Ионный обмен

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Ионный обмен — это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита. Ионный обмен может происходить как в гомогенной среде (истинный раствор нескольких электролитов), так и в гетерогенной, в которой один из электролитов является твёрдым (при контакте раствора электролита с осадком, ионитом и др.).

Катио́нный обмен — частный случай ионного обмена, под которым в химии понимают обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами.

[Править] Основные принципы ионного обмена

Ионный обмен основан на использовании ионитов — сетчатых полимеров разной степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры, ковалентно связанных с ионогенными группами. Обменивающиеся ионы называются противоионами. Иониты состоят из неподвижного каркаса — матрицы и функциональных групп — фиксированных ионов, которые жестко прикреплены к матрице и взаимодействуют с противоионами. В зависимости от знака заряда противоионов иониты делят на катиониты и аниониты. Если противоионы заряжены положительно, то есть являются катионами (например, ионы водорода Н⁺ или ионы металлов), ионит называют катионитом. Если противоионы заряжены отрицательно, то есть являются анионами (например, ион гидроксила ОН- или кислотные остатки), ионит называют анионитом.

[Править] Кинетика ионного обмена

Кинетика ионного обмена определяет скорость протекания ионообменной реакции. На скорость ионного обмена влияют следующие факторы:

• доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита,

• размер гранул ионита,

• температура,

• концентрация раствора и т. д.

Общая скорость процесса ионного обмена может быть представлена как совокупность процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к зерну и от зерна ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру зерна ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора). В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды, доминирующим фактором, определяющим скорость ионного обмена, является диффузия ионов внутри зерна ионита. Следовательно, скорость ионного обмена, прежде всего, зависит от размера зерна ионита и увеличивается с уменьшением размера зерна. В зависимости от природы матрицы различают неорганические и органические иониты.

Кроме того, под ионным обменом подразумевают:

1. Реакции и процессы разделения, выделения и очистки веществ, проводимые с применением ионообменных материалов: ионообменных смол, цеолитов, и др.

2. Процессы обмена ионов между почвами и содержащейся в них (омывающей их) водой.

Регенерация ионитов

3. Поскольку реакции (2.1–2.3, 2.4–2.6) обратимые, имеется возможность, обрабатывая насыщенный ионит раствором, содержащим наиболее легкие ионы Na⁺ или H⁺ для катионита (т. е. кислоту или соль) и ОН ^– или Cl ^– для анионита (т. е. щелочь или соль) в высокой концентрации, вытеснить из него сорбированные ионы и восстановить его сорбционную (поглотительную) способность [ 1, 3, 6, 8, 198–213, 220, 221, 227, 229–233, 237 ] .

4. Эффективность регенерации слабо и сильно диссоциированных ионитов существенно различается. Как отмечалось выше, слабо диссоциированные иониты могут быть регенерированы практически без избытка кислоты или щелочи. Сильно диссоциированные иониты требуют обязательного избытка. Чем выше желательная степень регенерации и, следовательно, рабочая емкость, тем больше должен быть этот избыток

5. Регенерация может проводиться при движении регенерирующего раствора через слой ионита в том же направлении, что очищаемый раствор – прямоточная регенерация, или в противоположном – противоточная регенерация .

6. Параллельноточная (прямоточная) регенерация (рис.) наиболее просто осуществима, поэтому и наиболее распространена. Однако для достаточно полного вытеснения всех катионов из слоя ионита она требует существенного (2–3-кратного) избытка регенерирующего агента. Из-за «размазывания» наиболее сорбируемых ионов по слою ионита, они оказываются в результате в нижней части его слоя, там, где из него выходит очищенная вода; качество очистки, особенно в первое время, оказывается недостаточно высоким.

7. Противоточная регенерация (рис. ) реализуется сложнее (см. ниже). Она может производиться с минимальным расходом реагентов (избыток от 1,1) и объемом отходов. Поскольку очищаемый раствор на выходе из фильтра контактирует с наиболее регенерированным ионитом, качество очистки максимально.

8. 

9. Рис. Распределение ионов в слое катионита при сорбции ( а ), прямоточной ( б ) и противоточной ( в ) регенерации

3. Расчет и проектирование аппаратов инерционной очистки газов от аэрозолей.Приближенный расчет пылеосадительных камер заключается в следующем. Продолжительность прохождения  (в с) газами осадительной камеры при равномерном распределении газового потока по ее сечению составляет:

10. гдеV_к – объем камеры, м³; V_г – объемный расход газов, м³/с; L – длина камеры, м; В – ширина камеры, м; Н – высота камеры, м.

