Главная Коллекция "Otherreferats" Экология и охрана природы Визначення ефективності сорбційного та електрохімічного методів очищення води від амонію

Визначення ефективності сорбційного та електрохімічного методів очищення води від амонію

Дослідження процесів сорбційного вилучення іонів амонію на висококислотному катіоніті КУ-2-8, низькокислотному катіоніті Dowex Mac-3 та на цеоліті марки ЦПС. Вивчення процесів регенерації катіоніту КУ-2-8 розчинами хлориду натрію та різних кислот.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид диссертация
Язык украинский
Дата добавления 02.10.2018
Размер файла 4,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Робочий розчин поміщали в анодну камеру, а в катодній камері знаходився 0,2 Н розчин NaOH. В пробах визначали залишкову конценрацію амонію [68] та хлоридів [69]та рН.

Рисунок 2.2 - Двокамерний електролізер: Кt - катод із легованої сталі 12Х18Н10Т; Аn - титановий анод покритий оксидом рутенію;

А - аніонообмінна мембрана МА-41, Sa = Sk = 0,12дм2

Вихід за струмом (В, %) розраховували за формулою:

(2.5)

де qP - кількість електрики, яка реально витрачена на перенесення грам-еквіваленту речовини;

qТ - теоретино розрахована кількість електрики, яка необхідна для перенесення грам-еквіваленту речовини;

mФ - кількість фактично перенесеної речовини, г-екв; mТ - теоретично визначена кількість перенесеної речовини, г-екв.

Фактичну кількість перенесеної речовини розраховували за формулою:

, (2.6)

де Сп - початкова концентрація іонів в розчині, мг/дм3;

Сі. - концентрація іонів в і-тій пробі після сорбції, мг/дм3;

Vр - об'єм розчину, дм3;

Теоретичну кількість перенесеної речовини (г) визначали за формулою:

(2.7)

де КЕ - електрохімічний коефіцієнт (КЕ = МЕ • 0,03731 [г-екв/(А•год)]);

MЕ - еквівалентна маса перенесеної речевини (МЕ = М/z);

М - молярна маса перенесеної речовини (г/моль);

z - валентне число іонів речовини, що пройшло в реакції;

І - сила струму, А;

t - час, год.

2.2.4 Методи аналізу

2.2.4.1 Метод визначення амонію

Визначення аміаку та іонів амонію засноване на взаємодії аміаку в лужному середовищі з тетрайодомеркуріатом калію. В результаті утворюється тетрайодомеркуріат амонію, що забарвлює розчин в залежності від кількості амонійного азоту від жовтого до червоно-бурого кольору. Оптична щільність з'єднання, що утворюється при вимірюванні на фотоелектроколориметры при довжині хвилі 440 нм пропорційна концентрації в аналізованої пробі амонійного азоту, яку знаходять за градуювальною залежністю.

Визначенню заважають компоненти, що зумовлюють жорсткість води, залізо, сульфіди, активний хлор, каламутність та кольоровість води, аміни, хлораміни, альдегіди, спирти і деякі інші органічні сполуки, що реагують з реактивом Несслера. Каламутність видаляють фільтруванням. Вплив кольоровості до певної межі можна усунути виміром оптичної щільності проби, у якому не доданий реактив Несслера. Заважаючий вплив активного хлору усувається додаванням еквівалентної кількості розчину тіосульфату натрію. Вплив кальцію і магнію в значній мірі усувається додаванням розчину сегнетової солі, проте при високій жорсткості його використання не є достатньо ефективним.

Найбільш надійним способом усунення заважаючих впливів неорганічних компонентів, кольоровості, каламутності і нелетких органічних речовин є відгонка аміаку із слабколужного розчину, проте при цьому не вдається усунути вплив амінів, хлораминов, альдегідів та інших, що також переганяються з парою з'єднань. В цьому випадку слід використовувати іншу методику визначення амонійного азоту.

Для аналізу відбирають циліндром 50 см3 відфільтрованої аналізованої води, поміщають її в суху колбу місткістю 55 см3, доливають 1 см3 розчину сегнетової солі, перемішують, потім додають 1 см3 реактиву Несслера і знову добре перемішують. Через 10 хв. вимірюють оптичну щільність проб на фотоелектроколориметрі з синім світлофільтром або спектрофотометрі (л = 440 нм) в кюветах з довжиною поглинаючого шару 2 см проти холостої проби, в якості якої беруть 50 см3 безаміачної води.

Якщо масова концентрація амонійного азоту в аналізованої воді перевищує 4,0 мг/дм3, то для визначення беруть аліквоту меншого обсягу і доводять обсяг до 50 см3 безамміачною водою.

Якщо аналізована вода була законсервована сірчаною кислотою, після додавання розчину сегнетової солі слід додати 2 краплі розчину NaOH 6 моль/дм3.

У присутності активного хлору у пробу до внесення реактивів доливають еквівалентну хлору кількість розчину тіосульфату натрію. Вміст активного хлору необхідно визначити заздалегідь.

При аналізі забарвлених вод вводять поправку на кольоровість. Для цього до іншої порції аналізованої води додають все реактиви, крім реактиву Несслера, замість якого доливають 1 см3 10% -ного розчину NaOH. Оптичну щільність отриманого розчину вираховують із оптичної щільності проби. Якщо значення оптичної щільності, обумовлене забарвленням проби, перевищує 0,3, слід використовувати визначення амонійного азоту після відгонки.

Концентрацію амонію визначають за градуювальник графіком, з урахуванням розведення. Градуювальний графік будують в координатах А (оптична густина) від С(NH4+), використовуючи для цього модельні розіини з концентрацією по амонію, мг/дм3: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 та 2,0[68].

2.2.4.2 Методи визначення хлоридів

Згідно з методикою [69] хлорид-іони титровали в кислому середовищі розчином азотнокислої ртуті в присутності діфенілкарбазона, при цьому утворювалася розчинна хлорне ртуть. В кінці титрування надлишкові іони ртуті з діфенілкарбазоном утворювали забарвлене у фіолетовий колір комплексне з'єднання. Зміна забарвлення в еквівалентній точці виражалося чітко, в зв'язку з цим кінець титрування визначали з великою точністю. Точність методу становив 0,5 мг/дм3.

Відбирали 100 см3 випробуваної води, додавали 10 крапель змішаного індикатора і по краплях 0,2Н розчин HNO3 до появи жовтого забарвлення (РН 3,6), після чого додавали ще п'ять крапель 0,2Н розчину HNO3 і титровали з мікробюретки розчином азотнокислої ртуті. До кінця титрування забарвлення розчину набувала помаранчевий відтінок. Титрування продовжували повільно, по краплях додаючи розчин азотнокислої ртуті,сильно збовтуючи пробу до появи слабо-фіолетового відтінку.

Метод може бути використаний для визначення і більш високих концентрацій хлорид-іонів у воді (більше 10 мг/дм3). В цьому випадку відбирали менший обсяг води (вміст Сl- в відібраному обсязі повинно бути не менше 10 мг) і розбавляли дистильованою водою до 100 см3 додавали ті ж реактиви і в тій же кількості і титровали з бюретки розчином азотнокислої ртуті, як описано вище. Розбіжності між результатами повторних визначень при утриманні Сl- в воді до 10 мг/дм3 - 0,5 мг/дм3.

Вміст хлорид-іонів (Х) в мг/дм3 вираховували за формулою:

Х=(V1*35,5*K*1000)/V2, (2.8)

де V1 - кількість азотнокислої ртуті, витрачений на титрування,см3; К - поправочний коефіцієнт до титру розчину азотнокислої ртуті; V2- Обсяг води, взятий для визначення, см3.

2.2.4.3 Методика визначення лужності, кислотності та жорсткості

Для визначення лужності за методикою [68] в конічну колбу місткістю 250 см3 відміряли 100 см3 досліджуваної води, додавали 3-4 краплі метилового оранжевого і титрували 0,1 М робочим розчином HCl до переходу забарвлення від жовтого до помаранчевого (рН = 4).

Для визначення кислотності за методикою [68] в конічну колбу місткістю 250 см3 відміряли 100 см3 досліджуваної води, додавали 3-4 краплі метилового оранжевого і титрували 0,1 М робочим розчином NaOH до переходу забарвлення від рожевого до жовтого (рН = 5).

Визначення жорсткості проводили відповідно стандартною методикою [68]. У конічну колбу вносили 100 см3 випробуваної води або менший обсяг, розведений до 100 см3 дистильованою водою. Потім додавали 5 см3 буферного розчину, 5-7 крапель індикатора хромогену чорного з натрієм і титровали при сильному збовтуванні 0,05 Н розчином трилону Б до зміни забарвлення в еквівалентній точці (забарвлення повинна бути синьою з зеленуватим відтінком).

