Научная статья на тему 'Динамика сорбции и десорбции ионов меди в кольцевом слое катионита'

Динамика сорбции и десорбции ионов меди в кольцевом слое катионита Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
106
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИОННЫЙ ОБМЕН / АППАРАТ С НЕПОДВИЖНЫМ КОЛЬЦЕВЫМ СЛОЕМ ИОНИТА

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Натареев С. В., Быков А. А., Захаров Д. Е., Натареев O. С.

Предложено математическое описание процессов ионообменной адсорбции и десорбции ионов меди в аппарате с кольцевым слоем сульфокислотного катионита и установлена его адекватность реальному процессу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Натареев С. В., Быков А. А., Захаров Д. Е., Натареев O. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Динамика сорбции и десорбции ионов меди в кольцевом слое катионита»

УДК 66.011:66.023

С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров, О.С. Натареев

ДИНАМИКА СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ ИОНОВ МЕДИ В КОЛЬЦЕВОМ СЛОЕ КАТИОНИТА

(Ивановский государственный химико-технологический университет)

e-mail: natoret@mail. ru

Предложено математическое описание процессов ионообменной адсорбции и десорбции ионов меди в аппарате с кольцевым слоем сульфокислотного катионита и установлена его адекватность реальному процессу.

Ключевые слова: ионный обмен, аппарат с неподвижным кольцевым слоем ионита

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных проблем в области охраны окружающей среды является очистка промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Широкое применение в промышленности получили аппараты с неподвижным слоем адсорбента, к неоспоримым преимуществам которых можно отнести простоту конструкции, надежность работы, высокую степень очистки загрязненной воды и т.д. Из существующих конструкций аппаратов с неподвижным слоем адсорбента выделим аппараты с кольцевым слоем адсорбента, которые применяются в водоочистных установках большой производительности. Совершенствование работы ионообменных аппаратов, несомненно, связано с дальнейшим развитием математических моделей и инженерных методов расчета, основанных на современных представлениях о равновесии и кинетике ионного обмена, а также о гидродинамике движения подвижных фаз в аппарате.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

В работе рассматриваются математические описания ионного обмена в кольцевом адсорбере для систем водный раствор CuSO4 - катионит Ле-ватит S100 (Н-форма) и водный раствор HCl - катионит Леватит S100 (Cu-форма). При моделировании прямого процесса ионного обмена используем следующие допущения: катионит имеет изотропную структуру, концентрация сорбируемого вещества в начальный момент времени в слое ка-тионита равна нулю, скорость процесса лимитируется внешней и внутренней диффузией, равновесие ионного обмена описывается уравнением изотермы Никольского, раствор движется в аппарате в радиальном направлении через слой катио-нита от наружной решетки к внутренней при наличии эффекта продольного перемешивания, а затем, после прохождения внутренней решетки, поднимается вверх к штуцеру, где раствор выводится из аппарата. Схема движения раствора через слой катионита показана на рис. 1.

0CSKX1

1

Катионит

А

Рис. 1. Схема движения раствора в аппарате Fig. 1. Scheme of the solution movement in the apparatus

Математическое описание процесса ионного обмена в кольцевом слое катионита включает следующие уравнения:

уравнение материального баланса:

дС „ ,д Cср (vexR1 + Dx)e дС ^ д2 С e — + (1 - e ) ^ F + ' вх^1-——— = Dxe

дт

тицы:

дт

R1 - x

дх

дх

2

;(1)

уравнение диффузии для сферической час-

дС т;

— = D эф дт

( 2— —А

д2С 2 дС ■ + —

(2)

Ог 2 г От

ч /

уравнение изотермы Никольского для случая обмена двухвалентного иона на одновалентный:

(свх - Ср УСсР-Г _ (3)

Kc =

(а0 - Сср. р )

сР.Р ■С р

начальные и граничные условия:

С 0 = 0,

т=0

дС

йСвх = вСх=0 - 2DxepHR1—

д х

(4)

(5)

х=0

дС_ дх

= 0.