11. При приближенном расчете осадительных камер принимают, что частицы движутся вдоль камеры со скоростьюw_n , равной скорости газового потока w_r , и одновременно опускаются вниз со скоростью, равной скорости витания w_в. Для осаждения частица должна достичь дна раньше, чем газовый поток вынесет ее из камеры, поэтому время ее осаждения ₁ = H/w_в не должно превышать времени ее пребывания в камере ₁ = L/w_r :

12. Выражая скорость газа через расходV_г, деленный на площадь поперечного сечения камеры Н  В, получим

13. откуда следует, что

14. Находим предельное количество газа, которое можно пропустить через камеру при условии осаждения частиц диаметромd.

15. Решая обратную задачу, можно найти диаметр частиц, которые будут осаждаться при пропускании через камеру расхода газа V_г.

16. 

18. Рис. 11. Схема пылеосадительной камеры

19. Решающую роль при осаждении играет площадь дна камеры, увеличение которой существенно улучшает условия осаждения. Уменьшение высоты камеры без увеличения площади дна камеры ничего не дает, так как одновременно уменьшается площадь поперечного сечения камеры, а следовательно, растет скорость газа и сокращается время пребывания частицы в камере.

20. Скорость осаждения частиц можно определить по диаграмме для определения скорости осаждения частиц в воздухе.

21. Фракционная эффективность пылеосадительных камер определяется отношением h/H, где h – путь, который пройдет частица за время  при средней скорости падения _ср(м/с):

22. h = w_ср  .

23. Если величина h больше или равна величине H, то все частицы, имеющие скорость осаждения w_ср (и более крупные), улавливаются в камере. Эффективность улавливания частиц данного размера можно выразить в виде

24. гдеw_r - скорость газа, м/с.

25. Фракционная эффективность многосекционной (с горизонтальными полками) камеры

26. где n – число секций в камере.

4.

Системы экологического менеджмента: основные понятия и принципы

Международная Организация Стандартизации (the International Organisation for Standardisation) - федерация, объединяющая национальные организации стандартизации всего мира, в которой Российскую Федерацию представляет Госстандарт. ИСО разрабатывает и выпускает международные стандарты, относящиеся к различным областям деятельности. Обычно каждую группу документов, объединенных единой идеей, разрабатывает соответствующий технический комитет.

В 1991 году Международная Организация Стандартизации сформировала так называемую Группу стратегии по окружающей среде. Позднее, в 1993 году был сформирован технический комитет по экологическому менеджменту ISO/TC 207.

Комитет ISO/TC 207, в настоящее время возглавляемый госпожой Маргарет Керр, разрабатывает стандарты серии ISO 14000 в области экологического менеджмента. Серия ISO 14000 тесно связана с выпущенной ранее серией ISO 9000, устанавливающей международные стандарты всеобъемлющего менеджмента качества (TQM).

Таким образом, международные стандарты серии ISO 14000 устанавливают требования к системам экологического менеджмента с тем, чтобы дать организациям (компаниям, предприятиям, производителям) инструмент для разработки политики и определения задач сокращения воздействия на окружающую среду.

По мнению разработчиков (технического комитета ISO/TC 207) стандарты ISO 14000 применимы в деятельности любой организации, ставящей целью свой деятельности.

• внедрение, обеспечение устойчивого функционирования и улучшение эффективности системы экологического менеджмента;

• обеспечение соответствия разработанной самой организацией и открыто декларированной экологической политике;

• демонстрацию такого соответствия другим сторонам (прочим организациям, потребителям, партнерам, населению);

• получение сертификата соответствия или официальную регистрацию системы экологического менеджмента специально уполномоченными органами;

• самостоятельную оценку деятельности и степени ее соответствия международным стандартам в области экологического менеджмента.

Во всех документах серии ISO 14000 используются понятия и определения, специфицированные в Глоссарии (ISO 14050). Часть терминов, трактующихся не совсем привычным образом, помещена в сборник раздаточных материалов.

