Kémiai technológia laboratóriumi gyakorlat Derítés és ioncsere 1

ALAPOK 2

A víz jelentősége Az élet alapvető feltétele; széleskörű ipari felhasználás Az ipari és kommunális célokra felhasználható víz mennyisége csekély Kedvező tulajdonságok: nagy fajhő, párolgáshő és olvadáshő Kis forráspont, olcsó, nem tűzveszélyes Hátrány: fagykár, korrózió A természetben előforduló víz tulajdonképpen híg oldatnak tekinthető Kémiailag tiszta víz nem található a természetben Vízben előforduló anyagok: – Oldott gázok – Oldott sók – Lebegő szennyeződések 3

A vízben lévő idegen anyagok Oldott gázok – Levegőből kioldott gázok – oxigén, nitrogén, szén-dioxid, kén-dioxid, nitrózus gázok – Oxigén és szén-dioxid – vas korrózió Oldott sók – A víz szén-dioxid tartalma megnöveli a víz oldó hatását – karbonátos kőzetek, vas-és mangántartalmú kőzetek, szilikátos kőzetek – A felszíni vízben nincs oldott állapotban vas, mert a vas(II)-hidrogén-karbonát oxigénnel érintkezve elbomlik, barna vas(III)-hidroxid csapadék formájában kiválik – Talajvízben: vas(II)-hidrogén-karbonát, nitrátok, egyéb szerves szennyezők Lebegő szennyeződések – Ásványi, növényi, állati, valamint ipari eredet – Eltávolításuk szűréssel 4

A vízkezelés általános lépései 5

Derítés A lebegőanyagok egy része kolloid méretű – mechanikai módszerekkel nem eltávolíthatóak Felületükön baktériumok, vírusok tapadhatnak meg – fertőzésveszély Turbitiás: a vizsgált víz csökkent átlátszósága, amelyet szervetlen és szerves eredetű, oldhatatlan és kolloid anyagok vagy mikroorganizmusok okoznak. Kolloid részecskék – negatív töltés, taszítják egymást Aggregálásuk vegyszeradagolással megy végbe – koaguláció,flokkuláció Derítés: vegyszeradagolással hatására bekövetkező miko-és makropehely képződés és az ezt követő fáziselválasztás (ülepítés) 6

Koaguláció, flokkuláció 7

Alkalmazott vegyszerek, körülmények A töltéssemlegesítéshez főleg Al(III) és Fe(III) vegyületeket használnak, esetleg kétértékű fémek vegyületeit A vízbe kerülő fémsó polihidroxi köztitermékké alakul, mely semlegesíti a kolloidok negatív töltését A töltésüket vesztő átmeneti vegyületek a kolloidokat szorbeálva hidroxidpelyheket alkotnak, melyek leülepednek A folyamatot a víz változó keménysége teszi teljessé – bruttó folyamat: Al 2 (SO 4 ) Ca(HCO 3 ) 2 = 3 CaSO Al(OH) CO 2 Használható hidrolizáló fémsó (Al2SO43 vagy FeCl3), vízoldható polimer (hídképző), polimer és fémsó együtt, valamint olyan szervetlen polimer, mely a háromértékű fémiont tartalmazza (polialumínium-klorid) Körülmények: a folyamat hőmérséklet és pH függő; erőteljes keverés szükséges a folyamat elején; a derítőszer koncentráció is fontos paraméter 8

Vízkeménység A vízben oldott kalcium-és magnézium sókat keménységet okozó sóknak nevezzük Változó keménység – hidrogén-karbonátok okozzák; karbonát keménységnek is nevezik Melegítéssel eltávolítható, a keletkező karbonát kiválik Állandó keménység – egyéb kalcium-és magnézium sók okozzák Melegítéssel nem távolítható el; nem karbonát keménységnek is nevezik A két keménység összege adja meg az összkeménységet Kalcium-oxid egyenértékre számítják át a keménységet 1 német keménységi fok: 10 mg/l CaO-al egyenértékű Ca vagy Mg ion van oldva a vízben 9

A kemény víz által okozott problémák Kazánkő lerakódás Cső keresztmetszet csökkenés, dugulás Fűtőteljesítmény romlása Szélsőséges esetben kazánrobbanás 10

A vízlágyítás módszerei Forralás – a változó keménységet megszünteti; a karbonát csapadék szűréssel eltávolítható Vegyszeres vízlágyítás – az állandó keménységet is lehet vele kezelni – Meszes-szódás vízlágyítás – Trisós vízlágyítás A vegyszeres vízlágyítás során keletkező csapadékok valamennyire oldódnak a vízben, ezért teljesen keménységmentes vizet nem lehet így előállítani Bizonyos esetekben 0,2 nk alatti keménység szükséges (pl. gőzturbinák) Megoldás: ioncsere (kation- és anioncsere) Kationcsere (anioncsere) során a vízben lévő kationok (anionok) kicserélődnek a gyanta felszínén megkötött pozitív (negatív) töltésű ionnal Leggyakoribb ioncserélő gyanták: hidrogéniont, illetve hidroxidiont tartalmaznak Kapacitásuk véges - regenerálhatóak 11