х=Н

СсР\т=0 = С т =

= 0,

- дС

Оэф 1Т

д С д г

г=го

= 0,

г=0

р[свх - Ср (с)];

(6)

(7)

(8)

(9)

уравнение для определения средней концентрации сорбируемого вещества в сферической частице:

3

1 2Т'

С ср (т) = -з \ г С (г,т)ёг

(10)

г0 0

С,

сР\.

= С

=0 1т =

:0 = Сср.0,

(12)

где С,

ср.0

- начальная концентрация целевого

Ыы э = 0.395 Яе°э64 Рг17 3,

(13)

где Ыыэ = -

2еЫы

сельта, Ыы =

3(1 - е) №

- эквивалентный критерий Нус-

- критерий Нуссельта; Pг = -

критерий Прандтля; Reэ =

2 Re

3(1 - е)

- эквивалент-

V ё з р

ный критерий Рейнольдса; Re = -

т

крите-

рий Рейнольдса; уср =

средняя ско-

где а0 - обменная емкость ионита, кг - экв/м ; С и С - концентрация целевого компонента в растворе и ионите, кг-экв/м3; Ох - коэффициент продольного перемешивания, м2/с; О - коэффициент диффузии целевого компонента в ионите, м2/с; Кс - концентрационная константа равновесия; Н = Rl - R2 - толщина кольцевого слоя ионита, м; Н - высота слоя ионита, м; г - радиальная координата внутри зерна ионита, м; г0 - радиус частицы ионита, м; Rl и R2 - радиус наружной и внутренней поверхности слоя ионита, м; V - скорость раствора, м/с; Q - расход раствора, м3/с; х - координата по толщине слоя ионита, м; в - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с; е - порозность; т -время, с; индексы: вх - входящий, гр - граничный, р - равновесный, ср - средний, эф - эффективный.

После стадии адсорбции необходимо провести регенерацию катионита. Для восстановления обменной емкости сильнокислотных катиони-тов могут быть использованы растворы сильных минеральных кислот. Для описания процесса регенерации катионита воспользуемся вышеприведенным математическим описанием, в котором вместо уравнения изотермы Никольского (3) запишем уравнение изотермы Генри

С = ГС , (11)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

а в качестве начального условия вместо уравнения (7) используем следующее условие

ср 2

рость раствора, м/с; ёз - диаметр зерна, м; О - коэффициент диффузии в растворе, м2/с; vвх, vвых -скорость раствора на входе в кольцевой слой ка-тионита и выходе из него, соответственно, м/с; / -динамический коэффициент вязкости, Пас; и -кинематический коэффициент вязкости, м/с; р -плотность раствора, кг/м3.

Значение коэффициента продольного перемешивания жидкой фазы находили по уравнению [2]:

1 1С

(14)

Бх = 0.57vCp25 , см2/с.

Удельный расход раствора соляной кислоты рассчитывали по формуле:

*2регСрегт рег

1 =■

Уа0

(15)

компонента в ионите, кг-экв/м3; Г - константа Генри.

Решение системы уравнений (1) - (12) было выполнено на ЭВМ методом конечных разностей.

Для расчета коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе использовали критериальное соотношение [1]:

где Срег - концентрация исходного регенерацион-ного раствора, кг-экв/м3; V - объем катионита в аппарате, м3; Qрег - производительность аппарата по регенерационному раствору, м3/с; трег - время процесса регенерации катионита, с.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования динамики процесса ионообменной сорбции и десорбции ионов меди на катионите Ье^ай 8100 была создана лабораторная установка периодического действия (рис. 2).

Основным элементом ионообменной установки является адсорбер с кольцевым неподвижным слоем катионита 1. Перед началом проведения эксперимента в пространство между внутренней и наружной решетками через специальные отверстия загружали набухший отрегенерирован-ный катионит, а затем в аппарат заливали дистиллированную воду. С помощью вентиля 8 из аппарата удаляли воздух. Исходный раствор из емкости 2 с помощью насоса 4 подавали в кольцевой адсорбер 1. Необходимый расход раствора устанавливали по ротаметру 3 с помощью вентиля 7. Аппарат был изготовлен из полипропилена. В табл. 1 приведены основные характеристики ионообменного аппарата.

