О’збекистон республикаси олий ва о’рта махсус та’лим вазирлиги тосҳкент кимйо технологийа институти «Саноат екологияси»

12-ма’руза


Оқова сувларни ион-алмашиниш усули билан тозалаш


Рега
1 Оқова сувларни ион-алмашиниш усули билан тозалаш
2 Оқова сувларни екстракция усули билан тозалаш

Ион алмашиниши усули оқова сувларни металл ионларидан (Зн, Cу, Cр, Рб, Ҳг, Cд, В, Мн ва бошқ.) шунингдек, мишяк, фосфор, ва сиан бирикмалари, радиоктив моддалардан тозалашда қо’лланилади. Бу усул сув таркибидан қимматбахо моддаларни рекуперасия қилиб, уни юқори даражада тозалаш имконини беради. Сувни тозалаш жараёнида тузсизлантиришда ион алмашиниш кенг тарқалган.

Ион-алмашиниш деганда қаттиқ фазанинг еритма билан реаксияга киришиш натижасида қаттиқ фаза ионларининг еритмадаги ионлар билан алмашиниш тушунилади. Қаттиқ фазани ташкил етувчи моддалар ионитлар дейилади. Амалда улар сувда еримайди.
Електролит еритмалардан қониқарли ионларни ютиш ионларни ютувчилар – катионитлар, қониқарсиз ионларни ютувчилар анионитлар дейилади. Биринчиси кислотали, иккинчиси еса асосли хусусиятга ега.
Ионларни ютиш қобилияти ютилувчи масса бирлигининг ёки ионит ҳажмининг ионлар еквивалент сони билан аниқланадиган алмашиниш ҳажми билан характерланади. Алмашинишнинг то’ла, статик ва динамик ҳажм турлари мавжуд.
То’ла ҳажм – ҳажм бирлигининг ёки ионит массасининг то’ла то’йинишида ютувчи модданинг сонига айтилади.
Статик ҳажм - берилган иш шароитидаги ионитнинг алмашиниш ҳажмига айтилади. Одатда статистик алмашиниш ҳажми то’ла алмашиниш ҳажмига нисбатан кам бо’лади.
Динамик алмашиниш ҳажми - филтрлаш шароитида аниқланадиган ионларнинг филтратда “сакраш” холатигача бо’лган ионит ҳажмига айтилади. Бу ҳажм статик ҳажмига нисбатан камроқ.
Табиий ва синтетик ионитлар. Ионитлар (катион ва анион) ноорганик (минерал) ва органик бо’лиши мумкин. Улар табиий ёки нотабиий моддалар бо’лиши мумкин. Ноорганик табиий ионитларга сеолитлар, лойқали минераллар, дала шпати, турли моддалар киради. Уларнинг катион алмашиш хусусияти На₂∙Ал₂О₃∙нСиО₂∙мҲ₂О турдаги аммосиликатлар таркиби билан шартланади. СҲунингдек, фторапатит [Cа₅(ПО₄)₃]Ф ва гидроксидапатит [Cа₅(ПО₄)₃]ОҲ лар ион алмашиниш хусусиятига ега.
Синтетик ноорганик ионитларга силикагел, пермутит, ба’зи металларнинг (алюминий, хром, сирконий ва бошқ.) қийин ерувчан оксидлари ва гидроксидлари киради.
Катион алмашиниш хусусиятлари (масалан силикателнинг) гидроксид группаларидаги водород ионининг ишқорли мухитдаги метал катионларига алмашиниш билан шартланади. Пермутит, алюминий ва кремнийли бирикмаларнинг қотишма холидаги моддаси ҳам катион алмашиниш хусусиятига ега.
Органик табиий ионитлар бу тупроқ ва ко’мирларнинг гумин кислоталаридир. Улар кучсиз кислота хусусиятини намоён қилади. Кислотали хусусиятини ва алмашиниш ҳажмини ошириш мақсадида ко’мирлар майдаланиб олеумда сулфирланади.
Сулфо ко’мирлар кучли ва кучсиз кислота группалари бор бо’лган арзон полиелектролит хисобланади. Бундай ионитларнинг камчиликларига кимёвий чидамлилиги ва донларнинг механик бардошлиги камлиги, шунингдек алмашиниш ҳажмининг камлиги (айниқса нейтрал мухитда) мисол бо’лади.
