Ионообменная очистка растворов и сточных вод от ионов двухвалентных металлов в аппаратах с неподвижным и перемешиваемым слоем катионита тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Быков Александр Андреевич

• Быков Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Быков Александр Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ИОНООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРИРОДНЫХ И СИНТЕТИЧЕСКИХ ИОНИТАХ

1.1. Адсорбенты на основе целлюлозосодержащих материалов и хитозана для очистки растворов и промышленных сточных

вод от ионов тяжелых металлов

1.2. Равновесие ионного обмена

1.3. Кинетика ионного обмена

1.4. Современные конструкции ионообменных аппаратов с неподвижным слоем ионита

1.5. Расчет ионообменных аппаратов с неподвижным и перемешиваемым слоем ионита

1.6. Постановка задач теоретических и экспериментальных исследований

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИОННОГО ОБМЕНА В АППАРАТЕ С КОЛЬЦЕВЫМ НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ ИОНИТА

2.1. Описание принципа действия работы аппарата и основные допущения при математическом моделировании процесса

2.2. Математическое описание процесса ионного обмена 46 Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ИОННОГО ОБМЕНА В ЕМКОСТНОМ АППАРАТЕ ПРОТОЧНОГО ТИПА

3.1. Описание принципа действия работы аппарата и основные допущения при математическом моделировании процесса

3.2. Математическое описание процесса регенерации ионита

3.3. Математическое описание процесса ионообменной сорбции 57 Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-ХИТОЗАНОВОГО АДСОРБЕНТА (ЦХА)

4.1. Характеристики веществ, использованных в исследованиях,

и методики их анализа

4.2. Сорбционные свойства ЦХА в условиях низкотемпературной адсорбции азота

4.3. Равновесие ионообменной сорбции ионов меди на ЦХА

4.4. Кинетика ионного обмена на ЦХА

4.5. Динамика процессов ионного обмена на ЦХА 78 Глава 5. ПРОЦЕССЫ ИОННОГО ОБМЕНА В АППАРАТАХ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

5.1. Описание принципа работы ионообменных аппаратов и методик проведения экспериментов

5.2. Обсуждение результатов эксперимента

5.3. Проверка адекватности математических моделей реальному процессу

5.4. Сравнение эффективности работы ионообменных аппаратов на примере очистки водных растворов от ионов двухвалентных металлов

Глава 6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ УМЯГЧЕНИЯ

ПРИРОДНОЙ ВОДЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ

КОМПОЗИТНЫХ ПАНЕЛЕЙ

6.1. Испытание ионообменной установки на промышленном предприятии

6.2. Методика расчета ионообменного аппарата с неподвижным кольцевым слоем ионита

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ионообменная очистка растворов и сточных вод от ионов двухвалентных металлов в аппаратах с неподвижным и перемешиваемым слоем катионита»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время является актуальной проблема очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, которые, попадая в природные водные объекты, наносят существенный вред флоре и фауне водоема. К одному из перспективных методов очистки растворов и промышленных стоков от ионов тяжелых металлов относится метод ионного обмена, неоспоримыми преимуществами которого являются эффективное извлечение примесей из воды до норм ПДК и возможность возвращения очищенной воды и извлеченных ценных компонентов для технологических нужд производства.

В последние десятилетия все большее внимание уделяется адсорбентам на основе целлюлозосодержащих материалов, которые, в отличие от синтетических ионитов, являются более дешевыми и простыми в получении. С целью повышения адсорбционной емкости адсорбента, изменения его структуры, прививки функциональных групп, увеличения селективности и других характеристик исходные природные материалы подвергают модифицированию различными способами. Получение новых адсорбентов из природного растительного сырья с высокими сорбционными и кинетическими свойствами является актуальной задачей.

Дальнейшее совершенствование ионообменных технологий предполагает внедрение в промышленное производство нового высокопроизводительного оборудования и совершенствование режимов работы существующих аппаратов. Среди всего многообразия известного оборудования выделим аппараты с неподвижным слоем ионита и емкостные аппараты, которые просты в эксплуатации и позволяют очищать значительные объемы воды с переменной исходной концентраций примесей. Разработка методик их расчета на основе математического моделирования с учетом реального механизма ионного обмена, равновесных и кинетических закономерностей процесса, а также гидродинамических особенностей

движения подвижных фаз в аппарате, позволяющих выбрать наиболее рациональные параметры проведения процесса, является актуальной задачей в практическом и научном плане.

Степень разработанности темы. Известны математические модели неравновесной динамики ионообменной адсорбции для ионитовых фильтров, в которых скорость движения раствора принята постоянной. Данные модели не могут быть применены для расчета процесса ионного обмена в кольцевом адсорбере, поскольку необходимо учитывать изменение скорости движения раствора в неподвижном кольцевом слое ионита.

Известны аналитические решения задач об эволюции нестационарных полей концентрации целевого компонента в телах простых геометрических форм (неограниченной пластине, неограниченном цилиндре и шаре) с равномерным начальным распределением концентрации целевого компонента в условиях постоянной концентрации раствора, ограниченного объема раствора и полупериодического процесса (периодического по твердой фазе и непрерывного по жидкой фазе) в аппарате идеального перемешивания. Сформулирована и аналитически решена задача диффузии для тела в форме неограниченной пластины с неравномерным распределением целевого компонента в начальный момент времени в полупериодическом аппарате идеального перемешивания. В литературе отсутствует аналитическое решение подобной краевой задачи для тела сферической формы.

Известны способы очистки воды от ионов тяжелых металлов на ионитах из химически модифицированных целлюлозосодержащих материалов (хлопка, древесных опилок, отходов зерновых культур и др.) и хитозана. В настоящее время активно продолжается поиск новых высокоэффективных сорбентов на основе растительного сырья. При этом недостаточно разработано аппаратурное оформление процессов очистки воды с участием таких сорбентов.

Цель работы. Совершенствование режимов работы аппаратов с неподвижным кольцевым и перемешиваемым слоем ионообменного

материала в процессах очистки водных растворов и сточных вод от ионов тяжелых металлов на сульфокислотном катионите и новом целлюлозно-хитозановом адсорбенте (ЦХА).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработано математическое описание и методика расчета процесса ионного обмена в адсорбере с неподвижным кольцевым слоем ионита;

2. Разработано математическое описание процесса ионного обмена в емкостном аппарате проточного типа с мешалкой и установлена его адекватность реальному процессу;

3. Получен новый целлюлозно-хитозановый адсорбент и проведены исследования его структурных и сорбционных свойств;

4. Разработана новая конструкция кольцевого адсорбера для очистки воды от ионов тяжелых металлов;

5. Изучены процессы ионообменной адсорбции ионов меди на сульфокислотном катионите Lewatit S-100 и ЦХА в адсорбере с кольцевым неподвижным слоем ионита и емкостном аппарате проточного типа;

6. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований ионного обмена на промышленном предприятии в процессах водоподготовки при умягчении и обессоливании воды.

Научная новизна работы.

1. Разработано математическое описание ионного обмена в кольцевом адсорбере, учитывающее равновесные и кинетические закономерности процесса, изменение скорости движения раствора через неподвижный слой ионита, позволяющее прогнозировать распределение концентрации сорбируемого иона по толщине слоя ионита в любой момент времени;

2. Получено решение задачи о диффузии вещества в теле сферической формы в области линейной равновесной зависимости при неравномерном начальном распределении сорбируемого вещества для полупериодического процесса, протекающего в емкостном аппарате проточного типа в условиях изменяющейся концентрации раствора вследствие обмена ионов между

ионитом и раствором, поступления исходного раствора в аппарат и отвода очищенной воды из аппарата.

3. В результате исследования ионообменной сорбции ионов меди на ЦХА в статических условиях определено значение максимальной обменной емкости сорбента и установлено, что равновесие ионного обмена удовлетворительно описывается уравнением адсорбции Ленгмюра.

4. Установлены закономерности кинетики и динамики ионного обмена

2+ +

на ЦХА из водных растворов сульфата меди и определены коэффициенты внутренней диффузии, динамическая обменная емкость адсорбента, время защитного действия слоя адсорбента в зависимости от концентрации исходного раствора.

Практическая ценность работы.