0

^вх vвых

4

Рис.2. Схема ионообменной установки: 1 - ионообменный аппарат, 2 - емкость исходного раствора, 3 - ротаметр, 4 - насос, 5-8 - вентили Fig. 2. Scheme of the ion exchange unit: 1 - ion exchange apparatus, 2 - initial solution container, 3 - rotameter, 4 - pump, 5-8 -valves

Таблица 1

Основные характеристики ионообменного аппарата Table 1. The main characteristics of the ion exchange apparatus

Наименование показателя Показатель

Dan, М 0,205

D„.p, м 0,11

De.p, м 0,05

V, м3 9,8-10-4

Н, м 0,13

h, м 0,03

Q-105, м3/с 3,3

Qvez-105, м3/с 2,5

Сет, КГ-ЭКв/м3 0,0167 - 0,0956

Срег, кг-экв/м3 0,443 - 1,497

Показа-тель Значение показателя

Cu2+ - H+ H+ - Cu2+

С*, кГ-Экв/м3

0,0167 0,051 0.0956 0.443 1.497

d3-104, м 5,8

р , кг/м3 1280

£ 0,38

Кс 1,3 [3] -

Г - 0,95 [4]

»ф-1011, м2/с 0,81 [5] 2,34 [5] 5.77 [5] 3.2 [6] 7.5 [6]

D-1010, м2/с 4,2 [7] 3,0 [7]

Dx108, м2/с 1,03 0,72

yff-105, м/с 3,06 2,56

ции - с растворами соляной кислоты. В табл. 2 приведены характеристики исследуемых ионообменных систем: диаметр зерна катионита плотность катионита р и др. Значения эффективных коэффициентов диффузии Оэф принимали из

литературы [5, 6] для катионита КУ-2-8, который является аналогом катионита Ье^ай 8100.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 и 4 приведены в сравнении расчетные и экспериментальные выходные кривые ионного обмена на катионите Ье^ай 8100 в кольцевом адсорбере, соответственно. Среднее отклонение расчета от эксперимента для обмена Си2+ -Н+ составляет 12%, для обмена Н+ - Си2+ - 10%.

Таблица 2

Физико-химические характеристики ионообменных систем

Table 2. Physical-chemical characteristics of ion-exchange systems

Исследование процессов ионного обмена в аппарате заключалось в снятии выходных кривых. На стадии сорбции опыты проводили с водными растворами сульфата меди, а на стадии регенера-

1 г

С/Свх

0,8

0,6 2 - ч/ К 6 \

0,4 1 '3 ^ 5

0,2 - Кг

0 1 1 1 1

0 800 1600 2400 3200 4000

т, c

Рис. 3. Сравнение экспериментальных (1, 3, 5) и расчетных (2, 4, 6) выходных кривых ионного обмена Cu2+ - H+ на катионите Lewatit S100: Свх, кг- экв/м3: 1, 2 - 0,0956; 3, 4 - 0,0510; 5, 6 - 0,0167 Fig. 3. The comparison of experimental (1, 3) and calculated (2, 4) output curves of ion exchange of Cu2 + - H+ on the Lewatit S100 ions exchange resins: Свх, kg-eq/m3: 1, 2 - 0,0956; 3, 4 - 0,0510; 5, 6 - 0,0167

1

С/Свх

0,8 2

0,6 ■ 9

0,4 4 //

0,2

0 ^3 -Л 1

0

175

350

525

t, c

700

Рис. 4. Сравнение экспериментальных (1, 3) и расчетных (2, 4) выходных кривых ионного обмена H+ - Cu2+ на катионите

Lewatit S100: Свх, кг-экв/м3: 1, 2 - 1,497; 3, 4 - 0,443 Fig. 4. The comparison of the experimental (1, 3) and calculated (2, 4) output curves of ion exchange of H+ - Cu2+ on the Lewatit S100 ions exchange resins: Свх kg-eq/m3: 1, 2 - 1,497; 3, 4 - 0,443