2.5 Результати дослідів

Таблиця 2.6 - Зміна концентрації іонів амонію в розчинах NН4Сl та NH4OHв залежності від часу зберігання в розчині дистильованої води (Vр = 0,1 дм3)

Сзал. (NН4+), мг/дм3

NН4Сl

NH4OH

№ ст.

Споч., мг/дм3

1 доба

2 доба

7 доба

Споч., мг/дм3

1 доба

2 доба

3 доба

7 доба

1

3,5

3,44

3,32

3,3

3,4

3

2,92

2,8

2,8

2

10

10

9

9

9

7

6,6

5,7

5,2

3

7

6,8

6

6

6

10

9,6

9,6

8,8

4

100

100

95

95

95

100

70

45

30

Таблиця 2.7 - Сорбція іонів NH4+ на цеоліті (mц = 1 г) в статичних умовах з модельних розчинів на дистильованій воді (Vпр = 0,2 дм3) при початковій концентрації амонію 5-500 мг/дм3

№

Споч NH4+, мг/дм3

4 години

1 доба

2 доба

5 доба

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

1

5

3,9

0,22

2,5

0,5

1,8

0,64

0,23

0,954

2

10

8

0,4

5,6

0,88

3,9

1,22

1,25

1,75

3

20

17,2

0,56

13,6

1,28

10,8

1,84

4,8

3,04

4

40

32,4

1,52

28

2,4

22,5

3,5

12,8

5,44

5

60

53,2

1,36

44

3,2

38,5

4,3

26,4

6,72

6

80

73,6

1,28

62,8

3,44

52,7

5,46

45,3

6,94

7

100

79,5

4,1

72,7

5,46

61,8

7,64

47,3

10,54

8

200

196

0,8

182

3,6

172

5,6

127

14,6

9

300

288

2,4

264

7,2

256

8,8

228

14,4

10

500

468

6,4

424

15,2

394

21,2

384

23,2

Таблиця 2.8 - Сорбція іонів NH4+ на цеоліті (mц = 1 г) в статичних умовах з модельних розчинів на водопровідній воді (Vпр = 0,2 дм3)

Н2Оводопр.+ NH4+

Показники

Поч.

4 год.

1 доб

2 доба

4 доба

5 доба

12 доба

18 доба

NH4+, мг/дм3

10,8

10

10,0

8,2

6,0

4,0

3,3

2,7

Г, мг/г

-----

0,16

0,36

0,96

1,36

1,5

1,62

Таблиця 2.9 - Сорбція іонів NH4+ на цеоліті (mц = 1 г) в статичних умовах з модельних розчинів на дистильованій воді (Vпр = 0,2 дм3) при початковій концентрації амонію 500-3000 мг/дм3

№

Споч NH4+, мг/дм3

4 години

1 доба

2 доба

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

Срів NH4+, мг/дм3

Г, мг/г

1

500

468

6,4

424

15,2

384

23,2

2

1000

910

18

910

18

880

24

3

1500

1415

17

1400

20

1358

28,4

4

2000

1920

16

1888

22,4

1860

28

5

2500

2400

20

2395

21

2350

30

6

3000

2905

19

2860

28

2835

33

Таблиця 2.10 - Сорбція іонів NH4+ на цеоліті (mц = 20 г) в статичних умовах з модельних розчинів на дистильованій воді (Vпр = 0,2 дм3) при початковій концентрації амонію 3,7 та 22,8 г/дм3

Споч NH4+,г/дм3

4 години

1 доба

2 доба

Срів NH4+, г/дм3

Сіло, мг

Г, мг/г

Срів NH4+, г/дм3

Сіло, мг

Г, мг/г

Срів NH4+, г/дм3

Сіло, мг

Г, мг/г

3,7

3,0

140

7,0

2,6

220

11

2,5

240

12

22,8

21,2

320

16

16,8

1193

60

16,5

1267

63

Таблиця 2.11 -Регенерація цеоліту(mц = 20 г) в статичних умовах розчином 9 %-го NaCl (Vпр = 0,2 дм3)

Споч

4 години

Z, %

1 доба

Z, %

2 доба

Z, %

Cl-, г/дм3

Срів NH4+, мг/дм3

Д, г

Cl-, г/дм3

Срів NH4+, мг/дм3

Д, г

Cl-, г/дм3

Срів NH4+, мг/дм3

Д, мг

3,7

49,3

970

194

75

49,3

1166,7

233,3

90,6

50,2

1287,7

257,5

100

22,8

49,4

504,2

101

7,8

49,2

1008,0

201,7

15,7

49,2

1141,3

228,3

18

Таблиця 2.12 -Сорбція іонів NH4+ на іоніті КУ-2-8 (Vі = 5 см3) в статичних умовах з модельних розчинів на дистильованій воді (Vпр = 0,5 дм3) при початковій концентрації амонію 20-350мг/дм3

Час

№

1

2

3

4

5

6

7

Споч (NH4+), мг/дм3

20

45

70

90

110

220

350

2 год

Срів(NH4+), мг/дм3

20,0

36,8

57,5

77,6

100,0

184,0

304,0

Мі(NH4+), мг

0,0

4,1

6,3

6,2

5,0

18,0

23,0

Е, мг-екв/см3

0,00

0,05

0,07

0,07

0,06

0,20

0,26

1 доба

Срів (NH4+) мг/дм3

15,6

28,0

48,8

63,2

76,0

154,0

290,0

Мі(NH4+), мг

2,2

8,5

10,6

13,4

17,0

33,0

30,0

Е, мг-екв/см3

0,02

0,09

0,12

0,15

0,19

0,37

0,33

2 доба

Срів (NH4+) мг/дм3

12,8

21,0

42,0

55,0

65,0

130,0

224,0

Мі(NH4+), мг

3,6

12,0

14,0

17,5

22,5

45,0

63,0

Е, мг-екв/см3

0,04

0,13

0,16

0,19

0,25

0,50

0,70

7 доба

Срів (NH4+) мг/дм3

6,0

3,4

27,6

28,0

43,0

97,0

164,0

Мі(NH4+), мг

7,0

20,8

21,2

31,0

33,5

61,5

93,0

Е, мг-екв/см3

0,08

0,23

0,24

0,34

0,37

0,68

1,03

17 доба

Срів (NH4+) мг/дм3

1,0

2,8

10,0

13,5

20,0

65,0

124,0

Мі(NH4+), мг

9,5

21,1

30,0

38,3

45,0

77,5

113,0

Е, мг-екв/см3

0,11

0,23

0,33

0,43

0,50

0,86

1,26

Таблиця 2.13 -Сорбція іонів амонію на катіоніті КУ-2-8 в Na+ формі з розчину в дистильованій воді при початковій концентрації [NH4+] = 110 мг/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ = 550 мг-екв/дм3, ПОДЄ = 1,775 мг-екв/дм3

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

Мі(NH4+), мг

Мі(NH4+), мг-екв

1

200

0,0

22,0

1,22

2

400

0,0

22,0

1,22

3

600

0,0

22,0

1,22

4

800

0,0

22,0

1,22

5

1000

0,0

22,0

1,22

6

1200

0,0

22,0

1,22

7

1400

0,0

22,0

1,22

8

1600

0,0

22,0

1,22

9

1800

0,0

22,0

1,22

10

2000

9,0

20,2

1,12

11

2200

9,0

20,2

1,12

12

2400

9,0

20,2

1,12

13

2600

9,8

20,1

1,11

14

2800

12,0

19,6

1,09

15

3000

13,0

19,4

1,08

16

3200

17,0

18,6

1,03

17

3400

21,5

17,7

0,98

18

3600

28,0

16,4

0,91

19

3800

32,0

15,6

0,87

20

4000

36,5

14,7

0,82

21

4200

41,0

13,8

0,77

22

4400

43,0

13,4

0,74

23

4600

49,0

12,2

0,68

24

4800

49,0

12,2

0,68

25

5000

49,0

12,2

0,68

26

5200

49,0

12,2

0,68

27

5400

56,0

10,8

0,60

28

5600

56,0

10,8

0,60

29

5800

56,0

10,8

0,60

30

6000

56,0

10,8

0,60

31

6200

58,0

10,4

0,58

32

6400

60,0

10

0,56

33

6600

62,0

9,6

0,53

34

6800

62,0

9,6

0,53

35

7000

62,0

9,6

0,53

Таблиця 2.14 -Сорбція іонів амонію на катіоніті КУ-2-8 в Н+ формі з розчину в дистильованій воді при початковій концентрації [NH4+] = 543 мг/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ = 1550 мг-екв/дм3, ПОДЄ = 2,42 мг-екв/дм3

