Adsorpce při úpravě vody

Transkript

1
Adsorpce
Úprava podzemních a povrchových vod – 8. přednáška
= nárůst koncentrace látek v oblasti mezifázového rozhraní,
doprovázen poklesem mezifázové (povrchové) energie
Adsorbent – pevná látka, na jejímž povrchu dochází k adsorpci
• aby byla adsorpce měřitelná, nutný dostatečně velký specifický
povrch adsorbentu (tj. plocha povrchu pevné látky vztažená na jednotku
hmotnosti, obvykle v m2·g-1)
• velmi často látky s porézním nebo práškovým charakterem
• přirozeného i umělého původu
např. aktivní uhlí, aktivní koks, uhlíkatá molekulová síta, uhlíkatá
vlákna a tkaniny, přírodní i syntetické zeolity, adsorbenty na bázi
silikagelu, sorpční hmoty (na bázi pryskyřic, hlinitokřemičitanů,
měničů iontů) aj.
Adsorbát – látka adsorbovaná (vázaná) na fázovém rozhraní,
její koncentrace při adsorpci v roztoku klesá, na povrchu adsorbentu
naopak roste
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
2
Adsorpce z kapalné fáze na tuhém adsorbentu
• při styku kapalin s tuhými adsorbenty se k povrchu adsorbentu váže
vrstva molekul kapaliny, tzv. lyosféra
• lyosféra se při vzájemném pohybu kapaliny a adsorbentu nepohybuje
s kapalinou, ale lpí na pevném povrchu
• molekuly kapaliny v této vrstvě jsou vlivem silového pole adsorbentu
stlačené, případně i jinak orientované, mají sníženou pohyblivost
• rozhraní mezi lyosférou a pohyblivými molekulami okolní objemové
fáze není ostré
• při styku pevného adsorbentu s roztoky se neadsorbují všechny
složky ve stejné míře → složení roztoku se mění (stanovitelné
analytickými metodami)
• koncentrace adsorbátu v roztoku klesá z původní koncentrace c0
(před přidáním adsorbentu) až na hodnotu blížící se rovnovážné
koncentraci cr; v rovnovážném stavu se již rozdělení adsorbované
látky mezi kapalnou a pevnou fází nemění
3
Kvantitativní charakteristika adsorpce
zdánlivá (preferenční) adsorpce ai – míra adsorpce jednotlivých složek
roztoku na tuhém adsorbentu
• rozdíl mezi látkovým množstvím složky i v původním roztoku (n) a v roztoku po
ustavení adsorpční rovnováhy (celkové látkové množství v roztoku je stále stejné),
vše vztaženo na jednotku hmotnosti adsorbentu
• je funkcí teploty a rovnovážné koncentrace roztoku (stanovuje se závislost ai na
rovnovážné koncentraci za konstantní teploty → adsorpční izoterma)
• ai > 0 … složka i je preferenčně adsorbována
• lze použít i pro směs látek → koncentrace pak vyjadřována pomocí
skupinových kritérií (např. TOC)
ai 
ai 
V
 c i  c r
m ads
n
m
ads
 x i  x r


ci a cr … koncentrace složky i v roztoku před
adsorpcí a v rovnovážném roztoku po adsorpci
xi a xr … molární zlomky složky i v roztoku před
adsorpcí a v rovnovážném roztoku po adsorpci
V, resp.n … objem roztoku, resp látkové množství,
před adsorpcí, vztaženo na jednotku hmotnosti
adsorbentu (mads)
4
Kvantitativní charakteristika adsorpce
relativní adsorpce 2,1 – míra adsorpce složky i roztoku na tuhém
adsorbentu
• rozdíl látkových množství složky i ve fázovém rozhraní (nis) a objemových
fázích (niα a niβ), vše vztaženo na jednotkovou plochu fázového rozhraní a
na stejné látkové množství složky 1
• obdobný význam jako zdánlivá adsorpce
 2 ,1
1


