DEMINERALIZACJA WODY Demineralizacja wody polega

DEMINERALIZACJA WODY Demineralizacja wody polega

R O C Z N IK I G LEB O ZN A W C ZE T . V III, z. 1, W A R SZ A W A 1959
HELENA STUPNICKA
DEMINERALIZACJA WODY
Z Zakładu Chemii Rolniczej SGGW W -wa — kierownik prof. dr M. Górski
Demineralizacja wody polega na usuwaniu rozpuszczonych w niej
soli m ineralnych za pomocą wym ieniaczy jonowych. Usuwanie soli prze­
biega na zasadzie wym iany jonów fazy ciekłej elektrolitu na jony fazy
stałej jonitu.
Wymiana jonowa m iędzy elektrolitem a jonitem przebiega na za­
sadzie równowagi chemicznej i jest równoważnikowa, tzn. że ilość jo­
nów wym ienionych z jonitu jest równoważna ilości jonów pobranych
z roztworu.
Ilość jonów, która m oże być wym ieniona przez jednostkę m asy (lub
objętości) jonitu nazywa się zdolnością wym ienną danego jonitu i m ie­
rzy się w valach na kg (równoważnikach na kg).
Znane są wym ieniacze jonowe naturalne, półsyntetyczne i syn te­
tyczne.
Jonity syntetyczne zbliżone są budową do syntetycznych żywic. Róż­
nią się od nich tym, że są chem icznie aktywne, tzn. posiadają zdolność
wym iany jonów. W różnych punktach ich siatki przestrzennej znajdują
się grupy chemiczne czynne, takie jak — S O 3 H , — COOH, — OH, — SH
lub też: —NHaOH, = N H 2OH, = NHOH, = NOH. Grupy te nazywają się
grupami funkcyjnym i jonitów.
Obecnie do demineralizacjii wody są używane tylko jonity syntetycz­
ne. Przewyższają one własnościami fizyko chemicznymi i zdolnością
wym ienną jonity naturalne i półsyntetyczne.
Zależnie od rodzaju /grup funkcyjnych jonity dzielą się na „mocne”
i „słabe”. Grupy funkcyjne jonitów „mocnych” wykazują charakter moc­
nych kwasów ( — S O 3 H ) lub mocnych zasad (Ë Ë N O H ) i są w roztworach
wodnych prawie całkowicie zdysocjowane. Jonity „słabe” mają grupy
funkcyjne o charaketrze słabych kw asów { — C O O H ) lub słabych zasad
( — N H 3 O H ) i w roztworach wodnych są słabo zdysocjowane.
Jonity o charakterze kwasowym nazywają się kationitami, jonity
o charakterze zasadowym nazywają się amonitami.
■H. Stujpmcka
110
Zdolność wym ienna jonitów jest ograniczona. .Proces wym iany jo­
nów między roztworem a jonitem może przebiegać aż do wysycenia
wszystkich grup funkcyjnych jonitu.
W celu przywrócenia zdolności wymiennej jonitów należy przepro­
wadzić ich regenerację. Regenerację kationitów przeprowadza się za po­
mocą rozcieńczonego kwasu solnego (4%), a anionity regeneruje się roz­
cieńczonym (2%) ługiem sodowym lub węglanem sodu (6%).
Proces demineralizacji wody polega na przepuszczeniu wody suro­
wej przez złoża jonitowe. Jedno z nich jest kationitem i zatrzymuje
kationy w edług równania:
KtH + Ca(HC03)2 -> KtCa + 2C 02 + 2H20 lub
KtH + CaS04
-> Ktca + H2S 0 4
Drugie złoże jest anionitem i wym ienia aniony według równania:
AnOH-f-H 2S 0 4
An0H + HC1
Ans°4 + 2H20 lub
-> Ancl + H20
Zbiorniki na złoża jonitowe mają zwykle kształt wydłużonych cylin­
drów. Muszą one być wykonane z m ateriałów odpornych na działanie
kwasów i ługów używanych do regeneracji jonitów. Najlepszym ma­
teriałem do tego celu jest szkło jenajskie lub pyrexowe; poza odporno­
ścią na działanie wym ienionych odczynników ma ono tę zaletę, że umoż­
liwia naoczną kontrolę stanu jonitów. Zdarza się bowiem, że zawarte
w wodzie surowej powietrze gromadzi się w złożu w postaci pęcherzy
i utrudnia bezpośredni kontakt wody z jonitem.