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

Мі(NH4+), мг

Мі(NH4+), мг-екв

К, мг-екв/дм3

рН

1

100

0,00

54,30

3,02

28,5

1,4

2

200

0,00

54,30

3,02

28,5

1,4

3

300

0,00

54,30

3,02

28,5

1,5

4

400

0,00

54,30

3,02

28,5

1,5

5

500

0,00

54,30

3,02

28,5

1,6

6

600

0,00

54,30

3,02

28,5

1,7

7

700

0,00

54,30

3,02

28,0

1,9

8

800

0,00

54,30

3,02

28,0

2,0

9

900

0,00

54,30

3,02

28,0

2,0

10

1000

0,29

54,27

3,02

27,0

2,0

11

1100

11,30

53,17

3,02

25,5

2,0

12

1200

20,70

52,23

2,95

25,5

2,0

13

1300

50,70

49,23

2,90

22,5

2,0

14

1400

103,58

43,94

2,74

16,0

2,1

15

1500

180,00

36,30

2,44

16,0

2,2

16

1600

237,30

30,57

2,02

11,5

2,3

17

1700

260,18

28,28

1,70

9,0

2,5

18

1800

292,00

25,10

1,57

4,6

2,8

19

1900

320,00

22,30

1,39

2,4

3,0

20

2000

327,00

21,60

1,24

2,1

3,1

21

2100

342,00

20,10

1,20

1,6

3,2

Таблиця 2.15 -Регенерація катіоніту КУ-2-8 в Н+ форму11-% розчином НCl (Vі = 20 см3)

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

К, мг-екв/дм3

Мді (NH4+), мг-екв

Z, %

1

20

17350,0

1000

19,28

49,7

2

40

10375,0

2620

11,53

79,4

3

60

4590,0

2936

5,10

92,6

4

80

965,0

2940

1,07

95,3

5

100

450,0

3064

0,50

96,6

6

120

325,0

3188

0,36

97,6

7

140

290,0

3188

0,32

98,4

8

160

140,0

3229

0,16

98,8

9

180

136,0

3229

0,15

99,2

10

200

127,0

3229

0,14

99,5

11

220

92,0

3229

0,10

99,8

12

240

45,0

3229

0,05

99,9

13

260

27,0

3229

0,03

100,0

14

280

12,0

3229

0,01

100,0

15

300

5,0

3229

0,01

100,1

16

320

1,3

3229

0,00

100,1

17

340

0,0

3229

0,00

100,1

?

38,81

100,1

Таблиця 2.16 -Сорбція іонів амонію на катіоніті КУ-2-8 в Н+ формі з розчину в дистильованій воді при початковій концентрації [NH4+] = 1325 мг/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ = 1840 мг-екв/дм3, ПОДЄ = 2,23 мг-екв/дм3

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

К, мг-екв/дм3

Мі(NH4+), мг

Мі(NH4+), мг-екв

1

100

0,0

44,2

132,5

7,4

2

200

0,0

48,8

132,5

7,4

3

300

0,0

44,2

132,5

7,4

4

400

0,0

52,4

132,5

7,4

Таблиця 2.17 -Сорбція іонів амонію на катіоніті КУ-2-8 в Na+ формі з розчину в дистильованій воді при початковій концентрації [NH4+] = 1825 мг/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ = 2,4 мг-екв/дм3

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

Мі(NH4+),мг

Мі(NH4+),мг-екв

1

100

0,2

182,5

10,1

2

200

3,0

182,2

10,1

3

300

19,0

180,6

10,0

4

400

100,0

172,5

9,6

5

500

448,0

137,7

7,7

6

600

1000,0

82,5

4,6

7

700

1650,0

17,5

1,0

8

800

1825,0

0,0

0,0

9

900

1825,0

0,0

0,0

10

1000

1875,0

0,0

0,0

?

955,5

53,1

Таблиця 2.18 -Регенерація катіоніту КУ-2-8 в Na + форму 10-% розчином NaCl (Vі = 20 см3)

№

Vпр, см3

NH4+, мг/дм3

NH4+, мг-екв/дм3

Мді, мг-екв

Z, %

1

20

17450

969,4

19,4

36,5

2

40

6085

338,1

7,4

50,5

3

60

2260

506,9

11,2

71,6

4

80

1500

355,6

7,8

86,3

5

100

1150

150,0

3,0

91,9

Таблиця 2.19 -Сорбція іонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1 на КУ 2-8 в Н+ - формі при початковій концентрації [NH4+] та [Са2+] - 30,8 мг-екв/дм3(Vі=20см3) ОДЄ [NH4+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[NH4+] = 0,44 мг-екв/дм3ОДЄ[Са2+] = 1232 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1,87 мг-екв/дм3

№

п/п

Vр,

см3

NH4+, мг/дм3

NH4+,

мг-екв/дм3

Ca2+,

мг-екв/ дм3

Mi(Са2+),

мг-екв/ дм3

Mi(NH4+),

мг

Mi(NH4+),

мг-екв

К/Л,

мг-екв/дм3

рН

1

100

1,10

0,06

0,00

3,08

55,39

3,08

К - 50

1,43

2

200

1,10

0,06

0,00

3,08

55,39

3,08

53,0

1,38

3

300

1,23

0,07

0,00

3,08

55,38

3,08

55,0

1,35

4

400

4,02

0,22

0,00

3,08

55,10

3,06

56,0

1,33

5

500

5,12

0,28

0,00

3,08

54,99

3,06

53,0

1,34

6

600

24,04

1,34

0,00

3,08

53,10

2,95

52,0

1,34

7

700

269,79

14,99

0,00

3,08

28,52

1,58

47,0

1,41

8

800

503,57

27,98

0,08

3,07

5,14

0,29

12,5

1,92

9

900

902,14

50,12

0,16

3,06

-34,71

-1,93

2,0

2,47

10

1000

966,66

53,70

0,75

3,01

-41,17

-2,29

Л - 0,2

3,67

11

1100

941,60

52,31

1,09

2,97

-38,66

-2,15

0,25

5,62

12

1200

861,50

47,86

4,45

2,64

-30,65

-1,7

0,25

5,73

13

1300

635,70

35,32

20,00

1,08

-8,07

-0,45

0,25

5,80

14

1400

629,50

34,97

30,80

0,00

-7,45

-0,41

0,20

5,82

15

1500

555,00

30,80

30,80

0,00

0,00

0,00

0,20

5,85

16

1600

555,00

30,83

30,80

0,00

0,00

0,00

0,20

5,88

17

1700

555,00

30,83

30,80

0,00

0,00

0,00

0,20

6,32

Таблиця 2.20 -Регенерація катіоніту КУ-2-8 в Н + форму 10-% розчином НCl(Vі = 20 см3)

№ п/п

Vпр, см3

рН

К, мг-екв/дм3

(NH4+), мг/ дм3

(NH4+), мг-екв/ дм3

Мді (NH4+), мг

Мді (NH4+), мг-екв

Ca2+,мг-екв/ дм3

Мді (Ca2+), мг-екв

Z(Ca2+), %

Z(NH4+), %

1

20

0,2

1150,0

3350,00

186,11

67

3,72

912,50

2,61

49,05

41,38

2

40

0,2

2400,0

1912,50

106,25

38,25

2,13

350,00

1,01

67,86

65,07

3

60

0,2

2500,0

912,50

50,69

18,25

1,01

297,50

0,74

83,85

76,31

4

80

0,2

2575,0

562,50

31,25

11,25

0,63

122,50

0,11

90,43

83,31

5

100

0,2

2612,5

62,50

3,47

1,25

0,07

62,50

0,07

93,79

84,09

6

120

0,2

2662,5

47,00

2,61

0,94

0,05

42,00

0,05

96,05

84,65

7

140

0,2

2675,0

36,70

2,04

0,734

0,04

29,50

0,04

97,64

85,09

8

160

0,2

2675,0

28,40

1,58

0,568

0,03

36,70

0,03

99,61

85,43

9

180

0,2

2687,5

12,00

0,67

0,24

0,01

16,00

0,01

100,47

85,54

10

200

0,2

2687,5

8,77

0,49

0,1754

0,01

10,00

0,01

101,01

85,65

11

220

0,2

2750,0

6,50

0,36

0,13

0,01

7,50

0,01

101,41

85,76

12

240

0,2

2800,0

5,25

0,29

0,105

0,01

5,50

0,01

101,70

85,87

13

260

0,2

2800,0

2,25

0,13

0,045

0,00

2,50

0,00

101,84

85,87

14

280

0,2

2800,0

1,10

0,06

0,022

0,00

1,00

0,00

101,89

85,87

15

300

0,2

2800,0

0,64

0,04

0,0128

0,00

0,50

0,00

101,92

85,87

16

320

0,2

2800,0

0,00

0,00

0

0,00

0,00

0,00

101,92

85,87

?