 s
n i  n i
s 
 n i  
n 1 

n1  n1


nis a n1s … látkové množství složky i a složky 1 ve fázovém rozhraní
niα, niβ a n1α, n1β … látkové množství složky i a složky 1 v objemových fázích
A … plocha fázového rozhraní
• vztah mezi zdánlivou a relativní adsorpcí
a2  2,1  x1  Asp
x1 … molární zlomek složky 1 v rovnovážném roztoku
Asp … specifický povrch adsorbentu
5
Adsorpční izoterma (izoterma koncentrační změny = složená izoterma)
• závislost adsorbovaného množství (experimentálně zjištěné zdánlivé
adsorpce ai) na rovnovážné koncentraci rozpuštěné látky v roztoku za
konstantní teploty
• analytické vyjádření průběhu složené izotermy nejčastěji pomocí upravených
vztahů, které původně odvozeny pro popis adsorpce plynů na tuhých látkách
1) Langmuirova adsorpční izoterma - vyjadřuje závislost adsorbovaného
množství látky na povrchu adsorbentu na její rovnovážné koncentraci
v roztoku za konstantní teploty
předpokady:
• každé adsorpční místo zachycuje nejvýše jednu částici → vytváří se jen jedna
vrstva molekul (monovrstvá adsorpce)
• pravděpodobnost adsorpce je stejná na všech místech povrchu (všechna
adsorpční místa mají stejnou energii, jsou navzájem ekvivalentní → povrch je
homogenní)
• adsorbované molekuly nemohou migrovat po povrchu a vzájemně se
ovlivňovat
6
1) Langmuirova adsorpční izoterma
b  cr
a  amax 
1  b  cr
a … množství adsorbované látky na jednotku
hmotnosti adsorbentu
amax ... množství adsorbované látky potřebné k
pokrytí povrchu monovrstvou
b … konstanta závislá na teplotě adsorpce
cr … rovnovážná koncentrace látky v roztoku
Průběh Langmuirovy izotermy
 oblast velmi nízkých koncentrací (b·cr « 1) – lineární
závislost (lineární část izotermy = Henryho oblast)
a  amax  b  cr
 oblast velmi vysokých koncentrací (b·cr » 1) – adsorbované
množství se blíží limitní hodnotě
a  amax
7
2) Freundlichova adsorpční izoterma - nejstarší analytické vyjádření
závislosti naadsorbovaného množství látky na tuhém adsorbentu
na její rovnovážné koncentraci za konstantní teploty
předpokady:
• povrch adsorbentu má heterogenní charakter, rozložení adsorpčních míst
a jejich energií je exponenciální
• adsorbované molekuly se navzájem neovlivňují
a  K  cr
1
n
nebo
1
ln a  ln K   ln cr
n
cr … rovnovážná koncentrace
a … adsorbované množství
K ... konstanta, s rostoucí teplotou klesá
n … konstanta, vždy > 1, s rostoucí teplotou
se blíží 1
Průběh Freundlichovy izotermy
 není lineární ani při nízkých koncentracích
 nevykazuje limitní hodnotu adsorbovaného množství při vysokých
koncentracích
8
3) BET adsorpční izoterma (Brunauer, Emmet, Teller) – využívána k
analytickému vyjádření vícevrstvé adsorpce plynů na pevných
adsorbentech
• vznikla rozšířením Langmuirovy izotermy (monovrstvá fyzikální adsorpce)
na vícevrstevnou adsorpci
• bere v úvahu, že na první naadsorbované vrstvě molekul se vytváří další
vrstvy působením mezimolekulárních sil mezi již naadsorbovanými
molekulami a molekulami v okolní objemové fázi
• aplikovatelná i na adsorpci z roztoku
• využívá se jako standardní metoda pro stanovení plochy povrchu tuhých
adsorbentů (výpočet z hodnoty konstanty am)
Příklad BET adsorpční izotermy
www.sci.muni.cz
9
a) BET izoterma pro neomezený počet adsorpčních vrstev
C  prel
a  am 
(1  prel )  1  C  1   prel 
b) BET izoterma pro omezený počet adsorpčních vrstev
n
n 1