Cylinder w ypełniony jonitem nosi nazwę kolumny jonitowej.
W zasadzie woda po przejściu przez zestaw złożony z kolumny kationitowej i kolum ny amonitowej nie powinna zawierać soli m ineral­
nych. Jednak w czasie reakcji w ym iany jonów między fazą stałą jonitu
a roztworem elektrolitu ustala się pewien stan równowagi i reakcja w y­
miany nie przebiega do końca.
Analiza wody przepuszczonej przez jedną kolumnę kationitową w y­
kazała, że stopień oczyszczenia dla Ca wynosił 98,8%, a dla Mg 99,1%
w stosunku do wody surowej. Po przepuszczeniu tej wody przez drugą
kolumnę kationitową stopień oczyszczenia w ynosił dla Ca 99,85%, a dla
Mg 99,93%. Wobec tego w praktyce, aby otrzymać wodę zdemineralizowaną odpowiadającą wymaganiom stawianym w laboratoriach, sto­
suje się zazwyczaj dwa lub kilka zestawów kolumn (kationit, anionit).
Załączone rysunki 1 i 2 przedstawiają schem aty aparatów do dem i­
neralizacji w ody stosowane w laboratoriach. Rysunek 3 przedstawia fo ­
tografię aparatu według rys. 1.
D ©mineral! zacja wody
111
Aparat na rys. 1 składa się z pięciu kolumn wykonanych ze szkła
jenajskiego; cztery kolum ny mają średnicę około 75 mm i długości oko­
ło 1500 mm, kolumna piąta ma średnicę 40 mm i długość 1000 mm.
Rys. 1. Schemat aparatu do demineralizacji wady. Aparat taki używany jest w la ­
boratorium Zakładu Chemii Rolniczej SGGW w W arszawie
A , В, C — zb iorn ik i na p ły n y do regen eracji; KI, К Ш , KV — k olu m n y k a lio n ito w e; A l l , A l V —
k o lu m n y an ion itow e
112
H. Stupnicka
Rys. 2. Schem at aparatu do dem ineralizacji wody. Aparat ten używany jest w la ­
boratorium Long Ashton Research Station, Anglia.
A u A« — k o lu m n y a n ion itow e; Ci, C2 , C3 — k olu m n y k ation itow e; A i — d od atk ow a k olu m n s
ze sp ecja ln ą ży w icą do zatrzym an ia słab o zdyisocjowanydh jonów ; R A — zb iorn ik i z NaOH do
regen eracji a n ion itów ; RC — zb iorn ik i z Zn HC1 do regen eracji k ation itów ; P — pampa;
T — zbiornik; O — rurka od p ływ ow a; M — p rzep ływ om ierz 1—10 g na godzinę; S — rura odpiły w o w a przy reg en era cji a n io n itó w i k ation itów ; E — rurka do od p ow ietrzan ia; W — zb iorn ik i na
czy stą w od ę; X — zesta w trzech kolum n; Y zestaw p ięciu k olu m n ; H — k on ieczn a różnica p o ­
ziom ów w o d y w zb iorn ik u T i w zbiorn ik ach W, aby sp ow od ow ać sw ob od n y p rzep ły w w od y
przez k olu m n y; 1—18 — ścisk acze śrub ow e zam yk ające i otw ierające p rzep ły w
W dolnej części kolumn umieszczone są przegrody porowate (sączki
Schotta 11G1), które zapobiegają w ypływ aniu jonitów z kolum n przy
przepływ ie wody. Woda surowa jest doprowadzana do aparatu z góry,
bezpośrednio z wodociągu.
Kolumny są umieszczone w drewnianej obudowie (rys. 3). Nad ko­
lumnami umieszczono trzy zbiorniki (butle) z odczynnikami do regene­
racji. Pierwsza butla zawierająca HC1 jest połączona z trzema kolum­
nami (I, III, V), wypełnionym i kationitem. Druga butla zawierająca
NaOH jest połączona z dwiema kolumnami (II i IV) wypełnionym i amo­
nitem. Trzecia butla zawiera wodę do przepłukiwania i jest 'połączona
ze wszystkim i pięcioma kolumnami system em rurek zaopatrzonych w ści­
skacze.