Из анализа выходных кривых ионообменной сорбции ионов меди видно, что с увеличением концентрации исходного раствора наблюдается сжатие фронта адсорбции в слое катионита. Следовательно, на динамику ионного обмена оказывают влияние кинетические закономерности процесса. Динамическая объемная емкость катионита в исследуемом интервале концентраций растворов сульфата меди практически не изменяется и составляет в среднем 1.37 кг-экв/м3. В опытах с концентрацией исходного раствора Свх равной 0.0167 кг-экв/м3 время защитного действия слоя не превышает 600 с, а для Свх равной 0.0956 кг-экв/м3 - 120 с. На эффективность регенерации катионита в Си2-форме существенное влияние оказывает концентрация раствора соляной кислоты. В случае регенерации катионита 1.497 н раствором соляной кислоты его обменная емкость полностью восстанавливается. В данном процессе на 1 эквивалент меди израсходовалось 6.7 эквивалентов водорода. При использовании 0.443 н раствора кислоты степень регенерации катионита составляет не более 30%. При этом удельный расход регенеранта незначительно снизился и составил 5.6 экв/экв. На основании вычислительного эксперимента на ЭВМ установлено, что для проведения процесса регенерации целесообразно использовать раствор соляной кислоты с концентрацией, близкой к концентрации ионов меди в катионите Ье^ай 8100. Увеличение концентрации кислоты выше указанного значения не позволяет увеличить степень регенерации ка-тионита и приводит к нерациональному расходу регенерирующего раствора. Наоборот, с уменьшением концентрации кислоты снижается степень регенерации катионита.

ВЫВОДЫ

Разработаны математические модели процессов ионообменной адсорбции и десорбции ионов меди в аппарате с неподвижным кольцевым

слоем зернистого ионита, позволяющие рассчитать распределение концентрации целевого компонента в движущемся растворе по толщине слоя ионита в любой момент времени. Адекватность разработанных моделей проверена на примерах ионного обмена Си2+ - Н+ и Н+ - Си2+ в аппарате с кольцевым слоем катионита Lewatit S100.

ЛИТЕРАТУРА

1. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии (системы с дисперсной твёрдой фазой). Л.: Химия. 1990. 384 с.;

Romankov P.G., Frolov V.F. Mass transfer processes of chemical technology (systems with dispersed solid phase). L .: Khimiya. 1990. 384 p. (in Russian).

2. Ширяев В.К., Сафонов М.С., Горшков В.И. // Журн. физич. химии. 1969. Т. 43. № 6. С. 1603 - 1605; Shiryaev V.K., Safonov M.S., Gorshkov V.I. // Zhurn. Fiz. Khim. 1969. V. 43. N 6. P. 1603 - 1605 (in Russian).

3. Натареев С.В., Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Кочетков А.Е. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 8. С. 30 - 33;

Natareev S.V., Nikiforova T.E., Kozlov V.A., Kochetkov A.E. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tecknol. 2010. V. 53. N 8. P. 30 - 33 (in Russia).

4. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия. 1983. 295 с.;

Ashirov A. Ion exchange purification of wastewater, solutions and gases. L.: Khimiya. 1983. 295 p. (in Russian).

5. Волжинский А.И., Константинов В.А. Регенерация ионитов. Теория процесса и расчет аппаратов. Л.: Химия. 1990. 240 с.;

Volzhinskiy A.I., Konstantinov V.A. Regeneration of io-nites. Theory of process and calculation of devices. L.: Khimiya. 1990. 240 p. (in Russia).

6. Зенькевич Л. А. // Журн. прикл. химии. Т. 59. № 4. 1986. С. 792 - 793;

Zenkevich L.A. // Zhurn. prikl. khimii. V. 59. N 4. 1986. P. 792 - 793. (in Russia).

7. Новый справочник химика и технолога. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия / Под общ. ред. С. А. Симановой. С.-Пб.: Профессионал. 2004. 838 с.;

New handbook of chemist and technologist. Electrode processes. Chemical kinetics and diffusion. Colloid chemistry. Ed. S.A. Simanova. S.-Pb.: Professional. 2004. 838 p. (in Russia).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.