 n  prel
C  prel  1  n  1  prel

 
a  am 
n 1 
1  prel   1  C  1  prel  C  prel 
n … počet vrstev, které se mohou adsorbovat na jedné straně póru adsorbentu, než dojde k
setkání s vrstvou adsorbovanou na protilehlé straně
a … adsorbované množství
prel … relativní tlak (tj. p/ps – poměr rovnovážného tlaku k tenzi nasycené páry adsorbátu při
dané teplotě)
am ... množství plynu naadsorbované na jednotkové hmotnosti adsorbentu v případě, že by byl
povrch pokryt úplnou monovrstvou (nemá ale význam maximální mezní hodnoty adsorpce
jako u Langmuirovy izotermy)
C … konstanta
10
Další typy a dělení adsorpčních izoterem
IUPAC klasifikace - adsorpční izotermy a hysterézní smyčky
typ I – mikroporézní adsorbenty
typ II - makroporézní adsorbenty; interakce
adsorbát-adsorbent silné
typ III - makroporézní adsorbenty; interakce
adsorbát-adsorbent slabé
typ IV a typ V – izotermy s hysterézní smyčkou
typ VI – izoterma charakterizující vícevrstevnou
adsorpci
IUPAC Recommendations (1985, 1994)
Adsorpční izotermy typické pro uhlíkaté adsorbenty (např. aktivní uhlí)
lineární – součástí počáteční fáze každé izotermy
charakterizující adsorpci na homogenním povrchu
Freundlichova – typicky pro heterogenní povrch
high affinity – charakteristický strmý počáteční
růst, následovaný pseudoplatem
sigmoidální – může signalizovat vícevrstevnou
adsorpci, často na homogenním povrchu
Moreno-Castilla (2004)
11
Typy adsorpce
1) fyzikální adsorpce
• přisuzována přitažlivým silám, které podstatou podobné van der Waalsovým
interakcím působícím mezi všemi druhy částic (viz. 1. přednáška)
• adsorbované molekuly nejsou specificky vázány na určitá místa → nespecifická
• na první naadsorbované vrstvě může vzniknout další vrstva (vícevrstevná
adsorpce) dosahováno je i značné adsorpční kapacity
• nízká adsorpční tepla (desítky kJ)
• samotná adsorpce velmi rychlá, prakticky okamžitá
• za určitých podmínek i desorpce látek → reverzibilní děj
2) chemisorpce
• mezi molekulami adsorbátu a povrchu adsorbentu vznikají chemické vazby
• vazby mohou vznikat pouze mezi některými molekulami → specifická
• pro vytvoření vazby nutná aktivační energie → často probíhá jen na tzv. aktivních
centrech (místa na povrchu adsorbentu s vyšší energií a afinitou k adsorbátu)
• adsorbuje se pouze jedna vrstva molekul (monovrstvá adsorpce); druhá a další
vrstvy vázány už jen fyzikálními silami
• adsorpční tepla vyšší než u fyzikální adsorpce (desítky až stovky kJ)
• oproti fyzikální adsorpci velmi pomalá (zejména při nízkých teplotách)
• obvykle nereverzibilní; dojde-li k desorpci, uvolňuje se jiná látka, než která
se adsorbovala
12
Podle druhu adsorbující se částice:
3) molekulární adsorpce
• na povrchu pevného adsorbentu se adsorbují z roztoku celé molekuly
nebo u elektrolytů oba druhy iontů ve stejné míře
4) iontová adsorpce
• ionty vzniklé disociací elektrolytu v roztoku se na adsorbentu zachycují
různou měrou
a) prostá iontová adsorpce - přednostně se adsorbuje jeden druh
iontu elektrolytu, druhý ion se adsorbuje méně či vůbec → povrch
adsorbentu získává elektrický náboj
• často probíhá na povrchu krystalické mřížky málo rozpustných iontových
sloučenin (soli, hydroxidy) z vodných roztoků elektrolytů
• adsorbované ionty vytváří na povrchu adsorbentu kladně nebo záporně
nabitou vrstvu, ke které jsou přitahovány další opačně nabité ionty z
