Adsorpce při úpravě vody

1

Adsorpce při úpravě vody 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 při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

3

Adsorpce při úpravě vody 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) Pivokonský, ÚŽP PřF UK

4

Adsorpce při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

5

Adsorpce při úpravě vody


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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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

Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

10

Adsorpce při úpravě vody 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

Adsorpce při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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) Pivokonský, ÚŽP PřF UK

14


Adsorpce při úpravě vody 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. Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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. Pivokonský, ÚŽP PřF UK

18

Adsorpce při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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


Adsorpce při úpravě vody 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) Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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. Pivokonský, ÚŽP PřF UK

22

Adsorpce při úpravě vody 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

Adsorpce při úpravě vody 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

Adsorpce při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

25

Adsorpce při úpravě vody 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) Pivokonský, ÚŽP PřF UK

27

Adsorpce při úpravě vody 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 Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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

Adsorpce při úpravě vody 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

Adsorpce při úpravě vody  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


Adsorpce při úpravě vody 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

Adsorpce při úpravě vody 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) Pivokonský, ÚŽP PřF UK

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

Recommend Documents