Массообмен — это необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или несколько фаз. Осуществляется в результате молекулярной диффузии (конвективный перенос), а в турбулентных потоках — также в результате хаотичного движения вихрей различного размера. Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела вглубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз). Различают эквимолярный массообмен (например, ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (например, абсорбция).
В большинстве случаев в массообмене участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимодействии двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством химических потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах. Движущей силой переноса молекул компонента из одной фазы в другую является разность химических потенциалов этого компонента во взаимодействующих фазах. Переход компонента происходит в направлении убывания его химического потенциала. Массообмен осуществляется также под действием градиентов электрических потенциалов, температуры и др.
В условиях производства компании «ХИМИК» массообмен используется при получении очищенной воды с помощью ионного обмена на системе водоподготовки.
Принцип работы ионообменных фильтров основывается на способности ионообменных материалов или ионитов поглощать из воды положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита. Используя метод ионного обмена, можно решать самые разные задачи: снижать щелочность, полностью или частично удалять растворенные в воде соли, ионы металлов, селективно поглощать нитраты и многое другое.
В ионном обмене в качестве адсорбента используются нерастворимые в воде и обычных растворителях полиэлектролиты — ионообменные смолы (иониты). Синтетические ионообменные смолы — это нерастворимые в воде органические высокомолекулярные соединения. Большинство ионообменных смол представляют собой трехмерные полимерные сетки (например, сополимер стирола и дивинилбензола), содержащие ионогенные группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на ионы электролитов при контакте их с растворами. В зависимости от типа ионогенных групп иониты подразделяются на катиониты (катионообменные смолы), содержащие в качестве подвижного иона (противоиона) катионы, и на аниониты (анионообменные смолы), содержащие в качестве подвижного иона анионы.
Реакции ионного обмена протекают по следующей схеме при контакте с катионитом:
Ме+ + Н[К] = Ме[К] + Н+
При контакте с анионитом:
РО43- + 3[А]ОН = [А]РО + 3ОН-
Среди основных характеристик ионитов можно выделить две – селективность и емкость.
Селективность — это свойство преимущественного поглощения ионитом противоинов одного сорта по сравнению с другими противоионами.
Емкость — это количественная мера способности ионита поглощать противоионы. Емкость определяет количество ионообменного материала, необходимого для данной конкретной цели. При идеальных условиях емкость определенного количества ионита является постоянной величиной, которая не зависит от природы противоиона и от состояния ионита (размер зерна и т.д.).
Процесс ионного обмена, идущий между подвижными ионами активных групп и электролитом, совершается быстро, и в определенных случаях равновесие может наступить мгновенно, если процесс не осложняется тормозящими факторами. Такой ионообменный процесс по времени может быть приравнен к обычным ионным химическим реакциям, протекающим в жидкой фазе. В большинстве случаев равновесие устанавливается медленно, в течение нескольких минут, часов, суток. Поскольку современные иониты существенно различаются по своим свойствам, то и ионообменные процессы между твердой и жидкой фазами совершаются с различной скоростью.
В качестве примера технологического процесса, использующего ионный обмен, может выступить процесс умягчения воды.
Существует множество производств, потребляющих умягченную, обессоленную, или, как еще ее называют, деионизированную воду. При недостаточном внимании к вопросам водоподготовки присутствующие в воде различные примеси способны вызвать накипеобразование, солевые отложения и коррозию металла в аппаратуре, трактах питательной воды, трубах и т.д. С этой точки зрения особенно велика роль процесса деминерализации в теплоэнергетике. По мере повышения параметров энергетических установок значительно возрастают требования к степени деминерализации воды. Для производства многих средств бытовой химии и автохимии особое внимание уделяется качеству очистки воды.
Экономичность метода деминерализации определяется двумя факторами:
- термодинамически возможным коэффициентом полезного действия, определяемым сущностью процесса;
- реальным коэффициентом полезного действия, определяемым уровнем его возможной в данный момент технической реализации.
Процессы ионообменной очистки воды включают чередующиеся стадии сорбции солей ионитами и регенерации последних. В аппаратах, применяемых для ионного обмена в промышленности, протекают определенные физические процессы: гидродинамические, тепловые, диффузионные, создающие оптимальные условия для реализации собственно ионного обмена.
В различных производствах химической промышленности вода используется чрезвычайно широко. Она является растворителем для большого числа твердых, жидких веществ, используется как теплоноситель и хладагент.
Поскольку вода является хорошим растворителем, то природные воды обычно содержат разнообразные примеси. К воде, применяемой для технологических целей и теплотехнических целей, предъявляют жесткие требования в отношении содержания в ней растворенных веществ, механических примесей, микроорганизмов и т.п.
В зависимости от целевого назначения воды ее физические, химические и бактериологические показатели должны отвечать определенным требованиям:
- хозяйственная питьевая вода и применяемая в пищевой промышленности должна быть безвредна для организма, и иметь соответствующие показатели по запаху, вкусу, цвету, прозрачности, жесткости, содержанию свинца, мышьяка, железа и т.п.