roztoku (viz. též 2. přednáška - elektrická dvojvrstva)
• předpověď, který z iontů v roztoku se bude silně adsorbovat, usnadňuje
Panethovo-Fajansovo pravidlo
13
Panethovo-Fajansovo pravidlo
Ionty z roztoku se adsorbují na povrchu krystalické mřížky, pokud
tvoří s opačně nabitým iontem mřížky málo rozpustnou sloučeninu.
• nejlépe se adsorbuje ion, který je sám součástí mřížky, nebo je některému iontu
mřížky podobný
• adsorbovatelnost stoupá s nábojem iontů a jejich poloměrem (čím větší poloměr
iontu, tím menší je jeho hydratace při stejném náboji; hydratace je pro adsorpci
překážkou)
• splňují-li různé ionty tyto podmínky, adsorbuje se přednostně ten ve vyšší
koncentraci
4) iontová adsorpce
b) výměnná iontová adsorpce – za ionty adsorbované jsou zpět do
roztoku uvolňovány jiné ionty, které pocházejí z krystalové mřížky
nebo z vnější části elektrické dvojvrstvy adsorbentu
• náboj adsorbentu zůstává nezměněn
• množství iontů, které takto schopna vyměnit jednotka hmotnosti suchého
adsorbentu = výměnná kapacita
• látky s velkou výměnnou kapacitou = ionexy (měniče iontů)
14
Mechanismus adsorpce není založen pouze na jednom typu interakcí.
Bývá naopak výsledkem jejich spolupůsobení, je proto velmi obtížné
rozlišit, v jaké míře se jednotlivé typy adsorpce na celkovém efektu
podílí. Často také dochází k „přepnutí“ z jednoho mechanismu na jiný.
Konkrétní příklad interakcí, které se podílí na adsorpci organických látek na AC
 hydrofobní interakce mezi skeletem uhlí a hydrofobní částí adsorbátu
 vodíkové vazby mezi funkčními povrchovými skupinami uhlí a adsorbátu
 odpudivé elektrostatické interakce mezi naadsorbovanými molekulami a
molekulami v roztoku
 přitažlivé elektrostatické interakce mezi aromatickými strukturami povrchu
uhlí a adsorbátu
 laterální odpudivé interakce mezi molekulami naadsorbovanými na uhlí
 van der Waalsovy interakce
15
Kinetika adsorpce - rychlost adsorbování rozpuštěných látek z roztoku
na povrchu adsorbentu závisí na rychlosti následných dílčích kroků,
které se na adsorpci podílí:
1. vnější difúze – transport látek obsažených a rozptýlených v roztoku
směrem k povrchu adsorbentu
2. filmová difúze - difúze molekul adsorbátu přes tenkou vrstvu filmu na
povrchu částic adsorbentu (hnací silou je koncentrační gradient kapaliny
ve vrstvě)
3. vnitřní difúze - molekuly adsorbátu prostupují kapalinou naplněnými póry
adsorbentu hlouběji do jeho struktury
4. samotná adsorpce molekul rozpuštěné látky na vnitřním povrchu
adsorbentu (např. u aktivního uhlí přestup molekul adsorbátu z roztoku
na selektivní adsorpční místa ve vnitřním prostoru pórů)
Samotná adsorpce molekul rozpuštěné látky na vnitřním povrchu adsorbentu
je obvykle velmi rychlá, celkovou kinetiku adsorpce neovlivňuje. Tu naopak
řídí nejpomalejší dílčí krok, kterým je nejčastěji vnitřní, případně filmová
difúze.
16
Faktory ovlivňující adsorpci
• vzájemná afinita látek podobné polarity → nepolární adsorbent
přednostně adsorbuje nepolární látky a naopak
• konkurenční adsorpce rozpouštědla → výhodné, má-li rozpouštědlo
opačnou polaritu než adsorbent (voda polární, proto nepolární
aktivní uhlí velmi vhodné pro adsorpci z vodných roztoků)
vlastnosti adsorbentu
 specifický povrch
 pórovitá struktura (velikostní distribuce pórů)
 obsah povrchových funkčních skupin
vlastnosti adsorbátu





