumuleaza in apa constituie o sursa de dezvoltare a bacteriilor. Cand este necesara obtinerea de apa sterila se aplica un tratament non-chimic, cum ar fi incalzirea, radiatie ultravioleta sau filtrare foarte fina, asupra apei demineralizate. Straturile de rasina pot fi decontaminate cu dezinfectanti cum ar fi formaldehida, dar incalzirea sau dezinfectarea prin oxdidare cu ajutorul clorurilor nu trebuie utilizata pentru a nu distruge rasina. CONTAMINAREA CU CLORURI Asa cum a fost subliniat mai sus, clorurile distrug rasina. Aceasta inseamna ca sursele de apa pentru fiecare oras contin cloruri. Se obisnuieste sa se trateze apa de alimentare prin trecerea acesteia printr-un strat de carbune activ care indeparteaza foarte eficient clorurile existente. 5.IMPLICATIILE MEDIULUI INCONJURATOR Apa distrusa pentru dezactivare dupa regenerare, contine toate mineralele indepartate din apa, plus sarea formata de regeneranti. Acestea sunt concentrate intr-un volum echivalent, cuprins intre 1-5% din materiile prime introduse in apa tratata. Dezactivarea nu este in mod normal o problema, ca si sarcina sistemului apei distruse, este mica in comparatie cu formarea multor altor procese industriale.

Textul de mai sus reprezinta un extras din "REFERAT CHIMIE: RASINI SCHIMBATOARE DE IONI". Pentru versiunea completa a documentului apasa butonul Download si descarca fisierul pe calculatorul tau. Prin descarcarea prezentei lucrari stiintifice, orice utilizator al site-ului www.studentie.ro declara si garanteaza ca este de acord cu utilizarile permise ale acesteia, in conformitate cu prevederile legale ablicabile in domeniul proprietatii intelectuale si in domeniul educatiei din legislatia in vigoare.

In cazul in care intampini probleme la descarcarea fisierului sau documentul nu este nici pe departe ceea ce se doreste a fi te rugam sa ne anunti. Raporteaza o eroare

Important!

Referatele si lucrarile oferite de Studentie.ro au scop educativ si orientativ pentru cercetare academica.

Iti recomandam ca referatele pe care le downloadezi de pe site sa le utilizezi doar ca sursa de inspiratie sau ca resurse educationale pentru conceperea unui referat nou, propriu si original.

 
 
Inchide
Am uitat parola Cont nou
Conecteaza-te prin Facebook

Acum te poti conecta si prin contul tau de Facebook! Da click pe butonul de mai jos si introdu datele tale:

Login with Facebook