138,97

7,72

4,70

Таблиця 2.21 -Сорбція іонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:3 на КУ 2-8 в Н+ - формі при початковій концентрації [NH4+] = 31,5 мг-екв/дм3та [Са2+] 92 мг-екв/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ [NH4+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[NH4+] = 0,5 мг-екв/дм3 ОДЄ[Са2+] = 920 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1,93 мг-екв/дм3

№

п/п

Vр,

см3

NH4+, мг/дм3

NH4+,

мг-екв/дм3

Ca2+,

мг-екв/ дм3

Mi(Са2+),

мг-екв/ дм3

Mi(NH4+),

мг

Mi(NH4+),

мг-екв

К,

мг-екв/дм3

рН

1

100

1,80

0,10

0,00

9,20

56,49

3,14

132,00

1,34

2

200

2,37

0,13

0,00

9,20

56,43

3,14

132,00

1,34

3

300

30,00

1,67

0,75

9,13

53,67

2,98

132,00

1,34

4

400

472,00

26,22

15,40

7,66

9,47

0,53

64,00

1,52

5

500

508,50

28,25

57,00

3,50

5,82

0,32

56,00

1,76

6

600

566,70

31,48

92,00

0,00

0,00

0,00

1,00

3,90

7

700

566,70

31,48

92,00

0,00

0,00

0,00

0,98

4,68

8

800

566,70

31,48

92,00

0,00

0,00

0,00

0,88

6,33

?

38,69

181,88

10,11

Таблиця 2.22 -Сорбція іонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1 на КУ 2-8 в Na+ - формі при початковій концентрації [NH4+] = 30 мг-екв/дм3та [Са2+] - 31,5 мг-екв/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ [NH4+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[NH4+] = 0,86 мг-екв/дм3ОДЄ[Са2+]= 1102,5 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1,97 мг-екв/дм3

№

п/п

Vр,

см3

NH4+, мг/дм3

NH4+,

мг-екв/дм3

Ca2+,

мг-екв/ дм3

Mi(Са2+),

мг-екв

Mi(NH4+),

мг

Mi(NH4+),

мг-екв

рН

1

100

393,00

21,83

0,00

3,15

14,40

0,8

4,38

2

200

403,00

22,39

0,00

3,15

13,40

0,74

4,19

3

300

422,00

23,44

0,00

3,15

11,50

0,64

4,13

4

400

437,00

24,28

0,00

3,15

10,00

0,56

4,20

5

500

452,00

25,11

0,00

3,15

8,50

0,47

4,30

6

600

639,00

35,50

0,00

3,15

-10,20

-0,57

4,48

7

700

767,80

42,66

0,08

3,14

-23,08

-1,28

5,11

8

800

966,60

53,70

0,12

3,14

-42,96

-2,39

5,56

9

900

1092,00

60,67

0,53

3,10

-55,50

-3,08

5,86

10

1000

1113,00

61,83

1,00

3,05

-57,60

-3,2

6,19

11

1100

1110,00

61,67

5,75

2,58

-57,30

-3,18

5,88

12

1200

960,00

53,33

12,40

1,91

-42,30

-2,35

5,79

13

1300

800,00

44,44

18,20

1,33

-26,30

-1,46

5,88

14

1400

819,00

45,50

22,25

0,93

-28,20

-1,57

5,99

Таблиця 2.23 -Сорбція іонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1 на DowexMac-3 в Н+ - формі при початковій концентрації [NH4+] = 23 мг-екв/дм3 та [Са2+] - 26,5 мг-екв/дм3 (Vі = 20 см3) ОДЄ [NH4+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[NH4+] = 0мг-екв/дм3ОДЄ[Са2+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1,25 мг-екв/дм3

№

п/п

Vр,

см3

NH4+, мг/дм3

NH4+,

мг-екв/дм3

Ca2+,

мг-екв/ дм3

Mi(Са2+),

мг-екв

Mi(NH4+),

мг

Mi(NH4+),

мг-екв

К,

мг-екв/дм3

рН

1

100

300,00

16,67

5,40

2,11

11,60

0,64

2,20

2,47

2

200

360,00

20,00

5,90

2,06

5,60

0,31

1,80

2,50

3

300

416,00

23,11

5,90

2,06

0,00

0,00

1,35

2,69

4

400

416,00

23,11

5,90

2,06

0,00

0,00

1,25

2,71

5

500

416,00

23,11

6,00

2,05

0,00

0,00

1,13

2,82

6

600

416,00

23,11

6,00

2,05

0,00

0,00

1,00

2,86

7

700

432,00

24,00

7,80

1,87

-1,60

-0,09

0,98

2,89

8

800

681,00

37,83

6,70

1,98

-26,50

-1,47

0,88

2,90

9

900

680,00

37,78

6,50

2,00

-26,40

-1,47

0,83

2,87

10

1000

435,00

24,17

7,60

1,89

-1,90

-0,11

0,82

2,89

?

20,13

-39,20

-2,19

РОЗДІЛ 3.АНАЛІЗ ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Проблема чистої води є однією з найактуальніших проблем сучасності. Стрімке зростання населення Землі, розвиток промисловості та сільського господарства, які крім корисної продукції виробляють великі об'єми відходів та стічних вод, призводить до порушення екологічної рівноваги та забрудненню водойм та ґрунтових вод, що виступають джерелами питної води. Глобальна проблема питної води нерозривно пов'язана з проблемою якісної очистки стічних вод та запобіганням забрудненню джерел чистої прісної води.

На даний час однією з головних проблем в області очищення природних та стічних вод є видалення з них біогенних елементів - сполук азоту і фосфору, що викликають евтрофікацію водних об'єктів [1].

Амоній є продуктом життєдіяльності організмів, надлишок якого призводить до підвищення рН середовища, зниження концентрації розчиненого кисню, прискореної евтрофікації водойми та виділенню отрути ціанобактеріями. Такі води можуть викликати алергічні шкірні реакції та шлунково-кишечні розлади у тварин та людей.

Сполуки амонію потрапляють у водойми в результаті як природних, так і антропогенних процесів - поверхневої ерозії ґрунтів, неправильного застосування мінеральних добрив, стоки тваринницьких комплексів, побутові та господарсько-фекальні стоки.

Необхідність у вирішенні даної проблеми пов'язана не лише з природоохоронними і рибогосподарськими цілями, але і з подоланням великих труднощів, що виникають при водопідготовці для питного і промислового водопостачання з евтрофних водоймищ. Існуючі сьогодні міські очисні споруди були побудовані за традиційною схемою (повне біологічне очищення, в деяких випадках з доочисткою) в той час, коли забруднення води біогенними елементами ще не було таким інтенсивним, тому зараз вони не справляються із завданням очищення стічних вод від цих речовин і не забезпечують нормативну якість води.

Видалення біогенних елементів необхідне також при створенні оборотних і замкнених систем водопостачання промислових підприємств, що використовують біологічно очищені міські стічні води як джерело технічного водопостачання. Наявність сполук фосфору й азоту викликає біологічне обростання трубопроводів, колекторів і іншого каналізаційного устаткування, а присутність амонійного азоту, нітритів і нітратів призводить до розвитку корозійних процесів.

Отже, дослідження процесів, що зможуть забезпечити інтенсифікацію вилучення біогенних сполук з водних джерел та стічних вод мають високу актуальність.

3.1 Вилучення амонію іонообмінним методом

З рисунку 3.1видно, що при концентрації розчину по амонію в 110 мг/дм3 (6 мг-екв/дм3) насичення катіоніту КУ-2-8 в Na+ формі іонами амонію відбувалось досить повільно. При цьому значення ПОДЄ становить 1775 мг-екв/дм3, а ОДЄ до проскоку всього 550 мг-екв/дм3, що свідчить про низьку селективність іоніту в Na+ формі по іонах амонію.

Рис. 3.1 -Вихідна крива сорбції іонів амонію на катіоніті КУ-2-8 в Na+ формі з розчину в дистильованій воді ([NH4+] = 110 мг/дм3), (Vі = 20 см3

Було вивчено сорбцію амонію на КУ-2-8 в Н+ та Na+ -формах при вихідних концентраціях [NH4+]: 543, 1325 та 1825мг/дм3. З рисунку 3.2 видно, що швидшого насичення іоніт набував при більш високих концентраціях. Значення ПОДЄ в Н+ формі становило 2420 та 2230 мг-екв/дм3 при початкових концентраціях відповідно 543 та 1325 мг/дм3, а для Na+ форми - 2400 мг-екв/дм3 при початковій концентрації 1825 мг/дм3. Значення ОДЄ до проскоку для КУ-2-8 в Н+ формі зростає із збільшенням концентрації (1550 та 1840 мг-екв/дм3, відповідно), а в Na+ формі становить 507мг-екв/дм3, що підтверджує низьку селективність іоніту в цій формі по іонах амонію.