Нотабиий органик ионитларга юза қатлами ривожланган ион алмашинувчи смолалар киради. Оқова сувларни тозалашда уларнинг ко’рсаткичи амалда юқорироқдир. Синтетик ион алмашинувчи смолаларни С-радикали ион алмашинувчи функсионал группалар жойлашган бо’шлиқли сетка хосил қиладиган юқори молекуляр бирикмалар ташкил қилади. Бо’шлиқли углеводород сеткаси (каркас) матриса дейилади, алмашинувчи ионлар еса қарама-қарши ионлар дейилади.
Хар бир қарама-қарши ион фиксирланган ёки анкерланган деб аталадиган қарама-қарши зарядланган ионлар билан бириккан бо’лади.
Матрисанинг асоси хисобланган полиуглеводородлар занжирлар бир-бири билан кесиб о’тувчи бог’лар билан бог’ланган (чокланган) бо’лади, бу еса каркаснинг мустахкамлигини оширади.
Ионитни қисқа ко’ринишда уй ко’ринишда матриса “Р” билан белгиланади, актив группа еса зичлик билан ко’рсатилади.
Масалан, сулфокатионитлар РСО₃Ҳ деб ёзилади. Бу ерда Р – матриса, Ҳ – қарама-қарши ион, СО₃ – анкерли ион.
Ионитлар сополимеризасия ва сополиконденсасия жараёнлари билан олинади. Кейинчалик хос бо’лган занжирлир тикилади (бог’ланади). Конденсасион ионитларда тикилиш, я’ни кесиб о’тувчи бог’ларнинг хос бо’лиши метиленли (-CН₂-) ёки метинли (=CН-) ко’прик хисобига амалга оширилади, шунингдек, азот-таркибли гуруҳлар ҳисобига, полимеризасион турдагиларда н-дивинилбензол ва унинг изомерлари хисобига амалга оширилади. Бундай кесиб о’тувчи бог’ларнинг сонини сетка ячейкаларнинг о’лчами ва матрисанинг қаттиқлиги аниқлаб беради.
Диссосиасия даражасига қараб катион-алмашувчи смолаларни кучли ва кучсиз кислотали ва анион-алмашинувчи смолалар кучли ва кучсиз асосли бо’лади. Кучли кислоталиларга сулфогруппали (СО₃Ҳ) катионитлар ёки кислотали фосфорли гуруҳли [ПО(ОҲ)₂] катионитлар киради. Кучсиз катионитларга карбосил (CООҲ) ва фенол (C₆Ҳ₅ОҲ) гуруҳлари киради. Кучли асосли ионитлар таркибида аммоний асослари (Р₃НОҲ), кучли асослиларда турли даражали бо’лган амин группалари (НҲ₂; =НҲ; Н) мавжуд.
Бир хил актив группалардан ташкил топган ионитлар монофунксионалли, кимёвий табиати турлича бо’лган функсионал группалардан ташкил топган ионитлар полифунксионал деб аталади. Улар кучли ва кучсиз асосли бо’лган аралаш хусусиятларига ега бо’лиши мумкин.
Катионитлар қарама-қарши ион сифатида водород ионларидан емас, балки металл ионларидан таркиб топган бо’лиши мумкин, я’ни тузли формада бо’лади. Худди шундай анионитлар хам тузли формада бо’лиши мумкин, агар қарама-қарши ионлар сифатида гидроксид ионлари емас, балки у ёки бу катионитлари ионлари бо’лса ионитларни сувда ёки хавода қиздирилиши натижасида уларнинг донлари парчаланиши мумкин, бу еса ҳажмнинг камайишига олиб келади. Хар бир смола учун ҳарорат чегараси мавжуд ундан юқорисида уни ишлатиб бо’лмайди. Умумий холда анионитларнинг термик чидамлилиги катионитларга нисбатан паст. Ион алмашиниш содир бо’ладиган Оқова сувдаги пҲ катталик смолаларнинг ион алмашинувчи группаларининг дисосиасион константасига бог’лиқ. Кучли кислотали катионлар жараённи хохлаган мухитда олиб бориш имконини беради, кучсиз катионитали еса ишқорли ва нейтрал мухитларда. СҲундай қилиб, катионитлар пҲ>7 бо’лганда карбоксил гуруҳ ионлари билан алмашилади, пҲ>8 да фенол группалар билан алмашинади.
