Исследование процесса электродиализного обессоливания растворов содержащих хлорид- и нитрат-ионы с применением различных анионообменных мембран

Исследование процесса электродиализного обессоливания растворов содержащих хлорид- и нитрат-ионы с применением различных анионообменных мембран

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра физической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Исследование процесса электродиализного обессоливания растворов содержащих хлорид- и нитрат- ионы с применением различных анионообменных мембран

Работу выполнила

Склярова А.А.

Научный руководитель Заболоцкий В.И.

Краснодар 2013

Содержание

Введение

. Обзор литературы

.1 Нитраты и их влияние на природу

.2 Загрязнение почвы нитратами

.3 Экологические последствия распространения нитратов

.4 Электродиализ как метод удаление ионных примесей из растворов

. Экспериментальная часть

2.1       Объект и методика исследования

3 Результаты и обсуждение

4. Список используемой литературы

Введение

В последнее время усиливающиеся антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к тому, что количество вредных для человека солей и ионов в продуктах питания и воде растет. К одним из таких ионов относятся нитрат-ионы.Они способны накапливаться в почве и воде, что становится экологическим фактором, определяющим не только режим питания растении, обмен веществ и продуктивность, но и качество урожая, воды и воздуха.

Содержание нитратов в избыточных количествах ухудшает биологическое качество растительной продукции. Нитраты являются канцерогенами, поэтому их содержание в продуктах жестко регламентируется различными стандартами.В связи с этим возрастает необходимость использования высокоэффективных промышленных процессов для удаления подобных солей. Одним из таких процессов является электродиализ.

1. Обзор литературы

1.1 Нитраты и их влияние на природу

Нитраты - это соли азотной кислоты, которые накапливаются в продуктах и воде при избыточном содержании в почве азотных удобрений, а также попадании кислотных дождей. Азотная кислота, прародитель нитратов, является самым сильным окислителем. Основные источники нитратов в ненарушенных агроландшафтах - органическое вещество почвы, минерализация которого обеспечивает постоянное образование нитратов. Скорость минерализации органического вещества зависит от его состава, совокупности экологических факторов, степени и характера землепользования. Поэтому динамика нитратов в земных экосистемах определенным образом связана с малым биологическим круговоротом азота.

Сельскохозяйственное использование почвы приводит к уменьшению запасов органического азота. Убыль почвенного азота усиливается при проведении агротехнических мероприятий, стимулирующих минерализацию органического вещества (севообороты с паром и пропашными культурами, интенсивная обработка почвы, внесение повышенных доз минеральных удобрений). В этой связи роль почвенного азота в загрязнении природных вод нитратами и в накоплении растениями, по-видимому, более существенная, чем считалось до сих пор.

1.2 Загрязнение почвы нитратами

Если в почве наблюдается недостаток азота, то замечается замедление роста растений, мельчают листья, иногда окрашиваются в желто-зеленые или бледные тона (хлороз листьев). Нехватка азота часто наблюдается на любых почвах, где не хватает удобрений.

Основными источниками нитратов в почве являются:

·        Минеральные удобрения - соли азотной кислоты (селитры). И в наше время широко применяются в сельском хозяйстве;

·        Вносимые природные удобрения и гниющие растения.Растительное сырье, перегнивая в почве, служит природным источником азотистых соединений.

Необходимая и безопасная доза азота- 0,5-1кг на каждую сотку. Избыток азота уходит из почвы в виде газа-аммиака, также нитраты хорошо растворяются в воде.

Растения усваивают азот из почвы. При правильном азотном питании растения хорошо растут и развиваются. Азот используется для синтеза белков - основы жизнедеятельности всякого организма. У плодовых деревьев и ягодных кустарников он не только повышает урожай, но и улучшает качество плодов.Азот усваивается растениями после нитрификации - процесса превращения азотосодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями:

Аммиак - Нитриты - Нитраты.

Среди многих причин, обусловливающих накопление нитратов в растениях, следует выделить следующие:

·        видовая и сортовая специфика накопления нитратов;

·        условия минерального питания,

·        почвенно-экологические факторы.