1. Получен новый адсорбент на основе льняного волокна и хитозана, позволяющий эффективно извлекать ионы тяжелых металлов из водных растворов и с помощью метода низкотемпературной адсорбции азота определены его удельная поверхность, средний диаметр пор, распределение пор по размерам и другие структурные характеристики адсорбента.

2. Разработана новая конструкция кольцевого адсорбера для очистки растворов и сточных вод от ионов тяжелых металлов на ионитах из целлюлозосодержащего сырья.

3. Разработан инженерный метод расчета процесса ионного обмена в кольцевом адсорбере, позволяющий определить основные габаритные размеры аппарата и прогнозировать пространственно-временное распределение сорбируемого вещества в неподвижном слое ионита.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и проектировании ионообменной установки периодического действия для умягчения природной воды на предприятии по производству композитных панелей.

Методология и методы диссертационного исследования.

Математическое моделирование процесса ионного обмена

основывается на классических уравнениях теории адсорбции. Параметрическая идентификация математических моделей проведена с помощью известных из литературы методик. Для достижения поставленной цели использовались современные физико-химические методы исследования: атомно-абсорбционной спектроскопии (спектрометр «Сатурн» (Россия)), низкотемпературной адсорбции азота (анализатор Quantochrome NOVA 1200e (США)) и УФ-спектрофотометрии (спектрофотометр U-2001 Hitachi (Япония)).

Достоверность результатов обеспечивается значительным объемом экспериментальных данных, полученных с применением стандартных методик и современных измерительных приборов и оборудования, корректностью математических расчетов, основанных на фундаментальных положениях теории адсорбции, согласованием результатов расчета с известными литературными данными.

Личный вклад автора заключается в постановке конкретных задач, поиске и анализе литературных данных, планировании и непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и подготовке публикаций по результатам работы.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий».

Соответствие диссертации формуле специальности: «... интегрированная научная дисциплина, сформированная из отдельных областей знаний, содержание которой базируется на физических . явлениях (перенос энергии и массы.». Соответствие диссертации области исследования специальности: «.исследование тепловых процессов в технологических аппаратах ., исследования массообменных процессов и аппаратов».

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели процесса ионного обмена в кольцевом адсорбере и емкостном аппарате проточного типа;

2. Результаты экспериментального исследования равновесия, кинетики и

2+ +

динамики ионного обмена Си -Ыа на ЦХА из водных растворов сульфата меди;

3. Результаты экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ, выполненных с помощью разработанных математических моделей, процессов ионного обмена в кольцевом адсорбере и проточном емкостном аппарате;

4. Методику расчета процесса ионного обмена в кольцевом адсорбере.

Апробация работы. Основные положения и результаты

диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки» (Нижнекамск, 2014 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления и автоматизации в нефтехимии, нефтепереработке и энергетике» (Нижнекамск, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития современной науки» (Махачкала, 2015 г.); Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный» (Красноярск, 2015, 2016 г.г.), I Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные вопросы естествознания» (Иваново, 2016 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Надежность и долговечность машин и механизмов» (Иваново, 2015, 2016 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития и современные проблемы образования» (Нижнекамск, 2016 г.); VIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Россия молодая» (Кемерово, 2016 г.); I Международной научно-технической конференции

«Автоматизация, энерго- и ресурсосбережение в промышленном производстве» (Уфа, 2016 г.); III Всероссийской научной конференции (с международным участием) «Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов» (Плес, 2018 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в список ВАК, и получено 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Объем работы: 154 страницы текста, включая 63 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 146 наименований.

Глава 1. ИОНООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРИРОДНЫХ И СИНТЕТИЧЕСКИХ ИОНИТАХ 1.1. Адсорбенты на основе целлюлозосодержащих материалов и хитозана для очистки растворов и промышленных сточных вод

от ионов тяжелых металлов

В последнее время внимание ученых все больше уделяется сорбентам на основе целлюлозосодержащих материалов и хитозана, которые успешно применяются для очистки промышленных сточных вод и растворов от ионов тяжелых металлов [1, 2]. Неоспоримыми преимуществами этих сорбентов по сравнению с синтетическими ионитами являются их доступность и дешевизна, поскольку целлюлоза и хитин, из которого получают хитозан [3], являются одними из самых распространенных природных материалов. С целью изменения структуры сорбента и повышению его сорбционно-кинетических характеристик исходное сырье подвергают обработке (модифицированию). Среди всех существующих способов модифицирования сорбентов можно выделить несколько групп: физические, химические, физико-химические и биологические [4-7]. Ниже рассмотрены работы по получению природных сорбентов из целлюлозосодержащих материалов и хитозана, а также их практическому применению.

Соминым В.А. [8] проведены исследования процессов очистки растворов с помощью сорбционных материалов на основе растительного и минерального сырья: древесных опилок, бентонитовых глин, базальтового волокна, лузги гречихи и подсолнечника. Применение автором реагентного модифицирования позволило увеличить сорбционную обменную емкость нативных материалов по отношению к ионам тяжелых металлов в 1,5-7 раз, которая, например, для древесных опилок повысилась при сорбции ионов меди с 3,5 до 24 мг/г.

Никифоровой Т.Е. [9] разработаны научные основы направленного модифицирования полисахаридных биополимеров и установлены физико-химические закономерности процесса распределения ионов тяжелых металлов в гетерофазной системе биополимер-водный раствор. В качестве адсорбентов для очистки растворов от ионов тяжелых металлов автором использовались льняное волокно, древесные опилки, соевый шрот, хлопковое волокно и другие целлюлозосодержащие материалы. Модифицирование исходного сырья проводили путем ультразвукового и микроволнового воздействия, плазменной активацией, ферментной обработкой и другими методами. Наличие в структуре полисахаридного сорбента -СООН групп позволяет рассматривать сорбцию сильных электролитов в гетерогенной системе сорбент-водный раствор как ионный обмен на карбоксильных группах. В качестве примера автор приводит реакцию обмена на

целлюлозосодержащем сорбенте:

2[-СОО№] + Сй2+ ^ КСОО^Сй] + 2Na+.

Установлено, что катионы двухвалентных металлов располагаются в следующий ряд в порядке уменьшения прочности связи с сорбционными центрами целлюлозы: Сй2+ > Fe2+ > Ni2+ > 7п2+ > Cd2+.

В работе Соловцовой О.В. [10] исследованы сорбционные свойства хитозана и целлюлозы по отношению к ионам меди, никеля и серебра. Установлено, что лиофильная сушка хитозана приводит к значительному увеличению сорбционной емкости адсорбента и адсорбция катионов металлов окисленными целлюлозами главным образом происходит на карбоксильных группах.

Ульянова В.В. [11] в своих исследования для очистки сточных вод от ионов Сй2+, №2+, 7п2+, Cd2+, РЬ2+, Feобщ применила отходы керамического цеха, гранулированные и комбинированные с обмолотом проса, шелухи пшеницы и подсолнечника. Показано, что наиболее высокая эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов достигается комбинированными сорбционными материалами, полученными при

термообработке отходов керамического цеха и отходов переработки сельскохозяйственных продуктов в течение 20 мин при 300 оС в соотношении 50:50 масс. %.

Пуховой В.П. [12] при изучении сорбции ионов 7п (II), РЬ (II), Си (II) семенами, кожицей и кожурой фасоли установлено, что время наступления равновесия из водных растворов солей в диапазоне концентраций от 3 до 10 г/дм составляет 30 - 60 мин. Установлено, что обменная емкость сорбента зависит от способа химической обработки исходного сырья, величины рН раствора, его начальной концентрации и температуры.

Комплексные исследования механизма очистки сточных вод от ионов Си(П), Fe(Ш) и Сг(Ш) с использованием в качестве сорбционных материалов опилок коры и листового опада дуба проведены Юсуповой А.И. [13]. Установлено, что равновесие адсорбции ионов тяжелых металлов удовлетворительно описывается уравнением изотермы адсорбции Фрейндлиха. При значении концентрации исходного раствора

1000 мг/дм

максимальная сорбционная емкость сорбентов понижается для сорбируемых ионов в следующей последовательности: Fe3+ > Си2+ > Сг6+.