Рис. 3.2- Залежність концентрації іонів амонію від пропущеного об'єму розчину NН4Сl в дистильованій воді через катіоніт КУ-2-8 в Н+-формі (1; 2) та в Na+-формі (3) при вихідних концентраціях [NH4+], мг/дм3: 543 (1), 1325 (2), 1825 (3) (Vі = 20 см3, Vпр = 100 см3)

Регенерацію катіоніту КУ-2-8 в Н+-формі та в Na+-форміпроводили 6%-м та 11%-м розчинами HCl, а також 10%-м розчином NaCl (рис. 3.3).Ефективність регенерації складала 90% при витраті регенераційного розчину- 80 см3 на 20 см3 іоніту (qп=4 см3/см3) за концентрації HCl - 6%, та 92,6% при qп= 3 см3/см3 за концентрації HCl - 11%. Ефективність регенерації 10%-м розчином NaCl сягала 92% при витраті регенераційного розчину qп=5 см3/см3. Виходячи з цього можна сказати, що регенерація проходила краще та швидше при використанні розчинів соляної кислоти, в порівнянні з розчинами хлориду натрію.

Рис.3.3 - Залежність концентрації амонію (1; 2; 3) та ступеню регенерації (4; 5; 6) катіоніту КУ-2-8 в NH4+формі від об'єму пропущених регенераційних розчинів 11% HCl (1; 2), 6% HCl (3; 4), 10% NaCl (5; 6) (Vі = 20 см3, Vпр = 20 см3)

Також катіоніт КУ-2-8 регенерували 5% розчинамисірчаної, азотної та фосфорної кислот (рис. 3.4). Ефективність регенерації азотною кислотою становила 95%. Трохи гірші результати отримані при використанні сірчаної та фосфорної кислот. При витраті розчинів 5 см3/см3ефективність регенерації сірчаною кислотою становить 76,6%, а фосфорною кислотою -- 73,3%. В цілому регенерація кислотами проходить досить успішно, але найменші витрати спостерігаються при використанні соляної та азотної кислот, а швидкість регенерації збільшується із підвищенням концентрації розчинів кислот.

Для оцінки впливу іонів жорсткості на сорбцію іонів амонію було проведено дослідження по вилученню амонію на катіонітах в Н+ та Na+-формах в присутності іонів Са2+.

Рис. 3.4 - Залежність вихідної концентрації амонію (1; 2; 3) та ступеню його десорбції (4; 5; 6) від об'єму пропущених регенераційних розчинів 5% H2SO4 (1; 4), 5% H3РО4 (2; 5), 5% НNO3 (3; 6) через катіоніт КУ-2-8 в NH4+ формі (Vі = 20 см3, Vпр = 20 см3)

На рисунку 3.5 представлено вихідні криві сорбції іонів амонію з модельних розчинів на катіонітах КУ-2-8 в Н+ і Na+-формах та Dowex Mac-3 в Н+ формі у присутності іонів кальцію при співвідношенні еквівалентних концентрацій 1:1 та 1:3. Початкові концентрації амонію становили 23 мг-екв/дм3(414 мг/дм3) для Dowex Mac-3 та 30 мг-екв/дм3(540 мг/дм3) для КУ-2-8.

З рисунку видно, що в присутності іонів кальцію сорбція іонів амонію практично не відбувається, а в подальшому навіть вже сорбовані іони амонію витісняються кальцієм. Це підтверджується і низькими значеннями ПОДЄ по всіх сорбціях.

Сорбційна ємність для DowexMac-3в Н+ - формі при сорбціїіонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1 становить: ПОДЄ[NH4+] = 0 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1250 мг-екв/дм3.Виходячи з уього, можна зробити висновок, що використання Dowex Mac-3 для видалення амонію в присутності іонів кальцію не доцільне.

Для КУ 2-8 в Na+формі при сорбціїіонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1сорбційна ємність становить: ПОДЄ[NH4+] = 860мг-екв/дм3, ОДЄ[Са2+]= 1102,5 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1970 мг-екв/дм3.

Для КУ 2-8 в Н+формі при сорбціїіонівNH4+ та Ca2+ у співвідношенні 1:1сорбційна ємність становить: ПОДЄ[NH4+] = 440мг-екв/дм3, ОДЄ[Са2+]= 1232 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1870 мг-екв/дм3.

Рис. 3.5- Залежність концентрації іонів амонію (1; 3; 5; 7) та кальцію (2; 4; 6;8) від пропущеного об'єму модельних розчинів NН4Сl та СаСl2 у співвідношеннях 1:1 (1; 2; 5; 6; 7; 8) та 1:3 (3; 4) через катіоніт КУ-2-8 в Н+-формі (1; 2; 3; 4) та в Na+-формі (5; 6) та катіоніт DowexMac-3 в Н+-формі (7; 8), (Vі = 20 см3, Vпр = 100 см3)

Ще гірші результати по сорбції амонію були при співвідношенні концентрацій NH4+до Са2+? 1:3. Таке співвідношення концентрацій були вибрані з розрахунку того, що в природних водах реальний вміст кальцію значно більший за вміст амонію.Сорбційна ємність у цьому випадку становить: ПОДЄ[NH4+] = 500мг-екв/дм3, ОДЄ[Са2+]= 920 мг-екв/дм3, ПОДЄ[Са2+] = 1930 мг-екв/дм3.

Загалом не дивлячись на в цілому позитивні результати іонообмінного вилучення амонію з води даний метод не можна рекомендувати для очистки природних та стічних вод, що містять іони жорсткості.

3.2 Вилучення іонів амоніюна цеолітах

Було досліджено сорбцію іонів амонію на природному сорбенті - цеоліті марки ЦПС (фракція 2,5-5,0 мм). З урахуванням того, що сорбцію в статиці проводили протягом тривалого часу, необхідно булоз'ясуватикінетику сорбції іонів амонію в розчинах хлориду амонію та аміаку. Для цього використовували водні розчини хлориду амонію та аміаку (рис. 3.5) при концентраціях віз 3 до 100 мг/дм3.

а

б

Рис. 3.6 - Зміна концентрації іонів амонію в розчинах NН4Сl (1; 3; 5) та NH4OH (2; 4; 6) від часу зберігання в розчині дистильованої води при початкових концентраціях в них [NH4+], мг/дм3: а) 3 (2); 3,5 (1); 7 (3; 4); 10 (5; 6); б) 100 (1; 2) (Vр = 0,1 дм3)

З графіків на рисунку 3.6видно, що в розчинах NH4Cl концентрація амонію суттєво не змінюється протягом 7 діб. В той час як у водних розчинах аміаку з високими концентраціями вміст амонію знижується, що можна пояснити поступовим вивітрюванням аміаку. Тому в подальших дослідах для отримання більш показових результатів використовували розчини хлориду амонію.

На рисунку 3.7 показано результати по кінетиці сорбції амонію на цеоліті (mц=1 г)у статичних умовах з розчинів у дистильованій воді та водопровідній воді при вихідних концентраціях [NH4+] - 5, 10 та 20 мг/дм3. З рисунку видно, що сорбція з водопровідної води проходить так само, як і з модельних розчинів. Відмічено зниження концентрації амонію в розчині та збільшення величини адсорбції із часом контакту з сорбентом.

Рис. 3.7 - Залежність залишкової концентрації амонію (1; 2; 3; 4) та величини його адсорбції (5; 6; 7; 8) від часу сорбції на цеоліті у статичних умовах з розчинів у дистильованій воді (1;2;3;5;6;7) та водопровідній воді (4;8) при вихідних концентраціях [NH4+], мг/дм3: 5(1; 5); 10(2; 4; 6; 8); 20(3; 7) (Vр = 0,2 дм3, mц = 1000 мг)

На рисунках 3.8 та 3.9 також показана залежність залишкової концентрації іонів амонію та величин адсорбції на цеоліті (mц= 1 г)з розчинів з більшими концентраціями по амонію: 40, 60, 80, 100 мг/дм3 (рис. 3.7) та 200, 300, 500 мг/дм3 (рис 3.9). В усіх випадках відмічено зростання величини адсорбції з підвищенням концентрації амонію в розчинах.

Ізотерми адсорбції іонів амонію на цеоліті (mц= 1 г)представлені на рисунках 3.10 та 3.11. Час контакту розчину із сорбентом збільшувався від 4 до 144 годин при вихідних концентраціях від 5 до 300 мг/дм3 (рис. 3.10), та від 500 до 3000 мг/дм3 (рис. 3.11).З усіх цих графіків видно, що зі збільшенням концентрації амонію в розчині ступінь адсорбції зростає й досягає їх граничних значень приблизно в 40 мг/г.