Зачастую факторы, способствующие накоплению нитратов, воздействуют в комплексе, что осложняет прогнозирование уровня. Наиболее интенсивно азот поглощается во время роста и развития стеблей и листьев. При созревании семян потребление азота из почвы практически прекращается.

Способность к накоплению нитратов у разных растений неодинакова. Наиболее выражена она у листовых овощей - салатов, капусты, зеленых культур, а также у корнеплодов; в меньшей степени - у томата, баклажана, перца. Тыквенные культуры - кабачок, патиссон, огурец, тыква, арбуз и дыня - склонны к накоплению нитратов и наиболее чувствительны к изменению внешних условий выращивания. Количество накопленных нитратов во многом определяется сбалансированностью минерального питания, интенсивностью освещенности, температурным режимом и влажностью, а также сортовыми особенностями.

1.3 Экологические последствия распространения нитратов

Избыточное количество нитратов вызывает не нормальный ход функционирования природных экосистем и живых организмов, происходит снижение биологической ценности продукции и возрастает негативное воздействие на человека и животных. Образование и накопление нитратов в почве и в воде становится экологическим фактором, определяющим не только режим питания растений, обмен веществ и продуктивность, но и качество урожая, воды и воздуха.

Содержание нитратов в избыточных количествах ухудшает биологическое качество растительной продукции, создает потенциальную опасность для здоровья человека и животных.

1.4 Электродиализ как метод удаление ионных примесей из растворов

Электродиализ - это процесс мембранного разделения, при котором ионы переносятся через мембрану под действием внешнего электрического поля. Принципиальная схема электродиализатора представлена на рисунке 1. Мембранный пакет, образованный чередующимися катионо- (КОМ) и анионообменными (АОМ) мембранами поляризуется плоскопараллельными катодом и анодом, вынесенными за пределы пакета. Обрабатываемый раствор прокачивается вдоль мембран. Под действием электрического поля, направленного перпендикулярно мембранам, катионы К⁺ переносятся через катионообменную мембрану, а анионы А^- - через анионообменную мембраны, образующие камеры обессоливания (КО) и концентрирования (КК).

Рисунок 1 - Принципиальная схема электродиализатора

При наложении электрического поля на мембранную систему ионы сильных электролитов посредством миграции, диффузии и конвекции доставляются к межфазной границе и переносятся через ионообменную мембрану.

Разные числа переноса ионов в мембранах и в растворе позволяют обессоливать и концентрировать растворы электролитов, а также разделять ионные смеси.

2. Экспериментальная часть

.1 Объект и методика исследования

Для изучения процесса разделения однозарядных (хлорид и нитрат) и разнозарядных (сульфат и нитрат) ионов с применением разработанных мембран применялся электродиализатор с двухкамерной элементарной ячейкой мембранный пакет, которого состоял из чередующихся анионообменных мембран (промышленных и полученных в данной работе) икатионообменных мембран МК-40, характеристики которого представлены в таблице 1.

Таблица1 - Характеристикиэлектродиализатора

*мембрана МА-41 с нанесенной на поверхность катионообменнойпёнкой МФ-4СК тол

Камеры были заполнены сетчатым сепаратором-турбулизатором для предотвращения прогиба мембран из-за разности давлений в камерах и увеличения предельного электродиффузионного тока на мембранах вследствие уменьшения толщины диффузионных слоев около мембран. Свободный объем каждой камеры, не занятый сепаратором-турбулизатором, составлял 80 % от объема камеры.

Проточность по камерам концентрирования и обессоливания поддерживалась постоянной и равной 30 л/ч, по электродным камерам - достаточной для удаления образующихся в процессе работы газов.

Исследования проводились на растворе хлорида натрия с концентрацией 10 г/л и на смешанных растворах хлорид натрия/нитрат натрия (5 и 5 г/л). При этом мольное соотношение компонентов составляло 1:1,75.

По результатам экспериментов строили зависимости концентрации солей в тракте обессоливания от времени. По этим зависимостям рассчитывали производную количества вещества по времени , затем дифференциальный выход по току

где n - число парных камер, шт.; I - сила тока, А;F - число Фарадея, Кл/моль.

3. Результаты и обсуждение

нитрат азотный кислота электродиализ

Результаты исследований процесса электродиализного обессоливания хлорида натрия, показывают, что все изученные анионообменные мембраны примерно одинаковы (рис. 2). Чуть лучшие результаты показывает мембрана RalexAMH, что может быть связано с большей долей активной поверхности данной мембраны, по сравнению с мембраной МА-41. Чуть худшие результаты показывает мембрана МА-41с, диффиренциальный выход по току по ионам хлора на данной мембране ниже на 10-20% по сравнению с немодифицированными мембранами. Очевидно этот эффект вызван затруднениями как в диффузионном, так и в миграционном механизмах транспорта анионов через плёнку катионообменника на поверхности анионообменной мембраны.

При этом интегральные выходы по току, рассчитанные из начальной и конечной точек процесса для мембран RalexAMH, МА-41 и МА-41ссоставляют - 0,94; 0,88; 0,87 соответственно. Таким образом, в выбранных условиях проведения эксперимента модифицированная мембрана практически идентична исходной, что делает возможным её применение в электродиализе.

Рисунок 3 - Зависимость выхода по току от концентрации хлорида натрия в обессоливаемом растворе

При обработке раствора содержащего смесь нитрата натрия и хлорида натрия для всех мембран наблюдается некоторое снижение выхода по току по хлориду натрия (рис. 3). Этот эффект вызван присутствием двух сортов анионов в растворе, что приводит к их конкурентному переносу через анионообменную мембрану. Особенно сильно этот эффект выражен для разработанной мембраны МА-41с, что связано с её большей селективностью книтрат ионам по сравнению с другими исследованными мембранами (рис. 4).

Рисунок 4 - Зависимость выхода по току по хлориду натрия от его концентрации в обессоливаемом растворе (смесь хлорида натрия и нитрата натрия)

Рисунок 5 - Зависимость выхода по току по нитрату натрия от его концентрации в обессоливаемом растворе (смесь хлорида натрия и нитрата натрия)

Повышение селективности разработанной мембраны книтрат ионам, объясняется повышением гидрофобности поверхности анионообменной мембраны. При этом происходит облегчение транспорта менее гидратированных ионов (нитрат ионов) по сравнению с более гидратированными хлорид ионами. Однако стоит отметить, что такое модифицирование позволяет разделить лишь смеси с высокой концентрацией компонентов. Из приведённых данных видно, что с разбавлением раствора суммарное число переноса анионов через анионообменную мембрану становится меньше единицы и при концентрации хлорида натрия равной 2,1 г/л и нитрата натрия равной 0,2 г/л суммарный выход по току, по анионам составляет 0,64. Из приведённых выше данных по числам переноса в растворе хлорида натрия с концентрацией 0,01 М (рис. 5, кривая 1) следует, что число переноса продуктов диссоциации воды через разработанную мембрану может достигать 0,5-0,6, при той же плотности тока, что была использована в эксперименте по электродиализу.

4. Список используемой литературы

1.    Гнусин, Н.П. Конвективно-диффузионная модель процесса электродиализного обессоливания. Предельный ток и диффузионный слой / Н.П. Гнусин, В.И. Заболоцкий, В.В. Никоненко, М.Х. Уртенов // Электрохимия. - 1986. Т.22, № 3. - С.298-302.

2.      Гребенюк, В.Д. Электродиализ. - Киев: Техника, 1976. - 160 с.

.        Заболоцкий, В.И. Перенос ионов в мембранах / В.И. Заболоцкий, В.В. Никоненко. - М.: Наука, 1996. - 390 с.

.        Шапошник, В.А. Явления переноса в ионообменных мембранах / В.А. Шапошник, В.И. Васильева, О.В. Григорчук. - М.: Изд-во МФТИ, 2001. - 200 с.