- В воде для охлаждающего оборудования лимитируется содержание солей (кальций, магний), железа, взвешенных суспендированных частиц, не должно быть сероводорода.
- Вода для паросилового хозяйства характеризуется минимальным содержанием солей, а также щелочей, масел, нефти, кремниевой кислоты.
Для технических целей требования к воде определяются спецификой технологического процесса. Использованию воды в производстве предшествует соответствующая подготовка, зависящая от наличия в ней примесей и требований производства.
Применяемая в производственных процессах вода не должна содержать вредных для реакции веществ, коррозировать оборудование и образовывать в аппаратах и трубопроводах накипь и шлам.
Примеси обычно содержатся в воде в виде растворов, коллоидных и механических взвесей. К основным операциям водоподготовки относятся очистка от взвешенных примесей и умягчение, а в некоторых случаях – нейтрализация, обессоливание, дегазация, обеззараживание. От механических примесей вода освобождается отстаиванием или фильтрованием через слой песка или угля. Осветление воды или коагуляцию коллоидных примесей производят добавкой коагулянтов или флокулянтов. Коагулирующее действие одного из распространенных коагулянтов Аl2(SО4)3 основано на образовании гидроокиси алюминия при взаимодействии с бикарбонатами, находящимися в очищаемой воде:
Аl2(SО4)3 + 3Са (НСО3)2 = 3СаSО4 + 2Аl(ОН)3 + 6СО2
При отсутствии растворенных бикарбонатов в воде специально добавляют известь для смещения равновесия реакции гидролиза Аl2(SО4)3 в сторону образования молекул Аl(ОН)3, обладающих большим положительным зарядом, что способствует коагуляции частиц. При этом частицы коллоидных примесей укрупняются вследствие агрегации (слипания) гидроокиси алюминия и увлекаются хлопьями вместе с органическими примесями и бактериями в осадок. Осадок после отстаивания отфильтровывают.
Одним из основных факторов, определяющих качество воды, является ее жесткость, обуславливаемая содержанием растворенных в ней солей магния и кальция. Жесткость воды подразделяется на временную, постоянную и общую.
Временная (карбонатная) жесткость характеризуется содержанием в воде растворенных бикарбонатов: Са(НСО)3 и Мg(НСО)2, которые при кипячении выпадают в осадок:
Са(НСО)3 → СаСО3 + Н2О + СО2
2Мg(НСО3)2→ МgСО3 + Мg(ОН)2 + 3СО2 + Н2О
Постоянная жесткость создается нитратами, хлоридами, сульфатами магния и кальция, не выпадающими в осадок при кипячении.
Общая жесткость — сумма временной и постоянной жесткостей.
Умягчением воды называется полное или частичное удаление солей кальция и магния. Грубое умягчение воды (приблизительно до 0.3 мг-экв/л) производят добавлением извести, соды, гидроксида натрия:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2→2СаСО3+2 Н2О
Мg(НСО3)2 + 2Са (ОН)2 → 2СаСО3 + Мg(ОН)2 + Н2О
СаSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4
MgSO4 + Na2CO3 = MgCО3 + Na2SO4
MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4
MgSO4 + Ca (OH) 2 = Mg (OH) 2 + CaSO4
Растворенная в воде двуокись углерода реагирует с гашеной известью:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О
Применяя в качестве умягчителя тринатрийфосфат, устраняющий временную и постоянную жесткость, можно получить более полное умягчение (до 0.03 мг-экв/л).
Природная вода с небольшой жесткостью или после грубого умягчения наиболее эффективно может быть умягчена и также обессолена методом ионного обмена. Сущность этого метода заключается в том, что некоторые трудно растворимые минеральные и органические вещества способны извлекать из растворов одни катионы или анионы в обмен на содержащиеся в них другие. Процессы катионного обмена можно представить следующими уравнениями:
2(Кат) Н + Са(НСО3)2 →(Кат)2Са + 2СО2 + 2Н2О
2(Кат) Na + CaSO4 →(Кат)2 + Na2SO4
а также (Кат) Н + NaCl → (Кат)Na + HCl
Для полного обессоливания воды после катионитового фильтра ее пропускают через анионитовый фильтр:
(Ан)ОН + НСl → (Ан)Cl + Н2О
Катионит и анионит регенерируют, обрабатывая их растворами щелочей, кислот или хлорида натрия, например:
(Кат)2 Са + 2NaCl → 2(Кат)Na + CaCl2
(Ан)Cl + NaOH → (Ан)ОН + NaCl
Смешивая зерна катионита и анионита, можно производить одновременное извлечение катионов и анионов из воды. В качестве анионитов используют смолы, полученные в результате взаимодействия аминов с формальдегидом или полиэтиленполиаминов с эпихлоргидрином. Катиониты – сульфоуголь или высокомолекулярные смолы, содержащие активные группы с ионами Н+, Na+, NH4.