Ciecze do regeneracji doprowadza się do zbiorników nad kolumnami
za pomocą pompy wodnej.
Pierwsza i trzecia kolumna zawierają po około 1,5 kg (przeliczone na
s.m.) W ofatytu F; druga i czwarta kolumna są wypełnione W ofatytem
MD (ok. 1,3 kg s.m.); piąta kolumna (buforowa) zawiera ok. 0,5 kg (s.m.)
Wofatytu P. Zadaniem kolum ny piątej, buforowej, jest utrzym ywanie
pH zdemineralizowanej wody na stałym poziomie.
Deminera/lizaoja w ody
113
Opisany aparat oczyszcza jednorazowo około 1300 litrów wody w o­
dociągowej, przy czym jego wydajność na godzinę m oże wynosić od
30 do 70 litrów. Koszt oczyszczenia 1 litra wody wynosi od 5 do 10 gro­
szy, jeżeli się nie wlicza kosztów budowy 'aparatu.
Rysunek 2 przedstawia schemat innego aparatu do demineralizacji w o­
dy. Składa się on również z zestawu pięciu kolumn, tj. z trzech kolumn
kationitowych i dw u kolumn amonitowych. Każda kolumna jest połączo-
Rys. 3. Aparat do dem ineralizacji wody (SGGW
Warszawa)
na z właściw ym zbiornikiem odczynnika regeneracyjnego. System połą­
czeń jest w tym aparacie prostszy aniżeli w aparacie poprzednio opisa­
nym. Woda do kolumn jest doprowadzona od dołu. Bardzo celow e jest
tu zastosowanie zbiornika na wodę surową; umożliwia to nagrzanie w o­
dy do temperatury pokojowej oraz w ydzielenie zawartych w niej gazów
przed wprowadzeniem wody do kolumn.
8 R oczniki G leb ozn aw cze
114
H. .Stujpmćka
Montowanie i uruchamianie aparatu przedstawia się następująco:
Jonity. Wartość użytkowa jonitów zależy od ich własności fizyko­
chemicznych, jak: zdolność wymienna, trwałość chemiczna i mechanicz­
na, rodzaj grup funkcyjnych, wilgotność, zdolność do pęcznienia w w o­
dzie oraz wielkość ziarn. Jeżeli powyższe cechy nie są podane przez do­
stawcę jonitów, trzeba je oznaczyć za pomocą m etod podanych w pod­
ręcznikach [13].
Jonity stosowane do napełniania kolumn nie mogą zawierać zanie­
czyszczeń mechanicznych, jak piasek, obce ciała itp., gdyż wprowadzo­
ne do kolumn są tylko balastem obniżającym wartość wym ienną joni­
tów. Bardzo niepożądanym zanieczyszczeniem są opiłki żelaza. Dlatego
przed użyciem należy ibardzo dokładnie oczyścić z 'nich jonity przy uży­
ciu magnesu. Drobne opiłki żelaza, nie dające się oddzielić za pomocą
magnesu, należy usunąć przez przemywanie 4— 6°/o kwasem solnym.
Przem ywanie należy prowadzić aż do zaniku reakcji na Fe z rodankiem.
Żelazo jest bardzo niepożądanym zanieczyszczeniem, gdyż w obecności
ługu sodowego używanego do regeneracji przechodzi w koloidalny w o­
dorotlenek żelaza, który zasklepia kanaliki w jonitach, co utrudnia prze­
nikanie wody.
Napełnianie kolumn jonitami. Kolumny napełnia się do 2/3 ich w y­
sokości. Znając w ym iary kolumn, wilgotność jonitu oraz pęcznienie, moż­
na obliczyć, ile jonitu należy odważyć dla każdej kolumny.
Dwa dni przed napełnianiem kolumn należy jonit namoczyć w w o­
dzie destylowanej, żeby nąpęczniał oraz aby usunąć powietrze groma­
dzące się na powierzchni ziarn jonitów.
Kolejność czynności przy napełnianiu kolumn (wg rys. 1):
1. Na dolne końcówki kolumn nałożyć rurki gum owe i ściskacze
śrubowe.