relativní molekulová hmotnost
polarita
rozpustnost
hydrofobicita
obsah funkčních skupin
vlastnosti roztoku
 pH
 iontová síla
 teplota
17
Aktivní uhlí (AC, Activated Carbon)
široká skupina uhlíkatých adsorbentů se značně vyvinutou vnitřní
pórovitou strukturou a velkým specifickým povrchem (500 – 2500 m2·g-1)
Využití adsorpce na aktivním uhlí - „doúprava“ vody:
 odstraňování organických látek přírodního i syntetického
původu, včetně mikropolutantů (pesticidy, herbicidy, PCB,
léčiva, barviva, NOM, AOM, řasové toxiny, chlorované
uhlovodíky, vedlejší produkty dezinfekce aj.)
 zlepšování organoleptických vlastností vody (odstraňování
látek ovlivňujících chuť a pach vody)
 odstraňování těžkých kovů aj.
18
Řada modifikací – granulované, práškové, peletizované (válečky),
ve formě vláken a tkanin, impregnované, kryté polymery aj.
Výroba a výchozí materiály → přímý vliv na strukturu i chemismus povrchu AC
 vhodná celá řada prekurzorů, podmínkou vysoký obsah C a nízké
koncentrace anorganických příměsí (černé, hnědé a dřevěné uhlí,
kokosové skořápky, dřevo a dřevěné piliny, rašelina, lignit, pecky
z ovoce aj.)
 výrobní proces tvoří:
1. karbonizace (tepelný rozklad) výchozí suroviny za nepřístupu
vzduchu (do 800 ºC ) → odstranění neuhlíkatých prvků a těkavých
příměsí z výchozího materiálu, uvolněný C tvoří struktury podobné
grafitu skládající se z vrstev kondenzovaných aromatických jader
2. aktivace vzniklého produktu oxidačními činidly (vodní pára,
plyny, anorg. soli a kyseliny) za vysokých teplot (800 ºC – 1200 ºC)
→ zdokonalení pórovité struktury a zvětšení vnitřního specifického
povrchu
19
Heterogenní pórovitá struktura
Transportní póry - transport molekul adsorbátu k
mikropórům; adsorpce
makropóry – průměr > 50 nm
mezopóry – průměr 2 nm – 50 nm
Mikropóry - tvoří až 95 % povrchu AC; adsorpce
primární – průměr < 0,8 nm
sekundární – průměr 0,8 nm – 2 nm
Velikostní distribuce pórů je jedním z hlavních faktorů
ovlivňujících účinnost adsorpce na AC (velikost pórů vs.
velikost adsorbovaných molekul).
Mohan a Singh (2005)
20
Chemismus povrchu
• závisí na obsahu heteroatomů (např. O, S, N, Cl, Na, K, P, Si aj.) ve
struktuře AC (souvisí s typem použitého výchozího materiálu)
• významné zejména povrchové funkční skupiny obsahující atom O
• ve vodných roztocích je AC nositelem povrchového náboje, který je
způsoben disociací těchto funkčních skupin nebo adsorpcí iontů
z roztoku, vše v závislosti zejména na pH a iontové síle roztoku
záporný povrchový náboj – přisuzován povrchovým kyslíkatým
skupinám kyselého charakteru (karboxylová, fenolová, laktolová,
laktonová), které schopny odštěpovat H+
kladný povrchový náboj – původ není zcela objasněn, přisuzován
zejména:
- kyslíkatým komplexům bazického charakteru (pyrony, chromeny)
- výskytu regionů uvnitř vrstev AC, které mají vysokou hustotu
delokalizovaných π- elektronů (chovají se jako Lewisovy báze a
přijímají z roztoku H+)
- funkčním skupinám s N či atomy kovů (zřídka)
21
Povrchový náboj
Kyselé a bazické kyslíkaté funkční skupiny na povrchu AC
pHNBN (pH nulového bodu náboje)
= hodnota pH roztoku, při které je
celkový náboj povrchu adsorbentu
nulový, tj. počet kladně a záporně
nabitých míst je vyrovnaný
Newcombe (2006)
pH > pHNBN … na povrchu adsorbentu převažuje záporný náboj
pH < pHNBN … na povrchu adsorbentu převažuje kladný náboj
Znalost chemismu (tj. zejména obsahu funkčních skupin) a
nábojových poměrů na povrchu adsorbentu i adsorbované látky
umožňuje předpovědět, jaké typy interakcí se mohou na samotném
procesu adsorpce podílet.
22
Typy aktivního uhlí a jejich použití
1) Práškové aktivní uhlí (PAC, Powdered Activated Carbon)