Рис. 3.8 - Залежність залишкової концентрації амонію (1; 2; 3; 4) та величини його адсорбції (5; 6; 7; 8) від часу сорбції на цеоліті у статичних умовах з розчинів у дистильованій воді при вихідних концентраціях [NH4+], мг/дм3: 40 (1; 5); 60 (2; 6); 80 (3; 7) та 100 (4; 8) (Vр = 0,2 дм3, mц = 1000 мг)

Рис. 3.9 - Залежність залишкової концентрації амонію (1; 2; 3) та величини його адсорбції (4; 5; 6) від часу сорбції на цеоліті у статичних умовах з розчинів у дистильованій воді при вихідних концентраціях [NH4+], мг/дм3: 200 (1; 4); 300 (2; 5); 500 (3; 6) (Vр = 0,2 дм3, mц = 1000 мг)

Рис. 3.10 - Ізотерми адсорбції іонів амонію на цеоліті через 4 (1), 24 (2), 48 (3), 120 (4) годин контакту розчину із сорбентом при вихідних концентраціях [NH4+] = 5ч300 мг/дм3 (Vр = 0,2 дм3, mц = 1000 мг)

Рис. 3.11 - Ізотерми адсорбції іонів амонію на цеоліті через 4 (1), 24 (2), 48 (3), 144 (4) годин контакту розчину із сорбентом при вихідних концентраціях [NH4+] = 500ч3000 мг/дм3 (Vр = 0,2 дм3, mц = 1000 мг)

Надалі, для визначення граничного значення ступеню сорбції амонію на цеоліті, було збільшено масу цеоліту до 20 г, а також збільшено концентрацію амонію в розчинах до 3,7 та 22,8 г/дм3. З рисунку 3.12 видно, що ступінь адсорбції з більш концентрованого розчину зріс до 60 мг/г вже за перші 24 години, й в подальшому лише не суттєво змінювався, що можна пояснити надеквівалентною сорбцією амонію з висококонцентрованих розчинів.

Рис. 3.12 - Зміна концентрації (1; 2) та адсорбційної ємності (3; 4) по іонах амонію при сорбції на цеоліті в статичних умовах з розчинів у дистильованій воді з часом адсорбції, за вихідних концентрацій [NH4+], мг/дм3: 3,7 г/дм3 (1; 3) та 22,8 г/дм3 (2; 4) (Vр = 0,2 дм3, mц = 20 г)

Рис. 3.13 - Залежність концентрації (1; 2) та ступеню десорбції (3; 4) іонів амонію з цеоліту при обробці розчином NaCl з концентрацією 90 г/дм3 в залежності від часу контакту з сорбентомпри сорбованих іонах амонію: 257,5 мг (1; 3) та 1287 мг (2; 4) (Vр = 0,2 дм3, mц = 20 г)

Регенерацію цеоліту проводили розчином NaCl з концентрацією 90 г/дм3. З рисунку3.13видно, що 100% ступінь десорбції був досягнутий при сорбційній ємності цеоліту, що не перевищувала 60 мг/г. У випадку надеквівалентної сорбції амонію ступінь десорбції амонію становив 18%, що пояснюється його можливою десорбцією при промивці сорбенту перед регенерацією.

3.3.Електрохімічне окислення амонію у двокамерному електролізері

Електрохімічні методи вилучення сполук азотуосновані на використанні ємнісної деіонізації, при якій амоній виділяються з води та концентруються завдяки різниці концентрацій між електродними камерами та робочою камерою [68]. Можливе також застосування електродіалізу або зворотнього осмосу [71], але це створює проблему утилізації концентратів. Але в той же час мало вивченими є процеси електрохімічного окислення амонію.

На першому етапі досліджень використали розчин хлориду амонію для оцінки ефективності очищення води від амонію в двокамерному електролізері, в якому катодна та анодна область розділені аніонною мембраною МА-41. В катодній камері розмістили розчин лугу, в анодній камері -- розчин хлориду амонію (табл. 3.1).

Таблиця 3.1 - Зміна концентрації амонію та рН в аноліті двокамерного електролізеру (мембрана МА-41) від часу електролізу NH4Cl у розчині водопровідної води при щільності струму 431 А/м2 за концентрації лугу в католіті 50 мг-екв/дм3 (0,05 H)

№

№ п/п

Час, хв.

Концентрація в аноліті, мг/дм3

рН

І, А

U,В

B, %

Сl-

NH4+

І

1

0

100

50,0

5,6

--

--

--

2

30

8,0

2,0

0,5

40

5,56

3

60

0,0

2,0

0,5

30

3,31

4

80

0,0

3,0

0,5

50

0,00

ІІ

1

0

2088

1000,0

5,4

--

--

--

2

30

590,0

2,0

0,5

14

54,30

3

60

175,0

2,0

0,5

15

54,63

4

90

8,6

2,0

0,5

26

43,76

5

120

0,0

2,0

0,5

45

33,11

Вилучення амонію відбувалось за рахунок окислення азоту в молекулах аміаку киснем, перекисними сполуками або сполуками окисленого хлору, які утворюються на аноді. Вихід за струмом по окисленому азоту в концентрованому розчині практично на порядок вищий, ніж у розведеному розчині, що пов'язано із зниженням виходу по окисленому азоту в розведеному розчині та витратою енергії на синтез значного надлишку окислюючих агентів на аноді.

В даному електролізері можливе проходження наступних окисно-відновних реакцій. На катоді головним чином відбувається відновлення води з утворенням водню та гідроксид аніонів:

2H2O + 2e = H2^ + 2OH- (3.1)

На аноді можливе утворення наступних сполук:

2H2O ? 4e = О2^ + 4H+ (3.2)

4OН- ? 4e = О2^ + 2H2O (3.3)

2H2O ? 2е = H2O2 + 2Н+ (3.4)

2Сl- ? 2e = Cl2 (3.5)

Cl2 + H2O = HCl + HCl(O) (3.6)

Cl2 + 2OH- = Cl- + ClO- + H2O (3.7)

ClO- + Cl2 + H2O = ClO2- + 2HCl (3.8)

ClO- + Cl2 + 2OH- = 2Cl- + ClO2- + H2O (3.9)

2ClO2- + Cl2 = 2ClO2 + 2Cl- (3.10)

ClO2- + Cl2 + H2O = ClO3- + 2HCl (3.11)

ClO2- + Cl2 + 2OH- = 2Cl- + ClO3- + H2O (3.12)

При цьому в лужному або нейтральному середовищі проходять в основному реакції 3.1 ? 3.14, а у нейтральному, слабко кислому та кислому середовищі краще проходять реакції 3.5, 3.6, 3.8, 3.10, 3.11. Хоча утворення ClO-, ClO2- та ClO3- краще проходить у слаболужному середовищі (реакції 3.7, 3.9 та 3.12).

Якщо враховувати, що в даних дослідах рН середовища в аноліті змінювався у межах 5,6 ? 2,0, то можна сказати, що основними окисниками в даному випадку були кисень, пероксидні сполуки, активний хлор та, можливо, гіпохлорит аніон. Досить ймовірним в даному випадку було утворення хлорамінів за реакціями 3.19 ? 3.24:

NH3 + Cl2 = NH2Cl + HCl (3.13)

NH2Cl + Cl2 = NHCl2 + HCl (3.14)

NHCl2 + Cl2 = NCl3 + HCl (3.15)

NH3 + ClO- = NH2Cl + OH- (3.16)

NH2Cl + ClO- = NHCl2 + OH- (3.17)

NHCl2 + ClO- = NCl3 + OH- (3.18)

Якщо судити по рН середовищу, то ймовірно проходять процеси описані реакціями 3.13 ? 3.18. Проте в даних дослідах не було відмічено суттєвого підвищення вмісту сполук окисленого хлору (концентрації активного хлору), що повинно було б відбутися в разі отримання переважно хлорамінів. Вміст активного хлору визначали за зниженням концентрацій сульфіту натрію в його розчинах при змішуванні з анолітом або по виділенні йоду при обробці аноліту розчинами йодистого калію. Можливо у даному випадку аміак окислювався до азоту сполуками кисню, а активний хлор видалявся з розчину в наслідок дегазації:

2NH3 + 3О2 = N2 + 3Н2О (3.19)

При проведенні електролізу розчинів хлориду амонію на першому етапі не контролювали вміст хлоридів (табл. 3.1), тому складно визначити їх вплив на процеси окислення аміаку. В подальшому (рис. 3.14) при електролізі розчинів хлориду амонію з концентрацією по амонію 10 ? 50 мг/дм3 в аноліті контролювали не лише залишковий вміст амонію, але й хлоридів. Як видно з рис. 3.14 за 40 хвилин електролізу при густині струму всього 86,2 А/м2 було відмічено значне зниження вмісту амонію у воді. При цьому на 30 ? 50 мг/дм3 знизився вміст хлоридів у воді. Очевидно, що окислені сполуки хлору частково призводили до окислення аміаку, а частково вилучались з розчину в наслідок дегазації у вигляді Cl2 та ClO2.

Рисунок 3.14 - Залежність концентрації амонію (1; 2; 3) та хлоридів (4; 5; 6) в аноліті двокамерного електролізеру (мембрана МА-41) від часу електролізу при щільності струму 86,2 А/м2, при вихідних концентраціях амонію та хлоридів відповідно, мг/дм3: 10; 60 (1; 4), 20; 80 (2; 5), 50; 135 (3; 6).