KIEGÉSZÍTÉS 12

Alumínium-szulfát előállítása Bruttó reakció: 2 Al(OH) H 2 SO H 2 O = Al 2 (SO 4 ) 3 *14 H 2 O Nyersanyagok – Alumínium-hidroxid: bauxitból nyerik ki (Bayer-eljárás); a bauxitot NaOH-ban oldják, a vörösiszapot eltávolítják, a fennmaradó nátrium-aluminát (NaAlO 2 ) oldatból az alumínium-hidroxid gélszerűen kicsapódik – Kénsav: elemi kén oxidálásával kén-dioxidot, majd a kén-dioxid oxidálásával kén-trioxidot kapnak, a kén-trioxidot tömény kénsavban elnyeletve óleum keletkezik, melyet a megfelelő töménységűre higítanak A reakció szakaszos, tökéletesen kevert tartályreaktorban történik A keletkező terméket hűtik, majd aprítják 13

Vas(III)-klorid előállítása 14

Derítőmedence vázlata 15

Derítőmedence 16

Ioncserélő gyanták szerkezete 17

Ioncserélő gyanták előállítása Polimerváz: 1,4-bivinil-benzollal térhálósított polisztirol Kationcserélőn szulfocsoport, anioncserélőn kvaterner aminocsoport Funkciós csoportokra felvihető ionok: H +, Na +, Ca 2+, Cr 3+, Mn 2+, Fe 3+, Pd 2+, OH - Regenerálás: sósavval (H + ), fémsók vizes oldatával, NaOH oldattal (OH - ) Alapváz előállítása: sztirol gyöngypolimerizációjával Monomer: sztirol (vízoldhatatlan) Vízben diszpergáltatják a monomert (erős keverés) Az iniciátor oldódik a monomerben A termék granulátum formájú; mivel a monomer nem oldódik vízben, a szemcseeloszlás homogén 18

Ioncserélő berendezés 19

Vízkeménység számítása Vízminta: – Ca(HCO 3 ) 2 : 324 mg/l – KHCO 3 : 200 mg/l – MgSO 4 : 60 mg/l – NaCl: 100 mg/l Karbonát keménység kiszámítása – 1 mmol Ca(HCO3)2 – 1 mmol CaO – 162 mg Ca(HCO3)2 egyenértékű 56 mg CaO-al – 324 mg egyenértékű x mg CaO-alx=112 mg – KK = 112 mg CaO/l Nem karbonát keménység – 1 mmol MgSO4 – 1 mmol CaO – 120 mg MgSO4 egyenértékű 56 mg CaO-al – 60 mg MgSO4 egyenértékű y mg CaO-aly=28 mg/l – NKK: 28 mg/l Összkeménység: ÖK = KK + NKK = 140 mg CaO/l = 14 nk° 20

Ioncserélő gyanta méretezése A vízben lévő oldott sótartalom 280 mg CaO/dm 3 A kationcserélő hasznos kapacitása 1,4 mol H + /dm 3 A gyanta térfogata 1 m 3 Mennyi vizet lehet ezzel a gyantával kationmentesíteni? 280 mg CaO/l – 5 mmol CaO/l 5 mmol CaO-al egyenértékű kation kicseréléhez 10 mmol H + szükséges (a kalciumion kétértékű!) 1 m 3 vízben 1000*10 mmol = 10 mol H + ion 1 m 3 gyanta – 1,4*1000 mol H + Ebből következik, hogy 140 m 3 vizet lehet kationmentesíteni ezzel a gyantával. 21

Ioncserélő gyanta méretezése Az oldott sótartalom 224 mg CaO/dm 3 A kationcserélő gyanta kapacitása 1 mol H + /l; Az anioncserélő gyanta kapacitása 1/3 mol OH - /l 100 m 3 víz sómentesítéséhez mennyi gyanta szükséges? 224 mg CaO/l – 4 mmol CaO/l 100 m 3 vízben van 400 mol CaO-nak megfelelő só 400 mol CaO – 800 mol H + 1 mol H l gyanta 800 mol H l gyanta = 0,8 m 3 kationcserélő szükséges Mivel az anioncserélő gyanta kapacitása harmada a kationcserélőnek, így 2,4 m 3 anioncserélő szükséges. 22