•
•
•
velmi jemné částice (průměr obvykle 10 – 100 µm)
aplikace při sezónním či přechodném zhoršení kvality upravované vody
vlivem zvýšených koncentrací polutantů (NOM, AOM, pesticidy, látky
ovlivňující chuť a pach vody, řasové toxiny aj. )
přímé dávkování do vody před první nebo druhý separační stupeň
Výhody - rychlá aplikace, rychlejší ustalování adsorpční rovnováhy
než u granulované formy
Nevýhody
- po adsorpci nutno z vody odstranit
(usazení, filtrace), díky partikulované
formě totiž způsobuje tmavé
zabarvení
- nedá se regenerovat
- neúspornost procesu
Calgon Carbon (USA)
23
Typy aktivního uhlí a jejich použití
2) Granulované aktivní uhlí (GAC)
•
•
•
•
větší částice než PAC (průměr 0,4 – 2,5 mm)
finální stupeň dočištění vody po konvenční úpravě a
před jejím následným hygienickým zabezpečením
použití je kontinuální, výhodou je možnost regenerace
po vyčerpání adsorpční kapacity a opětovné použití
náplň v různých typech adsorbérů a filtrů
www.water.siemens.com
BaronBlakeslee (UK)
24
2) Granulované aktivní uhlí (GAC)
Dynamická adsorpce – upravovaná voda prochází kolonami s nehybnou
vrstvou adsorbentu (tzv. fix-bed adsorbers)
• při průtoku upravované vody kolonou se rozpuštěné látky zachytí v horní vrstvě
adsorbentu, dalšími vrstvami protéká čistá kapalná fáze
• rozhraní mezi vyčerpanou a čerstvou vrstvou adsorbentu (tzv. adsorpční čelo)
není ostré, charakterizuje ho tzv. adsorpční vlna
• adsorpční vlna vyjadřuje pokles koncentrace z počáteční hodnoty c0 na hodnotu
c≈0
• vrstva (o výšce Lc ), ve které k poklesu koncentrace dochází = adsorpční zóna
• místo přechodu zóny do čerstvého adsorbentu označováno jako čelo zóny
• během procesu adsorpční zóna postupuje ke konci kolony a v čase t=τ dojde k
jejímu průniku
• koncentrace sledované látky postupně na odtoku z kolony roste a v čase t=t0
dosáhne vstupní hodnoty c0 → vyčerpání adsorbentu
průniková křivka – vyjadřuje závislost koncentrace adsorbované
látky v odtoku na čase (či proteklém objemu)
 z průniku (čas t=τ) lze následně stanovit adsorpční kapacitu adsorbentu
pro daný adsorbát
25
Dynamická adsorpce
adsorpční zóna
vyčerpaný adsorbent
adsorpční čelo
adsorpční vlna
průniková křivka
čelo zóny
Průniková křivka vyjadřující závislost koncentrace adsorbátu
v odtoku z kolony na čase (uiozp.ft.utb.cz)
26
Ionexy (měniče iontů)
 nerozpustné vysokomolekulární látky s prostorově uspořádaným
polymerním skeletem
 na skeletu vázány funkční skupiny nesoucí náboj, který kompenzován
protiionty
 v kontaktu s vodnou fází dochází k disociaci funkčních skupin a
uvolnění jednoduchých iontů, které mohou být nahrazeny jinými ionty
z okolního roztoku (mají k ionexu větší afinitu) → iontová výměna (zvratný
děj na principu výměnné iontové adsorpce)
dělení ionexů
I. podle složení a původu:
syntetické organické – látky na bázi styrenu, polyakrylamidu či fenolformaldeh.
pryskyřic, zesíťované obvykle divinylbenzenem (v různých koncentracích →
ovlivňuje selektivní a bobtnací vlastnosti ionexu); v praxi používány nejčastěji
syntetické anorganické – syntetické zeolity, silikagel
přírodní organické – např. huminové látky
přírodní anorganické – např. zeolity (hlinitokřemičitany s trojrozměrnou
strukturou)
27
II. podle ionogenních skupin (a uvolňovaného protiiontu):
• anexy – polyvalentní báze, uvolňují a vyměňují anionty; protiion záporný (OH-, Cl-) a
funkční skupina kladný náboj:
 silně bazické – schopny disociace při jakémkoliv pH
typ I
typ II
typ III – selektivní anex pro
odstraňování dusičnanů z
pitné vody
 slabě bazické – protonizují pouze v neutrálním a kyselém pH
př. reakce silně bazického anexu
-NH3+ =NH2+ ≡NH+
NaCl
R  N  CH 3 3 OH