Ионитлар сувда еримайди, аммо ма’лум чегарада бо’кувчи гел сифатида сувнинг ма’лум миқдорини ютиб бо’кади. Ионитларнинг бо’киши натижасида микро г’овакларнинг о’лчами 0,51,0 мм (510 Å) дан 4 мм (40 Å) гача ошади, микрог’овакларнинг о’лчами еса 70130 мм (7001300 Å) ни ташкил қилади. Бунда ионитларнинг ҳажми 1,53 марта ошади. Бо’киш даражаси смоланинг тузилишига қарама-қарши ионларнинг табиатига, еритманинг таркибига бог’лиқ. Бо’киш ионларнинг алмашиниш тезлигига ва то’лалигига, шуниндек ионитларнинг селективлигига та’сир етади. У алмашинишнинг бошланг’ич ва охири осмо босимлар фарқи ионитнинг тузилиш ва сиқилиш кучлари тенглашганда то’хтайди.
Гел ко’ринишдаги кучли бо’кувчи смолалар 0,10,2 м²/г бо’лган солиштирма алмашиниш юзасига ега. Макроговакли ионитлар 6080 м²/л га тенг бо’лган ривожланган алмашиниш юзасига ега. Синтетик ионитлар табиийларга қараганда сувда ко’проқ бо’кади ва катта алмашиниш ҳажмига ега. Анионитларга қараганда синтетик катионитларнинг ишлаш муддати ко’проқ.
Алмашинишнинг селективлиги смола г’овакларида бо’киш босимининг катталигига ва ионит г’овакларининг о’лчамига бог’лиқ. Г’овакларнинг кичик о’лчамларида катта ионлар ички актив гуруҳларига ета олмайди. Ма’лум металларга ионитларнинг селективлигини ошириш мақсадида смолалар таркибига шу металл ионлари билан ичкикомплекс бирикмалар (хелатлар) хосил қилувчи моддалар қо’шилади. Кучли ва кучсиз кислота катионлардан уларнинг сиқиб чиқариш енергияси бо’йича ионларнинг қаторлари белгиланган. Масалан кучли кислотали сулфокатионит КУ-2 учун қуйидаги қаторни олиш мумкин:
Н⁺<На⁺<НҲ₄⁺<Мг²⁺<Зн²⁺2+2+2+<Ни²⁺2+<Ср²⁺<Пб²⁺<Ба²⁺. Кучсиз кислотали катионит КБ-4 учун: Мг²⁺2+< Ни²⁺2+2+.
Ионитлар кукун (заррачалар о’лчами 0,040,07 мм), доначали (0,32 мм) тола материалли, лист ва плиткалар ко’ринишида ишлаб чиқарилади. Катта доначали ионитлар қатлам баландлиги 13 мм бо’лган филтрларда ишлатиш учун мо’лжалланган, кукун ко’ринишидагиларни қатлам баландлиги 310 мм бо’лганда ишлатилади.
Ионит заррачаларнинг о’лчами филтрларда босимнинг о’згаришига тасир қилади; заррачаларнинг о’лчами кичикланиши билан қатламдаги босим о’згариши ортиб боради. Бундан келиб чиқадики, тозалаш жараёнида ионитларни майдалаш мақсадга мувофиқ емас. Бу фақатгина филтрнинг қаршилигига емас, балки оқова сувнинг филтр бо’йича нотекис тақсимланишига олиб келади.
Ионит заррачаларининг бир-бири билан то’қнашиши, шунингдек қурилма деворларига урилиши натижасида ионитларнинг едирилиши хос бо’лади. Едирилиш даражаси 0,5% дан ошмайдиган ионитларни механик чидамли деб хисоблаш мумкин. Шунингдек ионитлар кимёвий ва термик чидамли бо’лиши керак. Кимёвий чидамлилик то’ла алмашиниш ҳажми билан ва ионит массасининг о’згариши билан бахоланади.
Ион алмашиниш реаксияси қуйидагича боради:
катионит билан контакда бо’лганда
РСО₃ + НаCл РСО₃На + ҲCл
анионит билан контакда бо’лганда
РОҲ + НаCл РCл + НаОҲ.
Ион алмашиниш еквивалент холатда боради ва ко’пинча қайтар бо’лади. Ион алмашиниш реаксиялари алмашинувчи ионларнинг кимёвий потенсиалларининг фарқи натижасида боради. Умумий ко’ринишда бу реаксияларни қуйидагича ёзиш мумкин:
мА + Р_мБ мРА + Б
Реаксия тенглик хосил бо’лгунча давом етади. Тенглик хос динамик режимига; алмашинувчи ионларнинг консентрасиясига, ионит донларининг структурасига. Ион-алмашиниш механизми ҳакида турли фикрлар мавжуд.
Моддаларнинг олиб о’тилиш жараёни бир нечта босқичда келтирилиши мумкин:

1. 
   Суюқлик оқими ядросидан А ионларини ионит донларини о’раб турувчи суюқ пленканинг ташқи чегаравий юзасига олиб о’тилиши;
   
2. 
   Чегара қатлам орқали ионларнинг диффузияси;
   
3. 
   Ионнинг фазаларнинг ажралиш чегараси орқали смола донига о’тиши;
   
4. 
   Смола дони ичидаги А ионларнинг ионл алмашинувчи функсионал группаларга диффузияси;
   
5. 
   А ва Б ионларнинг икки ёқлама алмашинишнинг кимёвий реаксияси;
   
6. 
   Ионит донларининг ичидаги Б ионларининг фазаларнинг ажралиш чегарасида диффузияси;
   
7. 
   Б ионларининг фазаларнинг ажралиш чегараси орқали суюқлик пленкасининг ички юзасига олиб о’тилиши;
   
8. 
   Б ионларининг пленка орқали диффузияси;
   
9. 
   Б ионларининг суюқлик оқими ядросига диффузияси.
   

Ион алмашинишнинг (кимёвий) тезлиги бу босқичларнинг енг борадиганни суюқлик пленкасидаги диффузия еки ионит донидаги диффузия орқали топилади. Ион алмашинишнинг кимёвий реаксияси тез боради ва жараён тезлигининг йиг’индисини аниқламайди.

Екстраксия

Таркибида фенол, мой, органик кислоталар металл ионлари ва бошқа моддалар бо’лган оқова сувларни тозалашда суюқлик екстраксияси усули қо’лланилади. Оқова сувларни тозалашда екстраксия усулидан фойдаланишнинг мақсадга мувофиқлигини сув таркибидаги органик қо’шимчаларнинг консентрасиялари орқали аниқланади. Агар ажратиб олинаётган моддалар уларга кетган харажатларни қоплай олса, екстрасия иқтисодий томондан фойдали бо’лиши мумкин. Хар бир модда учун уни оқова сувдан ажратиб олишнинг рентабеллиги консентрасияси чегараси мавжуд. Умумий холда ко’пчилик моддалар учун консентрасияси 34 г/л дан ошиқ бо’лганда адсорбсияга нисбатан екстрасия усулидан фойдаланиш яхшироқ. Консентрасия 1 г/л дан кам бо’лганда екстраксияни маҳсус ҳолларда қо’ллаш мумкин. Екстраксия усули билан оқова сувларни тозалаш 3 босқичдан иборат:

1 – босқич. Оқова сувларни екстрагент (органик еритувчи) билан аралаштириш. Ривожланган юзали шароитда суюқликлар аро 2 та суюқ фаза хос бо’лади. Битта фазада екстракт ажратилаётган модда ва екстрагентдан иборат, 2 чиси – рафинат – оқова сув ва екстрагентдан иборат;
2 – босқич. Екстракт ва рафинатнинг ажралиши;
3 – босқич. Екстртагентдан регенерасия қилиш, екстракт ва рафинатни ва оқова сув таркибидаги ериган иялосликлар миқдорини чегаравий мумкин бо’лган консентрасиягача камайтириш учун екстрагентни то’г’ри танлаш ва уни оқова сув таркибига бериш тезлигини то’г’ри танлаш зарур.
Еритувчини танлашда унинг танланувчанлигини (селектив) физик-кимёвий хусусиятларини, нархини ва мумкин бо’лган регенерасиянинг турларини хисобга олиш зарур.
Екстрагент қуйидаги талабларга жавоб бериши лозим:

1. 
   Ажратиб олинаётган моддаларни сувга нисбатан яхшироқ еритиши керак, я’ни юқори тақсимланиш коеффисиентига ега бо’лиши керак;
   
2. 
   Еритишда катта танланувчанликка (селектив) ега бо’лиши керак. Оқова сувда қолиши керак бо’лган компонентларни қанчалик кам ериса, шунчалик ажратиб олиниши керак бо’лган моддалар то’лиқроқ ажратиб олинади.
   
3. 
   Ажратиб олинаётган компонентга нисбатан иложи борича катта еритиш хусусиятига ега бо’лиши керак. У қанчалик катта бо’лса, шунчалик камекстрагент керак бо’лади, я’ни тозалаш харажатлари кам бо’лади.
   
4. 
   Оқова сувда кам ериши ва қийин тозаланадиган барқарор емулсияларни ҳосил қилмаслиги керак, акс холда қурилманинг махсулдорлиги камаяди, екстракт ва рафинатни ажралиши қийинлашади, бу жараённнинг вақти ошади, шунингдек, еритувчининг ё’қотилиши ко’паяди.
   
5. 
   Зичлиги бо’йича оқова сувга зичлигидан фарқланиши керак (одатда у кичик бо’лади), чунки фақат зичликларнинг фарқигина фазаларнинг тез ва то’ла ажралишига сабаб бо’лади.
   
6. 
   Катта диффузион коеффисентга ега бо’лиши керак. У қанчалик катта бо’лса шунчалик масса алмашиниш тезлиги, я’ни екстраксия жараёниниг тезлиги катта бо’лади.
   
7. 
   Оддий ва арзон усул билан регенерасияланиши керак.
   
8. 
   Екстраксияланаетган модданинг ҳароратидан фарқ қилувчи қайнаш ҳароратига ега бо’лиши керак (осон ажралишни та’минлаш учун), катта бо’лмаган буг’ланиш солиштирма иссиқлигига ва катта бо’лмаган иссиқлик сиг’имига ега бо’лиши керак.
   
9. 
   Ажратилаётган модда билан та’сирланмаслиги керак, чунки бу екстрагент регенерасиясини қийинлашишига ва унинг ё’қотилишига олиб келиши мумкин
   
10. 
    Иложи борича зарарли, портловчи ва ёнувчан бо’лмаслиги; қурилма материалларининг коррозияга олиб келмаслиги, таннархи катта бо’лмаслиги керак.
    