Якщо судити по рисунку 3.14, то можна сказати, що у даному випадку концентрація хлоридів у мольному відношенні знижується повільніше, за концентрацію аміаку. Це може бути пов'язано з окисленням амонію киснем та перекисними сполуками, а також частковим переходом окислених сполук хлору в хлориди при окислені аміаку.

З рисунку 3.14 видно, що з підвищенням концентрації амонію з 10 до 50 мг/дм3 зростає інтенсивність окислення амонію. Так при вихідній концентрації 10 мг/дм3 за 40 хвилин концентрація амонію знизилась на 9 мг/дм3 (до 1 мг/дм3). В такому ж об'ємі розчину та при тій же щільності струму (86,2 А/м2) в розчині з вихідною концентрацією амонію 50 мг/дм3 його вміст за 40 хвилин знизився на 42 мг/дм3 (до 8 мг/дм3).

Це свідчить про те, що у другому випадку значна частина енергії витрачалась саме на окислення аміаку, тоді як у першому випадку енергія головним чином витрачалась на побічні процеси -- окислення хлоридів, електроліз води, нагрівання розчинів й т.д.. Це підтверджують і дані по виходу за струмом окисленого аміаку (рис. 3.15) та витрати електроенергії (табл. 3.2) при збільшенні вмісту хлориду амонію у розчині. Якщо у другому випадку при концентрації амонію 50 мг/дм3 швидкість його окислення була більш ніж у 4 рази вищою за швидкість окислення при 10 мг/дм3, то і вихід за струмом був так само вищий у 4 ? 5 разів при концентрації амонію 50 мг/дм3 порівняно з концентрацією 10 мг/дм3. Слід відмітити й зниження енергозатрат у 4 ? 6 разів на окислення амонію при підвищенні його концентрації з 10 до 50 мг/дм3 (табл. 3.2).

Слід відмітити, що при концентрації амонію у воді 10 ? 50 мг/дм3 суттєво знизився вихід за струмом по окисленому азоту (рис. 3.15), в порівнянні з концентрованим розчином NH4Cl (табл. 3.1). Проте за концентрації амонію 50 мг/дм3 при щільності струму 86,2 А/м2 вихід за струмом значно вищий, в порівнянні з виходом при щільності струму 431 А/м2. У першому випадку вихід за струмом сягав 15 ? 22 %, у другому -- 3 ? 5 %.

Рисунок 3.15 ? Залежність виходу за струмом при окисленні амонію (1; 2; 3) та питомої електропровідності (4; 5; 6) в двокамерному електролізері (мембрана МА-41) від часу електролізу при щільності струму 86,2 А/м2, при вихідних концентраціях амонію та хлоридів відповідно, мг/дм3: 10; 60 (1; 4), 20; 80 (2; 5), 50; 135 (3; 6).

Досить високою була інтенсивність окислення амонію при його вихідній концентрації 100 мг/дм3 (рис. 3.16). При густині струму 172,4 А/м2 за 40 хв концентрація амонію знизилась на 90 мг/дм3, а за 50 хвилин амоній з води видалили повністю. При цьому вихід за струмом сягав 16?32 % (рис. 3.17), що значно вище, ніж при концентрації амонію 10 мг/дм3. В цілому при підвищенні концентрації амонію в 10 разів приблизно в стільки ж зростає швидкість його окислення та вихід за струмом (рис. 3.14 ? 3.17).

Таблиця 3.2 - Залежність витрати електроенергії на окислення амонію у розчині NH4Сl від складу розчину та часу електролізу

t, хв.

Витрата електроенергії, кВт·год/г-екв

С(NH4+)/С(Сl-), мг/дм3

С(NH4+)/С(Сl-)/С(SO42-), мг/дм3

10/60

20/80

50/135

100/209/16

100/209/84

100/209/150

10

26,47

43,01

6,75

3,54

7,30

9,44

20

38,23

30,58

8,99

5,40

9,25

3,44

30

36,86

28,28

6,58

7,29

5,60

2,99

40

30,58

27,52

6,53

6,24

7,86

4,08

50

7,15

8,99

4,99

60

8,03

70

10,20

Слід відмітити, що при зростанні концентрації сульфатів в аноліті до певної міри зростає й електропровідність (рис. 3.17). Проте в цьому випадку швидкість окислення амонію та вихід за струмом окисленого амонію знижується (рис. 3.16, 3.17), в той час як витрата електроенергії дещо зростає (табл. 3.2).

Рисунок 3.16 - Залежність концентрації амонію (1; 2; 3) та хлоридів (4; 5; 6) в аноліті двокамерного електролізеру (мембрана МА-41) від часу електролізу за щільності струму 172,4 А/м2 при вихідній концентрації амонію 100 мг/дм3 та концентрації сульфатів у розчині, мг/дм3: 16 (1; 4), 84 (2; 5), 150 (3; 6).

Рисунок 3.17 - Залежність виходу за струмом при окисленні амонію (1; 2; 3) та питомої електропровідності (4; 5; 6) в двокамерному електролізері (мембрана МА-41) від часу електролізу при щільності струму 172,4 А/м2, при вихідній концентрації амонію 100 мг/дм3 та концентрації сульфатів у розчині, мг/дм3: 16 (1; 4), 84 (2; 5), 150 (3; 6).

Зовсім низьким є вихід окислення амонію за струмом при концентраціях останнього на рівні 5 ? 10 мг/дм3 (табл. 3.3).

Таблиця 3.3 - Зміна концентрації амонію, хлоридів, активного хлору та рН в аноліті двокамерного електролізеру (мембрана МА-41) від часу електролізу NH4Cl у розчині водопровідної води при додаванні в аноліт хлоридів (І) та сульфатів (ІІ, ІІІ, ІV) при концентрації лугу в католіті 200 мг-екв/дм3.

№

№ п/п

Час, хв.

Концентрація в аноліті, мг/дм3 / мг-екв/дм3

рН

І, А

U,В

B, %

SO42-

Сl-

NH4+

Сl2

І

1

0

--

170,0

10,0

0,0 / 0,0

7,6

--

--

--

2

10

170,0

1,5

96,0 / 2,7

6,0

0,2

52

8,44

3

20

127,8

0,0

177,5 / 5,0

6,0

0,2

53

4,97

4

35

106,5

0,0

255,6 / 7,2

5,0

0,2

51

0,00

5

50

78,1

0,0

301,8 / 8,5

5,0

0,1

51

0,00

6

65

53,25

0,0

284,0 / 8,0

5,0

0,1

53

0,00

ІІ

1

0

100

59,0

5,0

0,0 / 0,0

8,0

--

--

--

2

15

17,0

0,0

95,9 / 2,7

7,0

0,2

55

3,31

3

30

14,2

0,0

177,5 / 5,0

7,0

0,1

51

0,00

4

45

8,9

0,0

255,6 / 7,2

7,0

0,1

55

0,00

ІІІ

1

0

200

19,0

5,0

0,0 / 0,0

8,1

--

--

--

2

15

14,2

0,0

18,5 / 0,52

7,0

0,2

52,5

3,31

3

30

12,0

0,0

23,4 / 0,66

7,0

0,2

43,0

0,00

4

45

4,8

0,0

35,5 / 1,00

7,0

0,2

52,5

0,00

ІV

1

0

300

49,0

5,0

0,0 / 0,0

7,6

--

--

--

2

10

42,6

0,0

60,4 / 1,7

7,0

0,2

52,0

4,97

3

20

35,5

0,0

63,9 / 1,8

7,0

0,2

51,0

0,00

4

35

42,6

0,0

67,5 / 1,9

7,0

0,2

51,0

0,00

5

45

43,25

0,0

78,1 / 2,2

7,0

0,2

50,0

0,00

6

55

28,4

0,0

117,2 / 3,3

7,0

0,0

52,0

0,00

Як видно з таблиці при проведенні електролізу у водопровідній воді, вміст хлоридів в якій сягає 19 ? 59 мг/дм3, при додаванні у воду сульфатів у концентрації 100 ? 300 мг/дм3, або доведенні концентрації хлоридів до 170 мг/дм3 іони амонію окислювались повністю вже через 10 ? 20 хвилин при силі струму 0,2 А (J = 172,4 А/м2). Але при концентрації амонію 10 мг/дм3 вихід за струмом сягав 8,44 %, а при концентрації амонію 5 мг/дм3 -- 4,97 %. При цьому підвищення концентрації сульфатів у розчині не лише не впливало на ефективність окислення амонію, але й не сприяло суттєвому підвищенню електропровідності системи. Можливо це пов'язано із значним зростанням концентрації активного хлору (концентрації окислених сполук хлору) в аноліті, що призводило до втрати електропровідності мембрани.