 R  N  CH 3 3 Cl 

NaOH
• katexy – polyvalentní kyseliny, uvolňují a vyměňují kationty; protiion kladný (Na+, H+)
a funkční skupina záporný náboj:
 silně kyselé - disociují při všech hodnotách pH
-SO3 slabě kyselé - disociují pouze v neutrálním a zásaditém pH
-COOpř. reakce silně kyselého katexu
NaCl


R  SO3 H  R  SO3 H  



R

SO
Na
3


HCl
• amfoterní ionexy – obsahují katexové i anexové funkční skupiny;
v praxi omezené využití
28
Použití ionexů








odstranění dusičnanů
selektivní odstraňování těžkých kovů
odstranění amoniakálního dusíku
odstraňování aniontů těžkých kovů
deionizace vody
demineralizace vody
"změkčování vody„
dekarbonizace vody
29
Zeolity
přírodní
 krystalické látky na bázi hydratovaných hlinitokřemičitanů
alkalických kovů a kovů alkalických zemin
 základní stavební jednotkou tetraedr [SiO4] a tetraedr [AlO4]
sumární vzorec


M (zm/ z ) Alm  Sin  O2 ( n  m )  qH 2O
M – výměnný kation alkal. kovu či kovu alkal. zemin (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ aj.)
 vnitřní struktura je tvořena kanálky a dutinami (póry) konstantních
rozměrů a tvarů, v nichž vázány molekuly H2O a výměnné kationty
www.vscht.cz
Wikimedia Commons
www.pro-zeo.sk
30
 specifické vlastnosti dány výjimečnou krystalovou stavbou → trojrozměrná
struktura → velký specifický povrch a adsorpční kapacita (hlinitokřemičitany
s vrstevnatou strukturou, např. jílové minerály illit, kaolinit, montmorillonit, hydrargillit
aj., mají specifický povrch i adsorpční kapacitu výrazně menší)
 další vlastnosti: vysoká výměnná kapacita a selektivita, schopnost
reverzibilní hydratace a dehydratace, katalytické vlastnosti, odolnost vůči
agresivním mediím, termická stabilita
 měniče iontů přírodního původu, např. analcim, mordenit, klinoptilolit
syntetické zeolity
 v současnosti velký rozvoj
 připraveno již na 200 rozdílných strukturních typů
 výroba např. tavením hlinitanů s křemičitany alkalických kovů,
hydrotermální alterací popelovin (elektrárenského popílku) aj.
Wikimedia Commons
31
využití zeolitů
 adsorbenty, molekulární síta (schopnost oddělovat různé molekuly dle jejich
velikosti, tvaru či polarity), filtrační média a katalyzátory
 aplikace při úpravě pitné a užitkové vody (separace kationtů těžkých kovů),
