Применение ионообменного процесса для извлечения органических кислот из растворов

Лист

Изм.	Кол.уч.	Лист	№док.	Подп.	Дата

 

Взам. инв. №
Подп. и дата
Инв.№подл.

 

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

 

 

 

 

Кафедра «Прикладная  экология»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Применение  ионообменного процесса для извлечения органических кислот из растворов.

Расчет противоточного ионообменного аппарата для извлечения итаконовой кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

 

Кафедра Прикладная экология

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Дисциплина Техника защиты окружающей среды

 

Рассчитать  противоточный ионообменный аппарат для извлечения                       итаконовой кислоты на анионите ЭДЭ-10 П в ОН форме

 

Исходные  данные

содержание  итаконовой кислоты в растворе, г/мл     0,012

расход исходного  раствора, мл/с                                30

фиктивная скорость раствора в колонне,w                 0,07

допустимое содержание итаконовой кислоты

в фильтрате, г/мл                    400                                  0,0005

степень использования  ионита ск/со                                                0,75

степень полноты регенерации  ионита сн/со                              0,15                 

порозность слоя                                                           0,45

кажущаяся плотность ионита, г/мл                               0,41

коэффициент массопереноса,с                                    0,0073

равновесие  описывается уравнением Лэнгмюра         с*=295 с(1+339 с)

 

Предоставить  следующие материалы в указанные  сроки

1. Литературный обзор – 8 неделя
2. Технологическая схема – 9 неделя
3. Технологический расчет – 10 неделя
4. Защита проекта – 14 неделя.

 

Дата выдачи 8 учебная неделя.

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                                         4

1 Общая характеристика и классификация ионитов                                                  6

1. Неорганические иониты                                                                                       8
2. Орагические иониты                                                                                            9
3. Маркировка ионитов                                                                                            10
2. Применение ионитов                                                                                             12
3. Аппаратурное оформление процесса ионного обмена                                      23
1. Общие сведения                                                                                                   23
2. Аппараты с плотным слоем ионита                                                                   25
4. Процесс обмена ионов                                                                                           32
1. Кислотно-основные свойства ионитов                                                              33
5. Регенерация ионитов                                                                                             34
1. Расчет динамических ионообменных процессов                                             35
6. Инженерные методы расчета                                                                               37
7. Расчет  противоточного ионообменного аппарата для извлечения

     итаконовой кислоты на анионите ЭДЭ-10 П в ОН^—форме                                43

Заключение                                                                                                                 46

Список использованной литературы                                                                         47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Сегодня мир  ионитов, иначе ионообменных веществ и материалов, велик и многообразен, а ионообменный процесс быстро и всестороне входит в различные сферы человеческой деятельности. Наряду с ректификацией, экстракцией, абсорбцией и адсорбцией он стал типовым процессом химической технологии, занимая ведущее положение во многих отраслях промышленного производства. Все большее народнохозяйственное значение приобретают процессы ионного обмена в связи с внедрением в промышленную практику замкнутых технологических схем и комплексного использования сырья.

В данной работе большое внимание при изложении  материала уделено современным  вопросам химии ионитов, классификации  и методу инженерного расчета  ионообменного реактора.

Ионообменный  метод, в ряде промышленных областей жизненно необходим, например, в гидрометаллургии редких и цветных металлов. При этом представляется возможность полного извлечения всех ценных компонентов из перерабатываемого сырья. Этот метод дает возможность улавливать цветные и редкие металлы из промышленных сточных вод гидрометаллургических производств, и цехов металлопокрытий. В результате сохраняется много ценных металлов, а сбрасываемые воды перестают отравлять природные водоемы.

В ряде других областей промышленности — химической, фармацевтической, пищевой и др.— ионообменные смолы дают возможность более рационально перестроить технологический, процесс.

Очистка сточных  вод, растворов и газов является важной составной частью комплекса  мероприятий по снижению масштабов  и темпов отрицательного воздействия  хозяйственной деятельности людей на окружающую среду. Созданы в промышленном масштабе и создаются необходимые материалы (зернистые и гранулированные иониты, полиамфолиты, ионообменные мембраны, ионные порошки, ионообменные волокна, жидкие иониты и т.д). Создаются замкнутые водооборотные циклы с применением ионного обмена.

На фоне антропогенного рассеивания химических элементов  в окружающую среду и попадания  их в водоемы сорбционная технология получения металлов и других элементов  из природных вод имеет большое  будущее.