Щодо вмісту активного хлору, то у всіх дослідах його вміст зростав із часом електролізу й суттєво перевищував еквівалентну кількість окислених хлоридів. Очевидно це пов'язано з утворенням наряду з Сl2 інших окислених сполук хлору, типу: СlО-, СlО2-, СlО2, СlО3-. Саме цим можливо пояснити аномально високий вміст активного хлору у розчині та низький вихід за струмом при окисленні амонію.

Слід відмітити, що в усіх випадках при анодному окисленні амонію спостерігалось підкислення аноліту. Хоча, якщо врахувати, що католітом був розчин лугу та при проведенні електролізу відбувалась постійна дифузія гідроксид аніонів із катодної області, то видається дивним суттєве зниження рН в аноліті. Адже на кожну молекулу активного хлору, що утворюється на аноді (реакція 3.5) утворювались дві гідроксидні групи на катоді, які через аніонну мембрану врешті потрапляли в анодну область. Утворення протонів за реакцією 3.8 відбувалось в еквівалентній кількості гідроксид аніонамв католіті. Лише при використанні хлориду амонію в розчині водопровідної води за концентрації амонію всього 5 мг/дм3 та при концентрації хлориду та сульфату натрію 150 ? 450 мг/дм3 підкислення розчину було незначним, або малопомітним. В інших випадках спостерігалось зниження рН з 5,6 до 2,0 (табл. 3.1), що скоріш за все обумовлено окисленням амонію та переходом залишку хлористого водню у воду, наприклад:

2NH4Cl + 3О2 = 2HCl + N2 + 3Н2О (3.20)

NH4Cl + 3Cl2 = NCl3 + 4НCl (3.21)

2NCl3 + Cl2 + 4Н2О = 2NО2 + 8НCl (3.22)

2NО2 +Н2О = НNО2 + НNО3 (3.23)

Звичайно, кислотність розчину при цьому могла зростати суттєво, а рН падати значно нижче 2-х. Але слід врахувати, що при підкисленні розчину з нього видаляються внаслідок дегазації Cl2 та ClО2, які утворюються за реакціями 3.11 та 3.16, хлористий водень та окисли азоту, що і забезпечує утримання рН середовища на рівні 2-х.

Враховуючи значний вклад хлоридів в процеси окислення амонію в дослідах, результати яких приведені на рисунках 3.5 ? 3.10 та в таблицях 3.1 ? 3.3 виникли певні сумніви, щодо використання методу в умовах, де концентрації хлоридів малі або вони відсутні зовсім. Тому в подальшому проводили дослідження при використанні сульфату амонію.

Висновки до розділу 3

Показано, що сильнокислотний катіоніт КУ-2-8в Na+ формі має низьку селективність іоніту по іонах амонію, в порівнянні з Н+-формою.

В присутності іонів кальцію сорбція іонів амонію на КУ-2-8 відбувається дуже погано, а в подальшому навіть вже сорбовані іони амонію витісняються кальцієм.З'ясовано, що вилучення іонів амонію на слабокислотному Dowex Mac-3 в присутності іонів кальцію було не ефективним, що робить використання цього катіоніту не доцільним.

Вивчено процеси регенерації аніоніту КУ-2-8 розчинами хлоридів натрію та соляної кислоти. Регенерація катіоніту КУ-2-8 була найефективнішою при використанні розчинів соляної кислоти.

Досліджено сорбцію іонів амонію на цеоліті марки ЦПС. Встановлено, що сорбція з водопровідної води проходить так само, як і з модельних розчинів. Визначена гранична ємність цеоліту по іонам амонію - 40 мг/г.Вивчено процеси регенерації цеоліту розчином NaClта було встановлено, що ступінь регенерації може сягати 100%.

Вивчено процеси окислення хлориду амонію в двокамерному електролізері. Встановлено, що анодне окислення амонію є швидким та ефективним методом доочистки розчинів, що містять сполуки амонію. А утворення активного хлору в процесі електролізу сприяє додатковому знезараженню води.

РОЗДІЛ 4.СТАРТАП-ПРОЕКТ

4.1. Опис ідеї стартап проекту

Часто Землю називають «блакитною планетою» через велику кількість води, але лише 0,014% від її загальної кількості можна використовувати для пиття. Значення води в житті людини визначається тими функціями і тією величезною часткою, яку вона займає в загальній масі тіла людини і його органів.

Основними джерелами забруднення природних вод є:

Атмосферні води, які несуть значні кількості полютантів (забруднювачів), що вимиваються з повітря і мають переважно промислове походження. При стіканні по схилах, атмосферні та талі води додатково захоплюють з собою значну кількість речовин.

Міські стічні води, що включають переважно побутові стоки, які містять фекалії, детергенти (поверхнево-активні речовини), мікроорганізми, у тому числі патогенні.

Промислові стічні води, що утворюються у самих різноманітних галузях виробництва, серед яких найбільш активно споживає воду чорна металургія, хімічна, лісохімічна, нафтопереробна промисловості.

Сполуки амонію потрапляють у водойми в результаті як природних, так і антропогенних процесів. (поверхневої ерозії ґрунтів, неправильного застосування мінеральних добрив, стоки тваринницьких комплексів, побутові та господарсько-фекальні стоки).

Надлишок амонію у водоймах призводить до підвищення рН середовища, зниження концентрації розчиненого кисню та прискореної евтрофікації водойми.

Найпоширенішими у використанні є декілька методів очищення стічних вод від сполук амонію - хімічний і біологічний. Хімічні методи потребують використання значної кількості дорогих реагентів та спричиняють утворення інших небезпечних сполук. А біологічні методи, хоч і є найбільш дешевшим та ефективним, але мають істотний недолік - це повільне зростання мікрорганізмів, які приймають участь у процесі. Тому необхідним є удосконалення існуючих, а також дослідження і розробка нових методів.

Таблиця 4.1. - Опис ідеї стартап проекту.

Напрямки застосування

Вигоди для користувача

1.Очищення комунально-побутових вод перед скидом.

Зменшення витрат на штрафи за скид забруднених водойм.

2.Очищення стічних вод сільського господарства.

Ліквідація явища евтрифікації поверхневих природних водойм, покращення стану природних водойм

3.Очистка вод при водозабезпеченні сільського населення.

Забезпечення людей чистою придатною для споживання водойм.

4.Очищення стічних вод промислових підприємств, котрі в своїх стоках мають сполуки амонію.

Зменшення штрафів та покращення природних водойм.

Таблиця 4.2 - Визначеня сильних, слабких та нейтральних характеристик проекту

№

п/п

Техніко-економічні характеристики ідеї

(потенційні) товари/концепції конкурентів

W

(слабка сторона)

N

(нейтральна сторона)

S

(сильна сторона)

Мій

проект

Конкурент1

Конкурент2

Конку-рент3

1.

Ступінь очистки

100%

98%

89%

92%

+

2.

Ступінь регенерації

100%

99%

85%

90%

+

3

Час очищення

10 год

15год

11год

12год

+

+

4.

Час регенерації

1-2 см3/хв

2-5 см3/хв

5 см3/хв

5-7 см3/хв

+

5.

Ємність іоніту

1,3 г-екв/дм3

1 г-екв/дм3

1,3 г-екв/дм3

2,3 г-екв/дм3

+

6.

Витрата розчину

10-15 см3/хв

12-17 см3/хв

19 см3/хв

12 см3/хв

+

7.

Швидкість фільтрування

30 м3/год

28 м3/год

35 м3/год

30 м3/год

+

4.2. Технологічний аудит ідеї проекту

Таблиця 4.3. - Технологічна здійсненність ідей проекту

№

п/п

Ідея проекту

Технології її реалізації

Наявність технологій

Доступність технологій

1

Фільтруюча установка

Статичний Іонний обмін

+

-

2

Динамічний

+

+

3

Електроліз

+

-

Обрана технологія реалізації проекту: №1

Висновок: Для кращої очистки води від іонів амонію, доцільне використання динамічного обміну іонів з сорбентом, за допомогою іонообмінного матеріалу.

4.3 Аналіз ринкових можливостей запуску стартап-проекту

Таблиця 4.4. - Попередня характеристика потенційного ринку стартап-проекту

№

п/п

Показники стану ринку

Характеристика

1

Кількість головних гравців, од

1

2

Загальний обсяг продаж, грн/ум.од

100000,00

3

Динаміка ринку

Зростає

4

Наявність обмежень для входу

Конкуренція

5

Специфічні вимоги до стандартизації та сертифікації

Відповідають

6

Середня норма рентабельності в галузі (або ринку), %

75%

Висновок: на даний момент ринок насичений як потенційними клієнтами, так і конкурентними фірмами, отже головна задача поставити виробництво продукції і вийти на ринок продажу.

Таблиця 4.5. - Характеристика потенційних клієнтів стартап-проекту

№

п/п

Потреба, що формує ринок

Цільова аудиторія

Відмінності у поведінці потенціальних цільових груп клієнтів

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2025, ООО «Олбест» Все наилучшее для вас