2. Połączyć w szystkie kolumny ze sobą rurkami gumowymi, a na
rurki nałożyć ściskacze śrubowe.
3. Kolumny napełnić wodą destylowaną.
4. Przerwać połączenie między kolumnami przez zaciśnięcie ściskaczy.
5. Górną końcówkę jednej kolumny połączyć za pomocą rurki gu­
mowej z lejkiem o tej samej średnicy w ylotu co końcówka.
6. Rozpocząć napełnianie tej kolumny. W tym celu jedna osoba na­
kłada łyżką do lejka dobrze namoczony jonit, dopełniając pojemność lej­
ka wodą destylowaną. Druga osoba na dany znak otwiera dolny w ylot
kolum ny zwalniając ściskacz; następuje spływ anie jonitu wraz z wodą
do kolumny. '
Jeżeli czynności osób napełniających kolumny są dobrze zsynchro­
nizowane, napełnianie nie napotyka na specjalne trudności.
D emine ra/li za c j a w ody
115
Kiedy w szystkie kolumny są napełnione, przystępuje się do pierw­
szej regeneracji, mającej na celu uaktywnienie jonitów. W tym celu na­
leży zwolnić ściskacze na rurkach łączących kolumny ze zbiornikami
odczynników. Regenerować można
każdą kolumnę z osobna lub
w szystkie trzy kolum ny kationitow e równocześnie, a następnie
dwie kolum ny amonitowe.
Przez każdą kolumnę kationitową należy przepuścić około 15
litrów 4% HC1 (na około 1,50 kg
s.m. kationitu), a przez każdą ko­
lumnę amonitową około 20 litrów
2% NaOH lub 6ю/о Na2C 0 3 (na
około 1,30 kg s.m. amonitu).
Po zakończeniai regeneracji na­
leży z kolumn usunąć nadmiar
użytych odczynników. W tym c e ­
lu każdą kolumnę przepłukuje się
czystą wodą w ilości od 20 do 30
litrów. Płukanie kolumn należy Rys. 4. Przebieg zm ian pH oraz zmian
prowadzić aż do zaniku reakcji na w zawartości jonów Mg i Ca w w ycieku
z kolumn
Cl i Na.
Po .przepłukaniu zakręca się
w szystkie ściskacze na -połączeniach kolumn ze zbiornikami, o otwie­
ra się ściskacze na rurkach łączących kolumny ze sobą. Po dokonaniu
tych czynności aparat można uruchomić. Pierwszą kolumnę kationitową łączy się z wodociągiem lub ze zbiornikiem wody surowej. Wodę
zdemineralizowaną odbiera się z końcówki piątej kolum ny (buforowej).
Po uruchomieniu aparatu należy oznaczyć maksymalną wydajność
aparatu oraz roboczą zdolność wym ienną jonitów. Aby te dane uzyskać,
należy dokładnie zapisywać ilość wody, która przeszła przez aparat,
aż do zupełnego wyczerpania się złoża jonitów. Wyczerpanie się złoża
sygnalizuje zmiana przewodności wody, pojawienie się w wycieku jo­
nów Cl oraz wzrost pH.
Zmiany odczynu wody nie są całkowicie miarodajne dla oceny w y­
czerpania się złoża. Jak w ykazały badania [5], widoczny wzrost warto­
ści pH w ody następuje nieco później niż pojawienie się zwiększonej
ilości jonów Mg i Ca w wycieku.
Przebieg zmian pH oraz zmiany w zawartości jonów Mg i Ca w w y­
cieku z kolumn przedstawia wykres na rys. 4.
8*
116
К. Stułpaiicka
Na wykresie krzywa 1 przedstawia zmiany wartości pH w w ycieku
z kolum ny amonitowej, od m onentu regeneracji aż do całkowitego w y ­
czerpania złoża. Krzywa 2 przedstawia zmiany wartości pH w wycieku
z kolum ny kationitowej. Krzywa 3 przedstawia zmiany zawartości jo­
nów Ca w wycieku, natomiast krzywa 4 — zmiany zawartości jonów
Mg w wycieku.
Z przebiegu krzywych wynika, że całkowite wyczerpanie złoża nie
następuje nagle i jak wskazuje przebieg krzywej 4, w yczerpywanie się
złoża zaczyna się już wcześniej niż na to wskazuje krzywa zmian pH
wody (krzywa 2).