Очистка сточных  вод и газов с применением ионного обмена имеет три главные особенности:

1. Чрезвычайно  богатый набор ионообменных систем;

2. Удачный набор  ионита, позволяет резко повысить  эффективность ионного обмена, обеспечить  высокую очистку воды и газов,  сократить до стехиометрии расход регенерирующих агентов;

3. Формирование  состава сточных вод и газов  происходит обычно за счет  примесей, характерных для данного  производства. Следовательно, при  правильном выборе регенерирующего  агента извлекаемые примеси могут  быть возвращены в производство. Это обстоятельство позволяет легко решить проблему утилизации регенерационных растворов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общая  характеристика и классификация  ионитов

 

Иониты в  обычном понимании – это твердые, зернистые, порошкообразные, формованные или волокнистые, механически прочные химически устойчивые, нерастворимые вещества, содержащие в своем составе функциональные (ионогенные) группы, способные к ионизации и обмену ионами с электролитами. При ионизации функциональных групп образуются две разновидности ионов:

1) фиксированные,  ионы, закрепленные на каркасе  (матрице) ионита и не способные  покинуть фазу ионита и перейти  в раствор;

2) противоионы  (обменные ионы) ионита, эквивалентно  равные фиксированным ионам, но  противоположные им по знаку,  способные перейти во внешний раствор в обмен на строго эквивалентное количество других ионов того же знака, поступающие в ионит из внешнего раствора (обменных ионов раствора).

Ионит можно  условно подразделить на три составные  части: матрица, фиксированные ионы и противоионы.

 

 

 

 

 

 

По природе  матрицы иониты подразделяют на неорганические (минеральные) и органические, природные  и искусственные (синтетические).

К неорганическим природным ионитам относятся  природные цеолиты, глинистые минералы (алюмосиликаты), бетонитовые глины, глауконит, вермикулит, полевые шпаты, слюда, оксиды, фосфаты и силикаты металлов (титана, кальция, циркония и др.) и природообразующие, рудные минералы переменного состава.

К неорганическим искусственным ионитам относятся синтетические цеолиты, труднорастворимые соли гетерополикислот с общей формулой Me₃XY₁₂O₄₀ nH₂O (где X=P,As, Sb, Si; Y=Mo, W, Me-металл), ферроцианиды, фосфаты, гидроксиды, оксиды, сульфиды металлов (циркония, алюминия, железа, титана, никеля и др.).

К органическим природным ионообменным материалам относятся каменные и бурые угли, торф, целлюлоза и др.

Широкое применение нашли синтетические органические иониты на основе высокомолекулярных органических соединений направленного  синтеза, обладающие постоянством состава, высокой способностью к обмену ионами, химически устойчивы и механически прочные, с чрезвычайно широкими возможностями практического применения.

В зависимости  от знака заряда противоионов различают: катиониты – ионы, способные  к обмену катионами; анионы – иониты, способные к обмену анионами, и амфолиты (амфотерные полиэлектролиты) – ионы, способные к обмену как катионами, так и анионами, в зависимости от условий среды.

В зависимости  от природы противоионов различают  многочисленные ионные формы ионитов. Например, катиониты могут находится в водородной (Н-форма), солевой (натриевая, кальциевая и т.д.) и смешанной формах, аниониты – в гидроксильной (ОН-форма), солевой (хлоридная, сульфатная, и др.) и смешанной формах. Для полиамфолитов различаются водородно-гидроксильная, водородно-солевая, гидроксильно-солевая и солевая формы.

 

 

1.  Неорганические иониты

 

Большинство известных  неорганических ионитов проявляет  катионообменные свойства. Наиболее важными представителями природных  неорганических катионов являются  цеолиты и глинистые материалы. Цеолиты – алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов с общей формулой Me_2/nO∙Al₂O₃∙XSiO₂∙YH₂O, где Ме – катион щелочного металла, а n – его валентность.

Большинство цеолитов имеет трехмерную сетчатую структуру в виде жесткой кристаллической решетки (алюмокремне-кислородный каркас, образованный тетраэдрами SiO₄ и Al₄) со значительными расстояниями между углами решетки. Имеются цеолиты со слоистой и волокнистой структурой. Часть ионов Si⁴⁺ в решетке изоморфно замещены ионами Al³⁺, что создает избыток отрицательного заряда решетки, нейтрализуемый подвижными катионами натрия, калия, кальция, бария, стронция, магния, играющих роль противоиона. Цеолиты обладают высокими избирательными свойствами по отношению к крупным катионам щелочных (рубидий, цезий), некоторых щелочноземельных (стронций) и тяжелых (свинец, ртуть, серебро, кадмий, цинк и др.) металлов.

Наличие в полимерном каркасе цеолитов системы каналов  и полостей с окнами строго определенного  размера, образованными из кислородных колец, обусловливает способность цеолитов к молекулярной (объемной) сорбции воды, газов, и органических жидкостей. В обычных температурных условиях полости цеолитов заполнены молекулами воды, которые, ориентируясь вокруг обменных катионов, за счет водородных связей образуют аквакомплексы, через которые, катионы осуществляют ионную связь с отрицательно заряженным каркасом цеолита. Катионы и молекулы воды в полостях цеолита образуют сильно концентрированный «цеолитный раствор». Если удалить цеолитную воду, нагреванием или продувкой горячим газом, то цеолиты могут быть использованы как сорбенты.