ćw-2

KIiChŚ
PROCESY JEDNOSTKOWE
W TECHNOLOGIACH
ŚRODOWISKOWYCH
Ćwiczenie nr 2
WYMIANA JONOWA
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie roboczej zdolności wymiennej jonitu na
podstawie eksperymentalnie wyznaczonej izoplany przebicia dla jonów Ca2+.
Wprowadzenie
Wymiana jonowa jest to proces wymiany jonów między roztworem
a jonitem.
Jonity (wymieniacze jonowe, sorbenty jonowymienne) to wielkocząsteczkowe
ciała stałe o usieciowanej strukturze, które są nierozpuszczalne w wodzie i
innych rozpuszczalnikach oraz są odporne na działanie ługów, kwasów i
większości związków organicznych. Wykazują one zdolność do wymiany
własnych jonów (związanych z centrami aktywnymi jonitu) na jony znajdujące
się w otaczającym je roztworze. W zależności od tego czy wymieniane są
kationy czy aniony, rozróżniamy kationity i anionity. Proces wymiany nazywa
sie adsorpcją jonowymienną, bo zachodzi na granicy faz ciało stałe-roztwór.
Ilość jonów, która może być wymieniona z roztworem przez jednostkę masy
lub objętości jonitu, nazywamy zdolnością wymienną. Wielkość ta wyrażona
może być wyrażona w jednostkach: gR(val)/kg, mgR(mval)/g, gR(val)/dm3,
mgR(mval)/dm3.
Wyróżnia się całkowitą i roboczą zdolność wymienną:
Całkowita zdolność wymienna oznacza liczbę milimoli jonów, które
w najkorzystniejszych warunkach procesu wymiany mogą być wymienione na
inne jony przez jednostkę masy lub objętości jonitu.
Całkowita zdolność robocza jest wartością praktycznie użyteczną,
zawsze mniejszą od całkowitej zdolności wymiennej, charakterystyczną dla
danego procesu wymiany i zależną od stężenia roztworu, rodzaju jonów,
temperatury, czasu kontaktu roztworu z jonitem.
Jeżeli proces wymiany przedstawi sie graficznie odkładając na osi
rzędnych stosunek c/co (c – stężenie w wycieku, co – stężenie w roztworze
wprowadzonym na kolumnę, odpowiadającym objętości wycieku), a na osi
odciętych zaś objętość wycieku, to otrzymuje sie tzw. krzywą przebicia czyli
izoplanę. Z objętości wycieku a (Rys. 1) pomnożonej przez co można obliczyć
pojemność przebicia kolumny, z objętości b (Rys. 1), w przybliżeniu
całkowitą pojemność kolumny (wynik dokładny otrzymuje sie wtedy, gdy
krzywa jest symetryczna, co rzadko ma miejsce).
Z analitycznego punktu widzenia istotna jest pojemność przebicia kolumny,
ona bowiem stanowi granice ilościowego wychwytywania przez kolumnę
jonów z roztworu. Cechą charakterystyczną jonitu jest jego pojemność
całkowita, ponieważ jest to wielkość niezależna od warunków prowadzenia
procesu. Na przebieg krzywych przebicia ma wpływ wiele czynników. W miarę
zmniejszania ziaren jonitu krzywa przebicia staje sie bardziej stroma, zbliżona
do teoretycznej, wzrasta pojemność przebicia kolumny. Pojemność przebicia
kolumny zwiększa sie również ze zwiększaniem stosunku wysokości do
średnicy kolumny (przy tej samej wysokości złoża jonitu). Wielkość ta zależy
także od szybkości przepływu, przy czym im mniejsza szybkość, tym większa
pojemność przebicia. Zależność te tłumaczy się mniejszą szybkością osiągania
stanów bliższych stanowi równowagi lub nawet stanowi równowagi
odpowiadającemu warunkom statycznym. Decydujący wpływ na przebieg
krzywych przebicia ma jednak sam rodzaj jonu i jego powinowactwo do jonitu.
Rys. 1. Izoplana przebicia (krzywa przebicia); odcinek a – pojemność przebicia
kolumny w danych warunkach; odcinek b – całkowita pojemność wymienna
kolumny.
Wykonanie ćwiczenia
1. Przeprowadzić proces regeneracji jonitu (kationit silnie kwaśny)
przepuszczając przez kolumnę 200 ml 5% roztworu NaCl w kierunku z
góry do dołu.
2. Po regeneracji złoże przepłukać 400 cm3 wody destylowanej.
3. Zmierzyć wysokość warstwy jonitu w kolumnie oraz średnice kolumny.
4. Wykonać oznaczenie jonów Ca2+ w roztworze podstawowym (c0) – (p.8).
5. W celu wyznaczenia zdolności wymiennej jonitu należy przepuścić przez
jonit roztwór podstawowy. Z wycieku co 100 cm3 należy pobierać próbki
i oznaczać w nich stężenie (c) jonów Ca2+ (p.8). Notować dokładnie
sumaryczną objętość wycieku aż do końca trwania wymiany jonowej!!!!.
6. Proces wymiany jonowej prowadzić do momentu wysycenia złoża
(stężenie jonów Ca2+ jest takie same bądź zbliżone jak w roztworze
podstawowym).
7. Po skończonej pracy należy przepłukać kolumnę jonitową i pozostawić
jonit zalany wodą destylowaną.
8. Oznaczenie jonów Ca2+:
Do cylindra miarowego o pojemności 100 cm3 pobrać 20 cm3
wycieku z kolumny i uzupełnić wodą destylowaną do 100 cm3.
Przygotowany roztwór przelać do kolby stożkowej.
Dodać 2 cm3 buforu amoniakalnego i szczyptę wskaźnika – czerni
eriochromowej.
Próbkę miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia z
fioletowej na niebieską.
Zawartość jonów wapnia (II) obliczyć wg wzoru:
X
a 35,7
V
2+
[mgR Ca /dm3]
gdzie:
a – ilość mianowanego r - ru EDTA użyta do miareczkowania [cm3],
V – objętość próbki wody użyta do oznaczenia [cm3],
Opracowanie wyników
1. Wyniki miareczkowania
Objętość wycieku [dm3]
Stężenie jonów Ca2+ w wycieku [mgR/dm3]
2. Wykreślić izoplanę wymiany jonowej tj. tzn. zależność
c/c0 od
sumarycznej objętości V wycieku (c – stężenie jonów Ca2+ w wycieku, c0
– stężenie jonów Ca2+ roztworu podstawowego).
3. Na izoplanie zaznaczyć punkt przebicia (wyraźny wzrost stężenia jonów
w wycieku) i punkt wyczerpania (stężenie jonów Ca2+ w wycieku staje się
równe stężeniu wyjściowemu).
4. Z krzywej przebicia wyznaczyć roboczą objętość przebicia Vr (jest to
objętość, przy której następuje przebicie kolumny, odpowiada roboczej
zdolności wymiennej kolumny).
5. W oparciu o znalezioną wartość Vr obliczyć roboczą zdolność wymienną
jonitu Zr wyznaczoną w warunkach dynamicznych:
Zr
Vr C
[mgR/dm3]
VK
gdzie:
Zr – robocza zdolność wymienna jonitu [mgR/dm3],
Vr – objętość wycieku z kolumny[dm3],
C – stężenie jonów wapniowych w roztworze podstawowym [mgR/dm3],
VK – objętość kationitu [dm3].