čištění odpadních vod (odstraňování amonných iontů a radioaktivních
izotopů), čištění spalin, v zemědělství (výroba hnojiv) aj.
32
Neionogenní polymerní adsorbenty
sorpční pryskyřice řady Amberlite XAD, Supelite DAX aj.
 polymerní síťované adsorbenty s velkou sorpční schopností
 pro adsorpci z vodných roztoků významné zejména nepolární nebo slabě
polární typy
 výroba – polymerace nebo polykondenzace organických monomerů
nepolární typy – často kopolymery (poly)styrenu a divinylbenzenu
slabě polární typy – obvykle polymery na bázi esterů kyseliny akrylové
 relativně velký specifický povrch (cca 100 – 750 m2·g-1)
 sorpční schopnosti dány strukturou, která zahrnuje kontinuální fázi (tvoří jeden
celek) a kontinuální póry s možností adsorpce kdekoliv na povrchu, a velkým
podílem povrchu s aromatickou strukturou
 mezo- či makropórézní struktura
 vysoce chemicky, fyzikálně i teplotně stálé
 snadno regenerovatelné
organická rozpouštědla (aceton, ethanol)
vodné roztoky kyselin a zásad – použití k regeneraci, jsou-li látky zachycené
na adsorbentu disociovatelné (převedení na soli)
33
Příklady charakteristik a aplikace
Pryskyřice
Složení
Specifický povrch
(m2/g)
Poloměr pórů
(Å)
Aplikace
AMBERLITETM
XAD4
polystyrendivinylbenzen
750
100
hydrofobní organické látky s nízkou relativní
molekulovou hmotností, pesticidy, herbicidy, chlorovaná
rozpouštědla
AMBERLITETM
XAD16N
800
150
hydrofobní organických látek s nízkou a střední relativní
molekulovou hmotností, antibiotika, aminokyseliny,
proteiny, steroidy, enzymy
AMBERLITETM
XAD18
800
150
antibiotika, aminokyseliny, proteiny
AMBERLITETM
XAD1180N
500
400
odstraňování a purifikace antibiotik, rostlinných
extraktů, fermentačních produktů rozkladu org. hmoty
SUPELITETM
DAX-8
polystyren
160
226
hydrofobní látky do relativní molekulové hmotnosti 150
000, huminové kyseliny, fulvokyseliny, alkoholy,
surfaktanty, barviva
Částice pryskyřice XAD4 (Rohm and Haas Co.)
Foto ze SEM
© François Dardel

Adsorpce při úpravě vody

Transkript

Podobné dokumenty

metody destrukce chlorovaných aromatických uhlovodíků ze spalin

zde - Krasec

Návrh vhodného aktivního uhlí ve vodárenství

Složení a vlastnosti přírodních vod

CO 2 a jeho iont. formy, pH, NK. Tlumivá kapacita

limnologické noviny

Materiály operačních plášťů bARRIeR