Необходимые понятия и определения

Постоянное улучшение (постепенное) - процесс улучшения системы экологического менеджмента (далее EMS), направленный на достижение лучших экологических показателей деятельности организации в соответствии с ее экологической политикой. Подразумевается, что процесс такого улучшения не обязательно должен происходить во всех областях деятельности организации одновременно.

Окружающая среда - среда, в которой организация функционирует, включая воздух, воду, землю, природные ресурсы, флору, фауну, человеческое общество и их взаимосвязи. Отметим, что в Постатейном комментарии к Закону РФ "Об охране окружающей природной среды" термин окружающая природная среда трактуется как естественная среда обитания человека, биосфера, служащая условием, средством и местом жизни человека и других живых организмов; в широком смысле слова включает природу (естественные экосистемы) и окружающую среду как ту часть естественной среды, которая преобразована в результате человеческой деятельности. Таким образом, в контексте ISO 14000 окружающая среда понимается как среда, окружающая собственно организацию (предприятие), а общество (жители) рассматривается как элемент среды, на который оказывается, как и на другие элементы, воздействие.

Воздействие на окружающую среду - любое изменение в окружающей среде (как отрицательное, так и положительное) полностью или частично являющееся результатом деятельности организации или производимых ею продукции и услуг. Толковый словарь по охране природы трактует воздействие на окружающую среду (отрицательное антропогенное воздействие на окружающую среду) как любые потоки вещества, энергии и информации, непосредственно образующиеся в окружающей среде или планируемые в результате антропогенной деятельности и приводящие к отрицательным изменениям окружающей среды и последствиям этих изменений.

Система экологического менеджмента (EMS) - часть общей системы менеджмента, которая включает организационную структуру, планирование, распределение ответственности, практическую деятельность, процедуры (приемы), процессы и ресурсы, необходимые для разработки, внедрения, достижения целей экологической политики, ее пересмотра и корректировки.

Аудит системы экологического менеджмента - процесс систематической документированной проверки и оценки объективным путем установленных показателей, предпринимаемый с целью установления соответствия характеристик EMS специально установленным организацией критериям такой оценки; результаты аудита EMS должны быть доведены до менеджеров.

Экологический аудит - систематический документированный процесс проверки, заключающийся в получении объективным путем и оценке свидетельств аудирования: экологический аудит направлен на установление соответствия экологически значимых видов деятельности, событий, условий, систем менеджмента или информации по этим вопросам критериям аудирования; результаты этого процесса доводятся до сведения клиента. В Российской Федерации вышел ряд публикаций, посвященных вопросам экологического аудирования. В этих работах экологическое аудирование определено как квалифицированный независимый анализ, оценка, разработка соответствующих рекомендаций и предложений по фактическим результатам любой экологически значимой деятельности, проводимые небольшими группами специалистов в сжатые сроки. Отметим, что в английских текстах используются два термина, а именно environmental и audit environmental auditing. Причем аудит означает собственно процесс проверки, а аудирование скорее относится к виду деятельности. Например, стандарт ISO 14010 назван "Guidelines for environmental auditing - General principles", то есть речь идет о руководстве для проведения экологических аудитов, то есть для развития этой деятельности.

Экологическая цель - общая экологически значимая цель деятельности организации, установленная экологической политикой этой организации, степень достижения которой оценивается в тех случаях, когда это практически возможно.

Экологические показатели деятельности организации - измеряемые результаты функционирования системы экологического менеджмента, относящиеся к вопросам контроля воздействия на окружающую среду в соответствии с целями и задачами организации, установленными ее экологической политикой.

Экологическая политика - определенная организацией совокупность намерений и принципов в отношении экологических показателей ее деятельности, которая создает основу для разработки конкретных целей и задач. В толковом словаре по охране природы дано следующее определение: "Политика экологическая - совокупность способов достижения поставленных экологической стратегией целей и задач". При этом экологическая стратегия определена как совокупность конкретных целей и задач, рассчитанных на реальные возможности и сроки их достижения, в области охраны окружающей среды и использования природных ресурсов

Экологическая задача (задача экологической деятельности) - детальное требование в отношении экологических показателей деятельности организации в целом или ее подразделений, которое следует из установленной экологической цели деятельности организации и подлежит выполнению в порядке достижения этой цели.

Заинтересованная сторона - личность или группа лиц, озабоченных или подвергшихся воздействию, связанному с экологическими показателями деятельности организации.