Екстраксия

Таркибида фенол, мой, органик кислоталар металл ионлари ва бошқа моддалар бо’лган оқова сувларни тозалашда суюқлик екстраксияси усули қо’лланилади. Оқова сувларни тозалашда екстраксия усулидан фойдаланишнинг мақсадга мувофиқлигини сув таркибидаги органик қо’шимчаларнинг консентрасиялари орқали аниқланади. Агар ажратиб олинаётган моддалар уларга кетган харажатларни қоплай олса, екстрасия иқтисодий томондан фойдали бо’лиши мумкин. Хар бир модда учун уни оқова сувдан ажратиб олишнинг рентабеллиги консентрасияси чегараси мавжуд. Умумий холда ко’пчилик моддалар учун консентрасияси 34 г/л дан ошиқ бо’лганда адсорбсияга нисбатан екстрасия усулидан фойдаланиш яхшироқ. Консентрасия 1 г/л дан кам бо’лганда екстраксияни маҳсус ҳолларда қо’ллаш мумкин. Екстраксия усули билан оқова сувларни тозалаш 3 босқичдан иборат:

1 – босқич. Оқова сувларни екстрагент (органик еритувчи) билан аралаштириш. Ривожланган юзали шароитда суюқликлар аро 2 та суюқ фаза хос бо’лади. Битта фазада екстракт ажратилаётган модда ва екстрагентдан иборат, 2 чиси – рафинат – оқова сув ва екстрагентдан иборат;
2 – босқич. Екстракт ва рафинатнинг ажралиши;
3 – босқич. Екстртагентдан регенерасия қилиш, екстракт ва рафинатни ва оқова сув таркибидаги ериган иялосликлар миқдорини чегаравий мумкин бо’лган консентрасиягача камайтириш учун екстрагентни то’г’ри танлаш ва уни оқова сув таркибига бериш тезлигини то’г’ри танлаш зарур.
Еритувчини танлашда унинг танланувчанлигини (селектив) физик-кимёвий хусусиятларини, нархини ва мумкин бо’лган регенерасиянинг турларини хисобга олиш зарур.
Екстрагент қуйидаги талабларга жавоб бериши лозим:

11. 
    Ажратиб олинаётган моддаларни сувга нисбатан яхшироқ еритиши керак, я’ни юқори тақсимланиш коеффисиентига ега бо’лиши керак;
    
12. 
    Еритишда катта танланувчанликка (селектив) ега бо’лиши керак. Оқова сувда қолиши керак бо’лган компонентларни қанчалик кам ериса, шунчалик ажратиб олиниши керак бо’лган моддалар то’лиқроқ ажратиб олинади.
    
13. 
    Ажратиб олинаётган компонентга нисбатан иложи борича катта еритиш хусусиятига ега бо’лиши керак. У қанчалик катта бо’лса, шунчалик камекстрагент керак бо’лади, я’ни тозалаш харажатлари кам бо’лади.
    
14. 
    Оқова сувда кам ериши ва қийин тозаланадиган барқарор емулсияларни ҳосил қилмаслиги керак, акс холда қурилманинг махсулдорлиги камаяди, екстракт ва рафинатни ажралиши қийинлашади, бу жараённнинг вақти ошади, шунингдек, еритувчининг ё’қотилиши ко’паяди.
    
15. 
    Зичлиги бо’йича оқова сувга зичлигидан фарқланиши керак (одатда у кичик бо’лади), чунки фақат зичликларнинг фарқигина фазаларнинг тез ва то’ла ажралишига сабаб бо’лади.
    
16. 
    Катта диффузион коеффисентга ега бо’лиши керак. У қанчалик катта бо’лса шунчалик масса алмашиниш тезлиги, я’ни екстраксия жараёниниг тезлиги катта бо’лади.
    
17. 
    Оддий ва арзон усул билан регенерасияланиши керак.
    
18. 
    Екстраксияланаетган модданинг ҳароратидан фарқ қилувчи қайнаш ҳароратига ега бо’лиши керак (осон ажралишни та’минлаш учун), катта бо’лмаган буг’ланиш солиштирма иссиқлигига ва катта бо’лмаган иссиқлик сиг’имига ега бо’лиши керак.
    
19. 
    Ажратилаётган модда билан та’сирланмаслиги керак, чунки бу екстрагент регенерасиясини қийинлашишига ва унинг ё’қотилишига олиб келиши мумкин
    
20. 
    Иложи борича зарарли, портловчи ва ёнувчан бо’лмаслиги; қурилма материалларининг коррозияга олиб келмаслиги, таннархи катта бо’лмаслиги керак.