Исследование процессов очистки модельных растворов и сточных вод промышленных предприятий от ионов железа модифицированным сорбционным материалом на основе листового опада различных пород деревьев (березы повислой, дуба черешчатого и др.) проведены Шаймардановой А.Ш. [14]. Обработка экспериментальных данных равновесия адсорбции в рамках моделей Ленгмюра, Фрейндлиха, БЭТ, Темкина и Френкеля-Хелси-Хита показала, что наивысший коэффициент корреляции достигается при описании процесса моделью Ленгмюра (0,8480,988).

Митракова Т.Н. [15] предложила для очистки сточных вод гальванического производства от ионов меди использовать сорбент, полученный путем карбонизации шелухи гречихи. Автором установлена оптимальная область рН раствора для сорбции ионов меди на полученном

сорбенте, которая составляет 7,5-8.

Макаренко Н.В. с соавторами [16] изучили кинетику сорбции ионов тяжелых металлов (Со2+, Cd2+, 7п2+, Сй2+ и др.) сорбентом на основе производного фитиновой кислоты, полученного из отходов производства риса (мучки). Показано, что во всех случаях кинетика сорбции ионов тяжелых металлов предложенным сорбентом удовлетворительно описывается моделью псевдовторого порядка.

Тхоурая Бохли с соавторами [17] предложили очищать растворы, содержащие ионы Cd2+ и М2+, на адсорбенте, полученном из оливковых косточек. Максимальное значение сорбции ионов тяжелых металлов достигается при рН = 4,5 и составляет в среднем 0,16 ммоль/г.

Для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов также применяется хитозан.

Сейед Массуд с соавторами [18] исследовали процессы очистки водных растворов от ионов кадмия с помощью хитозана и нанохитозана. Выявлено, что состояние равновесия устанавливается в среднем через 60 мин. Равновесные закономерности процесса ионного обмена удовлетворительно описываются уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра. Авторами сделан вывод о целесообразности использования хитозана для извлечения кадмия в нейтральной среде и нанохитозана - в кислой среде при рН = 3,5-5,0.

Доина Асандей с соавторами [19] также использовали хитозан для извлечения ионов свинца из водных растворов. Установлено, что значение адсорбционной емкости хитозана возрастает с увеличением рН раствора от 2 до 6. При этом максимальное значение адсорбции достигается при рН 6.

Везенцевым А.И. [20] с соавторами получен композиционный сорбционно-активный материал на основе монтмориллонит содержащих глин провинции Ламдонг (Вьетнам), модифицированных продуктами пиролиза шелухи кофе. Данный сорбент имеет высокую сорбционную

3+

способность по отношению к ионам железа ^е ), которая составляет 97,36

Тарановской Е.А. с соавторами [21] разработан композиционный адсорбент на основе хитозана с добавлением термообработанной шелухи проса в количестве 20 %, которая является отходом сельскохозяйственной продукции. Данный сорбент обладает более высокой эффективностью по сравнению с исходным хитозаном и рекомендован для очистки сточных вод от ионов РЬ2+, Cd2+ и 7п2+.

В работе Мин Сяо и Цзянькан Ху [22] описан способ приготовления сорбента из целлюлозы и хитозана в соотношении 1:1, который имеет адсорбционную емкость по отношению к ионам меди 0,53 ммоль/г, кадмия -0,28 ммоль/г и свинца - 0,16 ммоль/г из водных растворов с исходной концентрацией соли 200 мг/л.

Роговиной С.З. с соавторами [23] синтезирован адсорбент для очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов, полученный под действием сдвиговых деформаций из смесей целлюлоза-хитозан-фталевый ангидрид, целлюлоза-хитозан-янтарный ангидрид при соотношении полисахаридов 1:1. Фталевый и янтарный ангидриды применятся в качестве сшивающих агентов. Отмечено, что данный адсорбент может применяться для очистки кислых промышленных сточных вод.

Сведения о получении композиционных адсорбентов также можно найти в обзорных статьях [24, 25].

Таким образом, в настоящее время имеется достаточно обширная информация по получению адсорбентов на основе целлюлозосодержащих материалов и хитозана, а также их применению для очистки растворов и промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов. Однако, несомненна, необходимость получения новых высокоэффективных адсорбентов из природного сырья. При этом целесообразно использование различных методов модифицирования, позволяющих изменить структуру адсорбента, повысить его пористость, удельную поверхность и адсорбционную емкость, а также улучшить кинетические характеристики.

1.2. Равновесие ионного обмена

Изучение равновесия ионного обмена в системе ионит-раствор предполагает установление распределения концентраций обменивающихся ионов между фазами, на основании которого определяется возможность и условия проведения данного процесса. Обмен ионами обычно происходит в стехиометрических количествах. Однако ионит удерживает различные ионы неодинаково. На степень ионообменных превращений оказывают влияние валентность, гидратация, размер иона и другие факторы [26]. Избирательность ионита может быть оценена коэффициентом селективности. Например, для двух конкурирующих ионов коэффициент селективности равен

= , (1.2.1)

где ЫА, Ыв и Ыа , Ыв - эквивалентные доли противоионов А и В в фазе ионита и раствора соответственно.

Для характеристики ионообменного равновесия может быть использован коэффициент распределения, выражающий относительное содержание ионов в каждой из фаз:

КА = , Кв = . (1.2.2)

А Ы/ В Ыв у }

Равновесные составы твердой фазы и раствора удобно изображать в виде квадратной диаграммы (рисунок 1.2.1), в которой эквивалентные доли обменивающихся ионов в ионите и растворе изменяются в пределах от 0 до 1. Значению К = 1 соответствует линейная изотерма ионного обмена, К > 1 -выпуклая изотерма ионного обмена и К < 1 - вогнутая изотерма ионного обмена.

Предсказание избирательности ионита на основе модельных представлений является одной из основных задач теории ионного обмена.

1ЙГ

о

К1 > 1

/1=У

Лкг 1

М-

1

Рисунок 1.2.1. - Диаграмма ионообменного равновесия: N и ЫА -эквивалентные доли /-го иона в ионите и растворе соответственно

Для ионообменной системы, включающей обмен ионов А и В, реакцию ионного обмена можно рассматривать как гетерогенную химическую реакцию:

2ВАА + = 2вА2а+ + гвВ2в+ . (1.2.3)

Соотношение между обменивающимися ионами для уравнения (1.2.3) находится на основании закона действующих масс:

К =

„У *АаЦ * Б аА аБ

аУ *БаУ

Б А

(1.2.4)

где К - термодинамическая константа равновесия; аА, аВ и аА, аВ -активности ионов А и Б в ионите и растворе соответственно; гА, гв -стехиометрические коэффициенты в реакции обмена.

В случае разбавленных растворов при постоянной ионной силе активности ионов могут быть заменены их концентрациями

с1 2агУ Б

К =

7 V гв^1/ * А ' БА

где К - концентрационная константа ионообменного равновесия.

(1.2.5)

Величина К характеризует меру избирательности ионита по отношению к противоионам, участвующим в ионообменном процессе.

Для практических расчетов ионообменного равновесия также широко применяются модели Ленгмюра, Фрейндлиха, теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) и Генри.

Большое влияние на формирование современных теоретических представлений о равновесии ионного обмена оказала теория мембранного равновесия, разработанная Доннаном А.Г. [27]. Бауман В. С. и Эйхгорн С. [28], применив данную теорию к системе ионит-раствор, предположили, что, ионит является вторым, более концентрированным раствором, а граница раздела фаз представляет собой мембрану, непроницаемую для функциональных групп, поскольку они закреплены на каркасе ионита, и вполне проницаемую для обменивающихся ионов. При установлении равновесия Доннана между градиентом концентрации противоионов, вызванным диффузией, и электростатическим потенциалом, препятствующим протеканию диффузии, на границе ионит-раствор возникает разность потенциалов, названная доннановским потенциалом.

Теория мембранного равновесия позволяет качественно объяснить некоторые закономерности ионного обмена и получить зависимости, удовлетворительно описывающие равновесное состояние между ионитом и раствором. Однако принятые в модели Доннана А.Г. допущения для ионообменных смол, например, энергия набухания ионита зависит только от общего объема смолы и другие, не в полной мере отражают реальные процессы.

Грегор Х.П., основываясь на предположении об упругих свойствах каркаса органических ионитов, предложил осмотическую теорию ионного обмена [29]. Ионит в растворе моделируется ячейкой с неподвижной перегородкой, находящейся под давлением пружин. Он представляет собой набухающий гель, в котором давление набухания, вызванное осмотической активностью ионов и их гидратацией, уравновешивается упругим

взаимодействием полимерного каркаса ионита. Движущей силой процесса переноса вещества между ионитом и раствором является стремление ионита занять наименьший возможный объем. Модель Грегора Х.П. объясняет причины селективности ионита, которая определяется величиной осмотического давления набухания п. Значение п рассчитывается по уравнению:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Быков Александр Андреевич, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Климов, Е.С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод / Е.С. Климов, М.В. Бузаева. - Ульяновск: УлГТУ, 2011. - 201 с.

2. Combined and Hybrid Adsorbents. Fundamentals and Applications / Eds. Loureiro, J.M.; Kartel, M.T. - Netherlands: Springer. - 2006. - 370 р.

3. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение / Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. - М.: Наука, 2002. - 368 с.

4. Бабкин, А. Углеродное модифицирование сорбентов методом CVD. Синтез слоя углеродных нанотрубок заданной архитектуры на поверхности материала-носителя / А. Бабкин, Е. Нескоромная, И. Буракова. -Изд-во: Саарбрюккен: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2017. - 80 с.

5. Кондрашова А.В. Химическое модифицирование природного сорбента // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2014. -Т. 26. - С. 286-290.

6. Зеленцов, В.И. Электрообработка природных сорбентов / В.И. Зеленцов, Т.Я. Дацко // Электронная обработка материалов - 2006, № 3. - С. 128-137.

7. Кутепов, А.М. Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов / А.М. Кутепов, А.Г. Захаров, А.И. Максимов; отв. ред. А.Ю. Цивадзе. - М.: Наука, 2004. - 496 с.

8. Сомин, В.А. Экологически безопасное водопользование с применением технологических решений на основе новых сорбционных материалов (на примере Алтайского края): дис. ... док. тех. наук: 25.00.27 / Сомин Владимир Александрович. - Барнаул, 2015. - 265 с.

9. Никифорова, Т.Е. Физико-химические основы хемосорбции ионов d-металлов модифицированными целлюлозосодержащими материалами: дис. ... док. хим. наук: 02.00.06 / Никифорова Татьяна Евгеньевна. - Иваново, 2014. - 365 с.

10. Соловцова, О.В. Влияние структуры полимеров на основе хитозана и целлюлозы на их адсорбционные свойства: дис. ... канд. хим. наук: 02.00.04 / Соловцова Ольга Вячеславовна. - М., 2009. - 107 с.

11. Ульянова, В.В. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов сорбентами на основе модифицированных отходов керамического производства и сельхозпереработки: дис. ... канд. тех. наук: 03.02.08 / Ульянова Виктория Валерьевна. - Саратов, 2015. - 134 с.

12. Пухова, В.П. Извлечение ионов тяжелых металлов из сточных вод и бедных растворов природными продуктами: дис. ... канд. тех. наук: 05.16.02 / Пухова Виктория Петровна. - Владикавказ, 2014. - 141 с.

13. Юсупова, А.И. Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, сорбентами и экстрактами из таннинсодержащих отходов: дис. ... канд. тех. наук: 03.02.08 / Юсупова Альбина Ильшатовна. - Казань, 2015. -165 с.

14. Шаймарданова, А.Ш. Очистка вод от ионов железа модифицированным сорбционным материалом на основе листового опада: дис. ... канд. тех. наук: 03.02.08 / Шаймарданова Алсу Шамилевна. - Казань, 2017. - 183 с.

15. Митракова, Т.Н. Применение материалов естественного происхождения для сорбционной очистки сточных вод от ионов меди (II): дис. ... канд. тех. наук: 03.02.08 / Т.Н. Митракова - Курс, 2017. - 126 с.

16. Макаренко, Н.В. Кинетика сорбции ионов тяжелых металлов из отходов производства риса / Н.В. Макаренко, С.Б Ярусова, Ю.А. Азарова, Л.А. Земнухова // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. - 2015. - № 4. - С. 94-99.

17. Bohli Th. Uptake of Cd and Ni Metal Ions from Aqueous solutions By Activated Carbons Derived from Waste Olive Stones / Th. Bohli, А. Ouederni, N. Fiol, I. Villaescusa // International Journal of Chemical Engineering and Applications. - 2012. - V. 3. - № 4. - Р. 232-236.

18. Seyed, M. S. Comparative Cadmium Adsorption from Water by Nanochitosan and Chitosan / S.M. Seyedi, B. Anvaripour, M. Motavassel, N. Jadidi // International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT). -2013. - V. 2. - № 9. - Р. 145-148.

19. Asandei, D. Lead (II) removal from aqueous solutions by adsorption onto chitosan / D. Asandei, L. Bulgariu, E. Bobu // Cellulose chemistry and technology. - 2009. - V. 43 (4-6). - Р. 211-216.

20. Везенцев, А.И. Композиционный сорбент на основе минерального и растительного сырья / А.И. Везенцев, Нгуен Хоай Тьяу, П.В. Соколовский и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2015. - Т. 15, № 1. - С. 127-133.

21. Тарановская, Е.А. Технология получения и использования композиционных материалов из хитозана и шелухи проса для очистки стоков от ионов тяжелых металлов / Е.А. Тарановская, Н.А. Собгайда, Д.Ю. Маркина, П.А. Морев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2016. - № 1 (21). - С. 50-62.

22. Min Xiao. Cellulose/chitosan composites prepared in ethylene diamine/potassium thiocyanate for adsorption of heavy metal ions / Min Xiao, Jiancan Hu // Cellulose. - 2017. - V. 24. - № 6. - P. 2545-2557.

23. Роговина, С.З. Получение целлюлозно-хитозановых смесей под действием сдвиговых деформаций в присутствии сшивающих агентов / С.З. Роговина, Т.А. Акопова, Г.А. Вихорева и др. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. - 2000. - Т. 42 - № 9. - С. 1489-1494.

24. Wan Ngaha, W.S. Adsorption of dyes and heavy metal ions by chitosan composites: A review / W.S. Wan Ngaha, L.C. Teonga, M.A.K.M. Hanafiaha // Carbohydrate Polymers. - 2010. - V. 83. - P. 1446-1456.

25. Иканина, Е.В. Композиционные сорбенты для извлечения тяжелых металлов: итоги последних лет / Е.В. Иканина, В.Ф. Марков, М.И. Каляева // Бутлеровские сообщения. - 2016. -Т. 48. - № 11. - С. 101-113.

26. Аширов, А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов / А. Аширов. - Л.: Химия, 1983. - 295 с.

27. Dоnnan F.G. Dic genau Thermodynamik der Membrangleichgewicht / F.G. Dоnnan. // Z. Phys. Chem. - 1934. - A. - 168. - S. 369-376.

28. Bauman, W.C. Fundamental Properties of a Synthetic Cation Exchange Resin / W.C. Dоnnan, S. Eichhorn // J. Am. Chem. Soc. - 1947. - V. 69, № 11. - P. 2830-2836.

29. Gregor, H.P. Gibbs-Donnan equilibria in ion exchange resin systems / H.P. Gregor // J. Am. Chem. Soc. - 1951. - V. 73, № 2. - P. 642-650.

30. Lazare, L. A model for cross-linked polyelectrolytes / L. Lazare, B.R. Sundheim, H.P. Gregor // J. Phys.Chem. - 1956. - V. 60, N. 5. - P. 641-643.

31. Glueckauf E. A theoretical treatment of cation exchangers. I. The prediction of equilibrium constants from osmotic dama / E. Glueckauf // Proc. Poy. Soc. (London). Series A. Mathematical and Physical sciences. - 1952. - V. 214, № A 1117. - P. 207-225.

32. Katchalsky, A. Polyelectrolyte Gels / А. Katchalsky // Progress Biophys. Biophys. Chem. -1954. - V. 4. - P. 1-59.

33. Harris, F.E. Model for Ion Exchange Resins / F.E. Harris, S.A. Rise // J. Chem. Phys. - 1956. - V. 24, № 6 - P. 1258-1260.

34. Eisenman G. Cation selective glass electrodes and their mode of operation / G. Eisenman // Biophys J. - 1962. - V. 2, № 2. - P. 259-323.

35. Измайлов, Н.А. Электрохимия растворов / Н.А. Измайлов. - М.: Химия, 1976. - 575 с.

36. Маринский, Я.А. Ионный обмен / Я.А. Маринский, Л.С. Голдринг, Д. Райхенберг и др. - М.: Мир, 1968. - 565 с.

37. Солдатов, В.С. Термодинамика ионообменных равновесий / В.С. Солдатов // Докл. АН БССР. - 1970. - Т. 14, № 8. - С. 726-729.

38. Hogfeldt, E. On ion exchange equilibrioc. VI. The Heterogeneity of ion exchangers / Е. Hogfeldt // Arkiv kemi. - 1959. - Bd. 13. - S. 491-506.

39. Barrer, R.M. Ion Exchange Involving several Groups of Homogeneous Sites / R.M. Barrer, J. Klinowski // J. Chem. Soc. Faraday Trans. -1972. - Part. I-II, V. 68, K-I. - P. 73-87.

40. Белинская Ф.А., Никольский Б.П. Модель ступенчатого ионообменного равновесия // Ионный обмен и ионоометрия: Межвуз. сб-Л.: Изд-во ЛГУ, 1986. - Вып. 5. - С. 3-9.

41. Кокотов, Ю.А. Равновесие и кинетика ионного обмена / Ю.А. Кокотов, В.А. Пасечник. - Л.: Химия, 1970. - 336 с.

42. Иванов В.А., Карпюк Е.А. Некоторые аспекты термодинамики ионного обмена // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2015. -Т. 15, вып. 1. - С. 19-34.

43. Soldatov, V.S. Theory of Ion Exchange. 6.1. Thermodynamics / V.S. Soldatov // In: Ion Exchangers (Konrad Dorfner, Ed.). - Berlin, New York: De Gruyter, 1992. - Р. 1243-1275.

44. Белинская Ф.А. Развитие учения о ионном обмене // Академик Б.П. Никольский. Жизнь. Труды. Школа: Сборник / Под ред. А.А. Белюстина, Ф.А. Белинской. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000. - С. 179-195.

45. Иониты в химической технологии / Отв. ред. Б.П. Никольский и П.Г. Романков. - Л.: Химия,1982. - 416 с.

46. Сенявин, М.М. Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ / М.М. Сенявин. - М.: Химия, 1980. - 272 с.

47. Boyd, G. The Exchange Adsorption of Ions from Aqueous Solutions

by Organic Zeolits. I. Ion-Exchange Equilibria / G. Boyd, J. Shubert // J. Am. Chem. Soc. - 1947. - V. 69. - P. 2818-2829.

48. Boyd, G. The Exchange Adsorption of Ions from Aqueous Solutions by Organic Zeolites. II. Kinetics / G. Boyd, A. Adamson, L. Myers // J. Am. Chem. Soc. - 1947. - V. 69. - Р. 2836-2848.

49. Boyd, G. The Exchange Adsorption of Ions from Aqueous Solutions by Organic Zeolites. III. Performance of Deep Adsorbent Beds under

Non-equilibrium Conditions / G. Boyd, L. Myers, A. Adamson // J. Am. Chem. Soc. - 1947. - V. 69. - P. 2849-2856.

50. Dana, P.R. Kinetics of a moving boundary ion-exchange process / P.R. Dana, T.D. Wheelock // Ind. Eng. Chem. Fundamen. - 1974. - V. 13, № 1. -P. 20-26.

51. Голубев, В.С. Уравнение диффузионной кинетики сорбции (ионного обмена) при одновременном учете внешней и внутренней диффузии / В.С. Голубев, Г.М. Панченко // Журн. физ. химии. - 1964. - Т. 38, № 1. - С. 228-230.

52. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. - М.: Высш. шк., 1967. - 600 с.

53. Patterson, S. The heating or cooling of a solid sphere in a well-stirred fluid. Proc. Phys. Soc. (London) / S. Patterson // - 1947. - V. 59. Issue 1. - P. 5058.

54. Аксельруд, Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость / Г.А. Аксельруд. - Львов: Изд-во Львовского университета, 1970. - 186 с.

55. Dickel, G. Dic Gleichung der Diffusion in einer Kugel mit bewegter Begrenzung / G. Dickel // Z. Phys. Chem. - 1965. - Bd. 46, № 3 -4. - Р. 254 -256.

56. Кузьминых, В.А. Исследование кинетики ионного обмена при изменении объема / В.А. Кузьминых, И.П. Шамрицкая // Теория и практика сорбционных процессов. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1974. - Вып. 9. - С. 9-14.

57. Bunzl, K. Mitteilung uber die kinetek von Ionenaustauschern I. Uber drei paradox - erscheinende Effekte bei der Filmdiffussion / К. Bunzl, G. Dickel G. // Z. Phys. Chem. - 1968. - V. 61. - S. 322-325.

58. Alexandratos, S.D. Dual-mechanism bifunctional polymers: polystyrenebased ion-exchange/redox resins / S.D. Alexandratos, D.L. Wilson // Macromolecules. - 1986. - V. 19, № 2. - P. 280-287.

59. Kalinichev, A.I. Diffusional model for intraparticle ion exchange kinetics in nonlinear selective systems / A.I. Kalinichev. - Ion Exchange. Eds. D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky. - N.Y. - Basel: M. Dekker, 2000. - P. 345-379.

60. Волжинский, А.И. Регенерация ионитов. Теория процесса и расчет аппаратов / А.И. Волжинский, В.А. Константинов. - Л.: Химия, 1990.

- 240 с.

61. Гельферих, Ф. Иониты. Основы ионного обмена. / Ф. Гельферих.

- М.: Издатинлит, 1962. - 490 с.

62. Туницкий, Н.Н. К теории динамики адсорбции и хроматографии. 2. Размытие хроматографических полос при совместном учете внешней и внутренней диффузии / Н.Н. Туницкий, И.М. Шендерович // Журн. физ. химии. - 1952. - Т. 26, № 10. - С. 1425-1433.

63. Чернова, Е.П. Исследование кинетики ионообменной сорбции. I. Кинетика полного обмена катионов / Е.П. Чернова, В.В. Некрасов, Н.Н. Туницкий // Журн. физ. химии. - 1956. - Т. 30, № 10. - С. 1956-2186.

64. Знаменский, Ю.П. Влияние пионов на кинетику обмена ионов различной подвижности / Ю.П. Знаменский // Жур. физ. химии. - 1973. - Т. 47, № 2. - С. 419-420.

65. Константинов, В.А. Моделирование внутридиффузионного процесса ионного обмена на основе его кинетических закономерностей: Дис кан. тех. наук. 05.17.08 / Константинов Валерий Анатольевич. - Л., 1980. -189 с.

66. Kataoka, T. Effect of electrolyte penetrating from liquid phase into resin phase on ion exchange rate / T. Kataoka, H. Yoshida, S. Ikecla // J. Chem. Eng. Yapan. - 1978. - V. 11, № 2. - Р. 156-158.

67. Шорников, С.И. Кинетика полного обмена ионов из разбавленных растворов с учетом поверхностного потенциала частиц ионита

/ С.И. Шорников, А.И. Касперович, Н.Б. Бычков // Теория ионного обмена и хроматографии. - М.: Наука, 1968. - С. 11-14.

68. Кокотов, Ю.А. Теоретические основы ионного обмена: Сложные ионообменные системы / Ю.А. Кокотов, П.П. Золотарев, Г.Э Елькин- Л.: Химия, 1986. - 280 с.

69. Полуляхова, Н.Н. Исследование кинетики сорбции на синтезированном ионите / Н.Н. Полуляхова // Вестн. (-Петербург. ун-та. Сер. 4. - 2010. - № 2. - С. 71-78.

70. Гольдфарб, Ф.Г. Кинетика ионного обмена при неравномерном распределении функциональных групп по объему ионита / Ф.Г. Гольдфарб // Журн. прикл. химии. - 1985. - Т. 58, № 1. - С. 171-175.

71. Зенькевич, Л.А Регенерация сильнокислотных катионитов: Дис кан. тех. наук. 05.17.08 / Зенкевич Лариса Алексеевна. - Л., 1987. - 127 с.

72. Zhao, G. Sorption of heavy metal ion from aqueous solutions: A review / G. Zhao, X. Wu, X. Tan, X. Wang // The Open Colloid Science Journal. -2011. - № 4. - Р. 19-31.

73. Тимофеев, К.Л. Кинетика сорбции ионов индия, железа и цинка слабокислотными катионитами / К.Л. Тимофеев, А.В. Усольцев, С.А. Краюхин, Г.И. Мальцев // Сорбционные и хроматографические процессы. -2015. - Т. 15, вып. 5. - С. 720-730.

74. Долгоносов, А.М. Нелинейная кинетика многокомпонентного ионного обмена. Макроскопическая модель и немонотонные кривые / А.М. Долгоносов, Р.Х. Хамизов, А.Н. Крачак и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2014. - Т. 14, вып. 5. - С. 724-734.

75. Громогласов, А.А. Водоподготовка: Процессы и аппараты: Учеб. пособие для вузов / А.А. Громогласов, А.С. Копылов, А.П. Пильщиков; Под ред. О.И. Мартыновой. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.

76. Патент на изобретение РФ № 2354440 RU. Кольцевой адсорбер / О.С. Кочетков, М.О. Кочеткова; патентообладатель Кочетков О.С.; заявл, 29.11.2007; опубл. 10.05.2009. Бюл. № 13.

77. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. II. - СПб.: НПО «Профессионал», 2006. - 916 с.

78. Никитина, С.Ю. Ионообменный реактор для очистки пищевого этанола от микропримесей / С.Ю. Никитина, О.Б. Рудаков, В.Ф. Селеменев // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2012. - Т. 12, вып. 6. - С. 1018-1024.

79. Котюков, А.Б. Фильтры с загрузкой из волокнистых материалов и ткани / А.Б. Котюков, Ю.П. Петров // Современные проблемы экологии. -2013. - Вып. 8 (47). - С. 220-222.

80. Шилов, Н.А. Кинетика сорбции / Н.А. Шилов, Л.К. Лепинь, С.А Вознесенский / Журн. всесоюз. химич. общества. - 1929. - Вып. 21. - С. 1107-1123.

81. Рачинский, В.В. Введение в общую теорию динамики сорбции и хроматографии / В.В. Рачинский. - М.: Наука, 1964. - 136 с.

82. Сенявин, М.М. Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов / М.М. Сенявин, Р.Н. Рубинштейн, Е.В. Веницианов и др. - М.: Наука, 1972. - 175 с.

83. Жуховицкий, А.А. Поглощение газа и тока воздуха слоем зернистого материала / А.А. Жуховицкий, А.Н. Тихонов, Я.Л. Забежинский // Журн. физ. химии. - 1945. - Т. 19, № 6. - С. 253-261.

84. Rosen, J. B. General numerical solution for solid diffusion in fixed beds / J. B. Rosen // Ind. Eng. Chem. - 1954. - V. 46, № 8. - P. 1590-1594.

85. Золотарев, П.П. О приближенном аналитическом решении внутри-диффузионной задачи динамики адсорбции в линейной области изотермы / П.П. Золотарев, Л.В. Радушкевич // Изв. АН СССР. Сер. хим. -1968. - № 8. - С. 1906-1908.

86. Аксельруд, Г.А. Решение обобщенной задачи о тепло- и массообмене в слое / Г.А. Аксельруд // Инженерно-физический журнал. -1966. - Т. II, № 1. - С. 93-98.

87. Лебедев, Ю.Я. Анализ решений уравнений динамики сорбции при линейной изотерме и учете диффузионной кинетики / Ю.Я. Лебедев, Г.В. Самсонов // Журн. физич. химии. - 1978. - Т. 52, № 5. - С. 329-350.

88. Thomas, H. Heterogeneous ion exchange in a flowing system / H. Thomas // J. Am. Chem. Soc. - 1944. - V. 66, № 10. - P. 1664-1666.

89. Лейкин, М.А. Массоперенос при ионообменной очистке (умягчении) воды в колонных аппаратах периодического и непрерывного действия: Дис... канд. тех. наук: 05.18.12 / Лейкин Михаил Анатольевич. -Воронеж, 1986. - 198 с.

90. Протодьяконов, И.О. Динамика процессов химической технологии: Учебное пособие для вузов / И.О. Протодьяконов, О.В. Муратов, Евлампиев И.И. - Л.: Химия, 1984. - 304 с.

91. Мясников, И.А. Внутренне-диффузионная динамика сорбции в линейной области / И.А. Мясников, К.А. Гольберт // Журн. физич. химии. -1953. - Т. 23, № 9. - С. 1311 - 1324.

92. Слизнева, Т.Е. Моделирование процессов умягчения и обессоливания воды в аппарате с неподвижным слоем ионита: дис... канд. тех. наук: 05.18.12. / Слизнева Татьяна Евгеньевна. - Иваново, 2004. - 125 с.

93. Лысянский, В.М. Процессы экстракции сахара из свеклы. Теория и расчет / В.М. Лысянский. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - 244 с.

94. Кузьминых, В.А. Теория приближенного расчета динамики ионного обмена и хроматографии при смешанно-диффузионной кинетике. I. Приближенная смешанно-диффузионная кинетическая модель / В.А. Кузьминых, В.П. Мелешко, В.Ю. Голицын // Журн. физ. химии. - 1980. - Т. 54, № 4. - С. 973-978.

95. Каменев, А.С. Решение задачи неравновесной динамики сорбции

с учетом продольных эффектов при помощи аппроксимирующих функций.

Нелинейность массопреноса при динамике ионного обмена / А.С. Каменев // Журн. физич. химии. - 1986. - Т. 60, № 4. - С. 970-973.

96. Анохин, В.А. Стационарный режим сорбционного фильтрования

и предельные уравнения динамики ионного обмена / В.А. Анохин // Журн. физ. химии. - 1957. - Т. 31, № 5. - С. 976-985.

97. Huang, I.C. Analytical solution for a furst order reaction in a packed

bed with diffusion / I.C. Huang, D. Rothstein, R. Madey // A. I. Ch. Journal. -1984. - V. 30, № 4. - P. 660-662.

98. Лейкин, Ю.А. Модифицированные сорбенты для селективного извлечения аммиака и его производных / Ю.А. Лейкин, Б.Ф. Мясоедов, В.В. Лосев, Е.А. Кириллов // Химическая физика. - 2007. - Т. 26, № 10. - С. 18-32.

99. Самсонов, Г.В. Ионный обмен. Сорбция органических веществ / Г.В. Самсонов, Е.Б. Тростянская, Г.Э. Елькин. - Л.: Наука, 1969. - 336 с

100. Смирнов, Н.Н. Исследование макрокинетики и массопереноса ионообменных процессов химической технологии: дис... док. тех. наук: 05.17.08 / Смирнов Николай Николаевич. - Л., 1979. - 323 с.

101. Туницкий, Н.Н. К теории динамики адсорбции и хроматографии. 1. Размытие хроматографических полос и фронта адсорбции / Н.Н. Туницкий, Е.П. Чернова // Журн. физ. химии.- 1950. - Т. 24, № 11. - С. 1350-1360.

102. Рудобашта, С.П. Диффузия в химико-технологических процессах / С.П. Рудобашта, Э.М. Карташов. - М.: КолосС, 2010. - 478 с.

103. Дубкова, Е.А. Процессы ионообменной адсорбции ионов двухвалентных металлов на природных адсорбентах: дис. ... канд. тех. наук: 05.17.08 / Дубкова Елена Андреевна. - Иваново, 2013. - 125 с.

104. Натареев, С.В. Массоперенос в системе с твердым телом. / С. В. Натареев, Н. Р. Кокина, О. С. Натареев, Е. А. Дубкова // Теор. основы хим. технологии. - 2015. - Т. 49, №1- С. 74-78.

105. Рудобашта, С.П. Математическое моделирование экстрагирования целевого компонента из тел цилиндрической формы в полунепрерывном процессе / С.П. Рудобашта, М.К. Кошелева, Э.М. Карташов // Инженерно-физический журнал. - 2016. - Т. 89, № 3. - С. 595-602.

106. Рудобашта С. П. Моделирование экстрагирования целевого компонента из тел сферической формы в полунепрерывном процессе / С.П. Рудобашта, М.К. Кошелева, Э.М. Карташов // Инженерно-физический журнал. - 2017. - Т. 90, № 4. - С. 841-849.

107. Диткин, В.А. Справочник по операционному исчислению / В.А. Диткин, А.П. Прудников. - М.: Высш. шк., 1965. - 466 с.

108. Быков, А.А. Изучение процессов ионного обмена в кольцевом адсорбере / А.А. Быков, С.В. Натареев, Д.Е. Захаров, О.С. Натареев // Актуальные проблемы управления и автоматизации в нефтехимии, нефтепереработке и энергетике: материалы Всерос. науч.-практич. конф., посвященной 70-летию Победы в Великой Отечественной войне. -Нижнекамск, 2015. - С. 52-56.

109. Натареев, С.В. Ионообменная адсорбция в аппарате с неподвижным кольцевым слоем ионита / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров, О.С. Натареев // Надежность и долговечность машин и механизмов: сб. материалов. Под ред. В.В. Киселева, С.А. Никитиной. - Иваново, 2015. -С. 78-81.

110. Натареев, С.В. Разработка конструкции аппарата с неподвижным кольцевым слоем ионита / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - 2018. -№ 2 (54). - С. 84-91.

111. Натареев, О.С. Моделирование и расчет процесса сушки влажных материалов в камерной сушилке: дис... канд. тех. наук: 05.17.08 / Натареев Олег Сергеевич. - Иваново, 2016. - 147 с.

112. Натареев, С.В. Массоперенос в телах классических форм в аппарате полного смешения полунепрерывного действия / С.В. Натареев, А.А. Быков, О.С. Натареев, Д.Е. Захаров // Журн. прикладной химии. - 2017. - Т. 90, вып. 2. - С. 180-186.

113. Пат. № 2657506 Российская Федерация. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов. / С.В. Натареев, В.А. Козлов, Т.Е. Никифорова, А.А. Быков, Д.Е. Захаров; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Иван. гос. хим.-тех. ун-т. - № 2017133411; заявл. 25.09.17; опубл. 25.09.18. Бюл. №17.

114. Кричевский, Г.Е. Химическая технология текстильных материалов / Г.Е. Кричевский, М.В. Корчагин, А.В. Сенахов. - М.: Легпромбытиздат, 1985. - 640 с.

115. СТО ВТИ 37.002-2005. Основные требования к применению ионитов на водоподготовительных установках тепловых электростанций. Технологические рекомендации по диагностике их качества и выбору. Дата введения 2006-01-01. - Челябинск: ООО «Центр безопасности труда». - 78 с.

116. ГОСТ 10896-78. Иониты. Подготовка к испытанию.- М.: ИПК Издательство стандартов, 1978. - 7 с.

117. Kocherbitov, V. ^drafton of microcrystalline cellulose and milled cellulose studied by sorption calorimetry / V. Kocherbitov, S. Ulvenlund, M. Kober, K. Jarring, T. Arnebrant // J. Phys. Chem. - 2008. - V. 112. - P. 3728-3734.

118. Васильев, В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1. Гравиметрический и титриметрический методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов / В.П. Васильев. - М.: Высш. шк. 1989. - 320 с.

119. Васильев, В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов / В.П. Васильев. - М.: Высш. шк. 1989. - 384 с.

120. Быков, А.А. Изучение свойств целлюлозосодержащего сорбента для очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов / А.А. Быков, И.Р. Бакиев, С.В. Натареев. // Актуальные вопросы естествознания: материалы I Межвуз. науч.-практич. конф., Иваново, 21 апреля 2016 г. - Иваново, 2016. -С. 11-13.

121. Быков, А.А. Исследование свойств сорбента на целлюлозной основе / А.А. Быков, Д.Е. Захаров, С.В. Натареев. // Сб. материалов I Международ. науч.-технич. конф. «Автоматизация, энерго- и ресурсосбережение в промышленном производстве». - Уфа: Нефтегазовое дело, 2016. - С. 250-251.

122. Полянский, Н.Г. Методы исследования ионитов / Н.Г. Полянский, Г.В. Горбунов, Н.Л. Полянская. - М.: Химия, 1976. - 208 с.

123. Быков, А.А. Адсорбент на основе целлюлозосодержащих компонентов для очистки воды от ионов тяжелых металлов / А.А. Быков, Д.Е. Захаров, С.В. Натареев // Сб. материалов Международ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный-2016», посвященной Году образования в Содружестве Независимых Государств. - Красноярск, 2016. - С. 12-13.

124. Захаров, Д.Е. Применение целлюлозосодержащих материалов для очистки растворов от ионов тяжелых металлов / Д.Е. Захаров, А.А. Быков, С.В. Натареев // Вестник науки и образования Северо-Запада России: научное рецензируемое электронное издание. - 2015. - Т. 1, № 2. - С. 1-4.

125. Захаров, Д.Е. Равновесие и кинетика ионного обмена на модифицированных целлюлозосодержащих адсорбентах / Д.Е. Захаров, А.А. Быков, Е.А. Дубкова, С.В. Натареев // Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки: материалы международ. науч.-практич. конф., посвященной 50-летию Нижнекамского химико-технологического института: в 2 -х т. Т. 1. - Нижнекамск, 2014. - С. 259-263.

126. Захаров, Д.Е. Природный сорбент на основе целлюлозосодержащих компонентов / Д.Е. Захаров, А.А. Быков, С.В. Натареев // VIII Всерос. науч.-практич. конф. молодых ученых с международ. участием «Россия молодая». - Кемерово: КузГТУ, 2016. - С. 13.

127. Захаров, Д.Е. Ионообменная адсорбция ионов тяжелых металлов на целлюлозосодержащем адсорбенте / Д.Е. Захаров, А.А. Быков, С.В. Натареев // Сб. материалов международ. науч.-практич. конф. «Приоритетные направления развития современной науки» - Махачкала, 2015. - С. 78-80.

128. Пат. 2655359 Российская Федерация. Адсорбер / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров, Т.Е. Никифорова, С.В. Беляев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Иван. гос. хим.-тех. ун-т. - № 2017134640; заявл. 03.10.17; опубл. 25.05.18. Бюл. №15.

129. Быков, А.А. Ионный обмен Cu2+-H+ в аппарате с кольцевым слоем катионита Levatit-S100 / А.А. Быков, Д.Е. Захаров, С.В. Натареев // Проспект Свободный - 2015: материалы науч. конф., посвященной 70-лентию Великой Победы. Отв. ред. Е.И. Костоглодова. - Красноярск, 2015. -С. 12-15.

130. Натареев, С.В. Ионный обмен в аппарате с неподвижным кольцевым слоем ионита / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров, Т.Е. Никифорова // Материалы III Всерос. науч. конф. с международ. участием «Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов». - Иваново, 2018. - С. 156-160.

131. Натареев, С.В. Динамика сорбции и десорбции ионов меди в кольцевом слое катионита / С.В. Натареев С.В., А.А. Быков, Д.Е. Захаров, О.С. Натареев // Изв. вузов «Химия и химич. технология». - Т. 58, № 10. -2015. - С. 73-76.

132. Кочетков, А.Е. Ионообменная очистка растворов и сточных вод от ионов двухвалентных металлов в аппарате с кипящим слоем ионита: дис

... канд. тех. наук: 05.17.08 / Кочетков Анатолий Евгеньевич. - Иваново, 2010. - 115 с.

133. Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии (системы с дисперсной твердой фазой) / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов. - Л.: Химия, 1990. - 384 с.

134. Дытнерский, Ю.И. Концентрационная поляризация при разделении растворов слаборастворимых солей обратным осмосом / Ю.И. Дытнерский, Е.А. Дмитриев, И.А. Щерев // Массообмен в химической технологии. Сб. науч. трудов. - Рига: Изд-во РПИ, 1986. - С. 130-140.

135. Чащина, О.В. Кинетика ионного обмена некоторых ионов тяжелых металлов / О.В., Чащина, Г.А. Катаев // Иониты и ионный обмен: сб. статей; отв. ред. А. В. Киселев. - М.: Наука, 1966. - С. 99-102.

136. Боршт, А.В. Исследование некоторых кинетических закономерностей ионного обмена, как основы инженерного метода расчета процесса: дис ... канд. тех. наук 05.17.08 / Боршт Александр Васильевич. -Л., 1974. - 144 с.

137. Натареев, С.В. Ионообменная адсорбция в однокамерном аппарате с кипящим слоем ионита / С. В Натареев., Р. П. Перов, А. А. Быков // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов VII Всерос. науч.-практич. конф., посвященной 50-летию со Дня образования учебного заведения и Году пожарной охраны России, Иваново; под общ. ред. В. В. Киселева. - Иваново, 2016. - С. 116-120.

138. Быков, А.А. Ионообменная адсорбция в однокамерном адсорбере с кипящим слоем ионита / А.А. Быков, О.С. Натареев, С.В. Натареев // Перспективы развития и современные проблемы образования, науки и производства: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию города Нижнекамск: в 2-х т. Т. 1. - Нижнекамск, 2016. - С. 130-134.

139. Натареев, С.В. Ионный обмен в аппарате кипящего слоя непрерывного действия / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров, Т.Е

Никифорова // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2017. - Т. 60, вып. 2. -С. 85-90.

140. Натареев, С.В. Ионообменное извлечение ионов двухвалентных металлов в тарельчатой колонне со взвешенным слоем катионита / С.В. Натареев, А.Е. Дубкова, Т.Е. Никифорова, О.С. Натареев, А.А. Быков // Изв. вузов «Химия и химич. технология». - 2015. - Т. 58, № 1. - С. 75-80.

141. Натареев, С.В. Ионообменная адсорбция ионов тяжелых металлов в пульсационной колонне / С.В. Натареев, А.А. Быков, С.В. Беляев // Сетевое издание ИПСА ГПС МЧС России «Пожарная и аварийная безопасность». - Иваново, 2016. - № 2. - С. 38-44.

142. Натареев, С.В. Ионный обмен в пульсационной колонне непрерывного действия / С.В. Натареев, А.А. Быков, Д.Е. Захаров. // Вектор науки ТГУ. - 2016. - № 4 (38). - С. 38-44.

143. ГОСТ 9.314.90 «Единая система защиты от коррозии и старения. Вода для гальванического производства и схемы промывок. Общие требования». М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 15 с.

144. Мазо, А.А. О регенерации некоторых отечественных ионитах / А.А. Мазо, Н.С. Анпилова, М.В. Парахневич, А.Е. Серебряков // Теория и практика сорбционных процессов. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1971. - № 6. - С. 106-109.

145. Мелешко, В.П. Исследование кинетики ионного обмена в водных и водно-сахарных растворах на сульфокатионите КУ-2. II Определение коэффициентов самодиффузии ионов с помощью измерений электропроводности ионитов / В.П. Мелешко, М.В. Рожкова // Теория и практика сорбционных процессов. - 1971, вып. 5. - С. 12-16.

146. Робинсон, Р. Растворы электролитов / Р. Робинсон, Р. Стокс-М.: Изд. иностр. лит. - 1963. - 648 с.

Приложения

Приложение 1

О 0,5 1,0 1,5

с^юК

кг-экв/м3

Рисунок П1 - Изотерма процесса ионного обмена Си2+-Н+ на катионите Lewatit S-1°° [132]

0 0,5 1 1,5 2

ср- Ю%

кг-эквЛ*3

Рисунок П2 - Изотерма процесса ионного обмена Н+-Си2+ на катионите Lewatit S-1°° [132]

т= с

Рисунок П3 - Кинетические кривые ионообменной сорбции ионов 0?+ на

катионите КУ-2-8ч: dз = 5,1^10-4 м; СЬ, н: 1 - 0,2; 2 - 0,1; 3 - 0,05 [65]

Рисунок П4 - Кинетическая кривая ионообменной сорбции ионов на катионите КУ-2: dз = 7,440-4 м; С0 = 0,006 н [135]

Рисунок П5 - Изотермы ионного обмена Си2+-Н+ на катионите КУ-2-8ч в Н-форме: Свх, н: 1 - 0,05; 2- 0,1; 3 - 0,2 [65]

Рисунок П6 - Кинетические кривые ионообменной сорбции ионов никеля на катионите КУ-2-8 в Н-форме [136]: 4 = 0,74 мм; С0, н: 1 - 0,2; 2 - 0,1

Таблица Т1 - Константы уравнения изотермы адсорбции Фрейндлиха [65]

Концентрация раствора С0, н 0,1 0,2

Тип иона Си2+ М2+ Си2+ М2+

к 2,6 5,25 5,45 4,32

а 0,15 0,213 0,378 0,29

Приложение 2

УТВЕРЖДАЮ: генеральный директор ООО «Ьидд-эксс»,-Ивановская область,

Фурч^.......... район.

д.

-____,.

АКТ ИСПЫТАНИЙ ИОНООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ КАТИОНИТД » ГСТОИЭВОДСТМЕ КОМПОЗИТНЫХ ПА1 ЦЕЛЕЙ

Настоящий акт составлен н том, чш 27 февраля 2017 г. на ООО «Ьнлдэкс» в иехе подгочивки алюминиевой ленты сотрудниками Ивановского государственного химико-теянологнческОга униве^нчега бшн прфедеыы испытании ионоо&мешп.ю аппаратом с вертикальным и КОКьцееым неподвижным слоем катионнта в технологических процесса водопад готовим. Е} качестье ионообменных матершлп нспояьзо'шлнсь кятиокнты I п основе хнтоэанв и модифицированных иолкнюзосолержщийх компонентов. Ионообменпие аппараты били р:коппаны по м стошке, учиты&ающен нелиней (гость разно эеснСи зависимости, кикеткчкшс закономерности ноьшйго обмена и йЬобснности движении шнока жмлкой фазы 1гсре1 неподвижный слой втнйенп.

Цель испытаний - установление ОффеКТНВНОСТИ процесса умягчения грмрпднюй воды с гн№то1ЩЬК> кагшонн пав кэ природных материалов. Оспонныс режимные ппрамггры рпЕктл.! ионообменных аппаратов и результаты испытаний катионнтои ла основе хииви» и целлюлоэосодержащнх компонентов в процессах ум!пкния природной воды К^жл^им п таблице.

Таблица. Результаты промышленный испытаний ионообменных аппаратов с неподвижным СЛО^М катионн

11и11м£1ШиН1НС (.'.'! !■

Оч шшгемая срсда_

Прошполщсльносп. ш шарага по жилкой фяш ^ м

Состав клтнолита

Оиъим сорбснта в аппар^пц; V

[113М<Уф Д11»[ЦЗЛТД. м

Высота аппарата, м

Вмсша (ширина) е;н>я кешишнтн в аппарате, м

Мщпа жисЕКйсл. нс\(>г1ИиЛ води.

м ¡-дкв/л______

О^щдя -шчкйа^очшлилюГ води, м г-экв/л

Значение ПОКЯЧЛЧ^ЛЯ

Вертикальный щедрбер

ЛрИрОДЯ^ тин

КольпевоЕ! йлсорбср

Хитоган н огходы

1,2Й

0.1

ол

0.!б

Хнтозан юльняное

ММОКИО

1.1

"0,21

0.15

0,03

5.1

П.5

0.7

Заключение

], Р&чрайотанные методик!* расчета км партии с нсполннжным спо^й ктноннта ¡рекомендованы для определения чихнологнческнх парт метров процессов умягчекия води

2, Применение аппаратов с неподвижным слоем катионнта на основе природных материалов ношилясг получать умягченную воду, соответствующуютребованиям для производства композитных панелей, .1, РечультатьЕ промышленный испытаний позволяют рекомендовать катионнты 1ш основе хитозана и модифиш1ро£(анних древесных отходов, дослана п модифицированной* льняного аолохна лри умягчеанл природ мой волы в производстве композитных панелей.

От предприятия; Заместичтещ^ р5ил,ного днректд^й I !'

Алексеев Л,В.

И^ИЮЛ

Пол ищу к Л.Р-

От Ш ХТУ: аспирант ¡¿ЫКОВ Л.А,

а£ппртшт ' Захара Д.Е.

мш'нд^рант^^-уГоляков Р.и,

Снроткнп А. А.