Организация - компания, корпорация, фирма, предприятие, учреждение, орган власти, их часть или комбинация, объединенная с другими или нет, частная или государственная, которая выполняет свои функции и имеет систему управления. В том случае, если в организацию входят несколько структурных единиц, такие единицы (подразделения) могут рассматриваться как организации.

Предотвращение загрязнения - использование процессов, материалов, практических приемов, продукции таким образом, чтобы избежать, сократить или принять контрольные меры в отношении загрязнения; включает рециклирование, переработку, изменение технологических процессов, механизмы контроля (извлечения загрязняющих веществ, улавливания, очистки, но не наблюдения и/или измерения параметров), эффективное использование ресурсов, замену сырья и материалов. Выгодность предотвращения загрязнения определяется возможностью сокращения воздействия на окружающую среду, увеличения эффективности и уменьшением затрат на производство (продукции, услуг и т.п.).

Основные принципы и элементы системы экологического менеджмента (EMS)

Принцип первый: Обязательства и политика

Организация должна определить свою экологическую политику и обеспечить выполнение обязательств в отношении функционирования EMS.

Принцип второй: Планирование

Организация должна разработать план (программу) достижения целей и выполнения задач экологической политики.

Принцип третий: Реализация

Для эффективной реализации экологической программы организация должна определить и изыскать возможности и механизмы, необходимые для достижения целей и выполнения задач экологической политики.

Принцип четвертый: Оценка и измерение

Организация должна обеспечить необходимые оценку, мониторинг и измерение экологических показателей своей деятельности.

В этом смысле систему экологического менеджмента следует рассматривать как организующую структуру, которая должна находиться под постоянным наблюдением.

Принцип пятый: Проверка и улучшение

Организация должна проверять и постоянно улучшать свою систему экологического менеджмента.

5. оксиды азота (NO2).

Первая помощь: должна проводиться в состоянии полного покоя больного по описанным выше принципам (покой, тепло, непрерывное вдыхание кислорода). Для уменьшения мучительного кашля - кодеин или дионин. Внутривенно - 1- мл 10 % раствора глюконата кальция. Банки на спину.

Билет № 16

1. Шумовое (акустическое) загрязнение (англ. Noise pollution, нем. Lärm) — раздражающий шум антропогенного происхождения, нарушающий жизнедеятельность живых организмов и человека. Раздражающие шумы существуют и в природе (абиотические и биотические), однако считать загрязнением их неверно, поскольку живые организмы адаптировались к ним в процессе эволюции.

Главным источником шумового загрязнения являются транспортные средства — автомобили, железнодорожные поезда и самолёты.

В городах уровень шумового загрязнения в жилых районах может быть сильно увеличен за счёт неправильного городского планирования (например, расположение аэропорта в черте города).

Помимо транспорта (60÷80 % шумового загрязнения) другими важными источниками шумового загрязнения в городах являются промышленные предприятия, строительные и ремонтные работы, автомобильная сигнализация, собачий лай, шумные люди и т. д.

С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.

Более половины населения Западной Европы проживает в районах, где уровень шума составляет 55÷70 дБ.

2. Электрохимические методы очистки Преимущества электрохимических методов очистки

Наиболее широко распространенные в мире методы очистки питьевой воды и отработанных водных растворов основаны на моделировании природных процессов - фильтрации, сорбции, ионного обмена. Однако, установки в которых реализованы указанные процессы, нуждаются в регенерации и периодической замене основного рабочего элемента: фильтров, сорбентов, ионообменных смол. При этом возникают проблемы с утилизацией отработанных материалов, а также сохраняется необходимость восполнения их потерь путем производства из невозобновляемых сырьевых запасов новых материалов взамен отработанных. Очевидно, стратегия наименьшего экологического ущерба при сохранении достигнутого уровня жизни населения Земли или при его улучшении, должна быть основана на использовании технологий, позволяющих обеспечить минимально возможное вовлечение в производственно-хозяйственную деятельность человека природных минеральных сырьевых ресурсов, которые в естественном состоянии (месторождения полезных ископаемых) не представляют угрозы окружающей среде, но после серии различных технологических преобразований рассеиваются в виде растворимых в воде соединений. Одним из естественных процессов, имеющих самое широкое распространение в живой и неживой природе является электрохимическое преобразование веществ, т.е. окислительно-восстановительные реакции, связанные с удалением или присоединением электрона. