Экология/4.Промышленная экология и медицина труда

Ким К.Б., Матчина К.С., Козадерова О.А., Нифталиев С.И.

Воронежский государственный университет инженерных технологий, Россия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН МК-40 И МА-41 В РАСТВОРЕ НИТРАТА АММОНИЯ

Электромембранные процессы широко используются современными химическими предприятиями для очистки сточных вод. При производстве сложного минерального удобрения – нитроаммофоски – одним из методов обработки сточных вод перед их сбросом в природные водоемы или с целью очистки для вторичного использования в технологическом цикле является электродиализ с ионообменными мембранами. Для грамотного проведения этого процесса необходима предварительная оценка сорбционной емкости ионообменных мембран, применяемых в электродиализаторе.

Основным компонентом сточных вод от производства нитроаммофоски (NPK) является нитрат аммония (Таблица 1). Поэтому задачей настоящего исследования было определение статической и динамической обменной емкости гетерогенных мембран МК-40 и МА-41 в модельном растворе NH₄NO₃ и в реальной сточной воде. В работе применялись ионообменные мембраны производства ОАО Щекиноазот. Активным компонентом гетерогенной мембраны типа МК - 40 является сильнокислотный катионообменник КУ-2-8 [1]. Гетерогенная анионообменная мембрана МА-41 изготавливается из анионита АВ-17.

На первом этапе исследования была определена полная обменная емкость мембран, которая учитывает общее количество поглощенных противоионов и определяется суммой всех активных центров, вступающих в реакции ионного обмена. Определение полной обменной емкости мембран проводили по стандартной методике [2]. Образцы катионообменной мембраны в водородной форме заливали 0,1 М раствором NaOH. В результате ионообменной реакции концентрация щелочи в растворе уменьшалась.

Таблица 1.

Химический состав сточных вод от производства NPK, ОАО "Минудобрения", г. Россошь

Наименование компонента	Концентрация, мг/л
Азот аммонийный	50 – 200
Азот нитратный	20 – 120
Фосфаты	0,2 – 2,0
Хлориды	1,7 – 7,5
Сульфаты	3,1 – 11,8
Нитриты	0,24 – 13,1
Железо общее	0,01 – 0,25
Медь	0,04
рН	6,5-8,5

При контакте с анионообменником в гидроксильной форме концентрация кислоты уменьшалась, что позволяло определить количество сорбированных противоионов и рассчитать емкость мембраны. Полученные результаты определения полной обменной емкости мембран приведены в таблице 2.

Таблица 2

Показатель	МК-40	МА-41
Полная обменная емкость по 0,1 М NaOH или HCl, ммоль/г	2,2	2,1
Краспр NH4^+ или NO3^- , Краспр = Cмембр/Cраствор
модельный раствор NH4NO3	204	206
сточная вода	102	95
Динамическая обменная емкость, ммоль/г
С0(NH4NO3) = 2 ммоль/л	1,12	1,13
С0(NH4NO3) = 12 ммоль/л	2,21	2,10

Рабочую обменную емкость определяли для растворов разных концентраций, это позволило построить изотермы сорбции ионов мембранами. Одним из способов получения изотерм является метод переменных концентраций [3], который и применялся в настоящей работе. Определяли содержание поглощенных ионов по разности между концентрациями исходного (С⁰) и равновесного (C^p) растворов или по десорбции поглощенных ионов. Концентрацию ионов аммония или нитрат-ионов находили методом прямой ионометрии [4]. Содержание вещества в мембране (q) определяли по формуле

. (2)

Полученные нами изотермы сорбции ионов NН₄⁺ из модельного раствора и сточной воды (рис. 1) линейны и описываются уравнением Генри [5].

Рис. 1. Изотермы сорбции ионов аммония мембраной МК-40 из модельного раствора нитрата аммония (1) и из сточной воды (2).

Коэффициенты распределения (К_распр) ионов между мембраной и раствором, которые представляют собой отношение концентрации вещества в полимере к концентрации его в растворе, приведены таблице 2. В случае сорбции из индивидуального раствора нитрата аммония коэффициент распределения почти в два раза выше, чем при сорбции ионов аммония из сточной воды. Это связано с конкурирующей сорбций других ионов, присутствующих в сточной воде. Аналогичная ситуация наблюдается и для нитрат-ионов при сорбции мембраной МА-41 (рис. 2).

Рис. 2. Изотермы сорбции нитрат-ионов мембраной МА-41 из модельного раствора нитрата аммония (1) и из сточной воды (2).

Динамический метод состоит в определении обменной емкости мембран в процессе электродиализа [2]. Эксперимент проводился в пятисекционной электродиализной ячейке проточного типа (рис. 3). При наложении разности потенциалов формировались секции обессоливания (2, 4) и секция концентрирования (3). По разнице концентраций ионов в пермеате и ретентате, а также исходя из геометрических параметров ячейки и скорости подачи раствора, мы получили возможность определить сорбционные характеристики мембран.

Рис. 3. Электродиализная ячейка. 1 – 5 номера секций, С – катионообменные мембраны, А – анионообменные мембраны.

В результате проведенных исследований определена полная обменная емкость мембран МК-40, МА-41, рабочая обменная емкость в статических и динамических условиях. Показано, что при сорбции NН₄⁺ и NO₃^- ионов из растворов с концентрацией ≤ 0,012 М полная обменная емкость достигается только в динамических условиях.

Литература

1. Иониты. Каталог. Черкассы: НИИТЭХИМ, 1980. – 32 с.

2. Глазкова И.Н. Методы исследования физико-химических свойств ионитовых мембран / И.Н. Глазкова, Л.П. Глухова. – М.: ЦНИИатоминформ, 1981. – 96 с.

3. Самсонов Г.В. Ионный обмен. Сорбция органических веществ / Г.В. Самсонов, Е.Б. Тростянская, Г.Э. Елькин. – Л. : Химия, 1969. – 335 с.

4. Физико-химические методы анализа / под ред. В.Б. Алесковского – Л. : Химия, 1988. – 376 с.

5. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. - М.: «Химия», 1975. - 512 с.