Aby więc zabezpieczyć się przed .użytkowaniem wody nie całkowi­
cie oczyszczonej, należy przyjąć, że praktyczne wyczerpanie się złoża
następuje już w tedy, gdy przejdzie 85 do 90% wody odpowiadającej
maksymalnej wydajności aparatu. Pozostała ilość od 10 do 15% nie
może służyć do celów laboratoryjnych, można ją natomiast użyć np. do
przepłukiwania kolumn po dokonanej regeneracji.
W Zakładzie Chemii Rolniczej badano czystość w ody zdemineralizowanej w aparacie przedstawionym na rys. 1. W tym celu z każdych
50 litrów wycieku pobierano próbki i badano ich przewodność konduktom etrem 1. Wykres na rys. 5 przedstawia przebieg zmian przewodności
Rys. 5. Przebieg zmian przewodności bada­
nej w ody
badanej wody. Dla porównania na wykres naniesiono również opór w łaś­
ciw y wody wodociągowej (8000 omów), opór w łaściw y wody raz desty­
lowanej w aparacie m etalowym (90 000) oraz wody dwukrotnie destylo­
wanej, przy czym drugą destylację przeprowadzono w kolbie ze szkła je­
najskiego (opór równy 140 000 omów).
Jak wynika z wykresu, czystość wody otrzymywanej z aparatu
w granicach do 650 litrów jest większa niż wody dwukrotnie destylo­
wanej, natomiast w granicach do około 1000 litrów czystość jej jest w ięk­
sza niż czystość wody raz destylowanej.
1 „Conductivity Bridge” Model RC-BC.
Dem ineralizacja wody
117
Jak widać, woda zdemineralizowana za ipomocą jonitów nadaje się do
celów laboratoryjnych i do przygotowania wyciągów glebowych.
Badania Liebiga i in. [8] wykazały, że woda zdemineralizowana nie
ma własności toksycznych i nadaje się do sporządzania pożywek dla kul­
tur wodnych.
LITERATURA
[1] A p i e l c i n J. E., K l j a c z k o W. A., Ł u r j e J. J. i
Jonity i ich iprimienienje. Standardgiz 1949.
S m i r n o w A. S.:
[2] В ł ais z к o w s k a Z., S z p e r l A. G.: Pehametrycana metoda oznaczania (zdol­
ności wymiennej jonitów i szybkości w ym iany jonowej. Przem ysł Chemiczny,
1951, s. 169.
[3] B ł a s z k o w s k a Z., K u c h a r s k i J. : Ptrosta metoda jonitowa usuwania
zanieczyszczeń iz wody destylowanej dla icelów farmaceutycznych. Przemysł
Chemiczny, 1952, s. 418.
[4] B ł a s z k o w s k a Z., T a t u r H. : Zestaw laboratoryjny do démineralizacji
wody. Przem ysł Chemiczny, ;li95i2, s, 420.
[5] H e w i t t E. J.: Sand an d'w ater culture methods used din the study of plant
nutrition. CAB 1952.
[6] K a s t a 1 s к i A. A. : Ptrojektirowan je ustanowok dla chemiczeskowo obiessoliwanja wody. Moskwa 1952.
[7] K u n i n R„ M e y e r s R. J.: Ion exchange resins. London 1951.
[8] L i e b i g G. P. Jr., V asselow A. P. amd Chapman <H. D.: The suitability of w ater
purified by synthetic ion-exchange resins for the growing of plants in oontholled nutrient cultures. Soil Sd., 55, 371, 1943.
[9] N a c h o d C. F.: Ion exchange, theory and application. N ew York 19t52.
[10] N o w a k o w s k i W.: Kontrolne badanie jonitów w przemyśle. Przem ysł Che­
miczny, 1952, s. 300.
[11] O l e ż a k o w s k i W.: Zmiękczanie w ody w wymię rmikach sodowych. PWT,
Warszawa 1953.
[12] S w i ę t o s ł a w s k i W.: W sprawie klasyfikacji sorbentów i jonitów. Prze­
m ysł Chemiczny, 1950, s. 41.
[13] T a t u t r H., N o w a k o w s k i W.: Jonity, teoria i zastosowanie w przemyśle.
PWT„ Warszawa 1955.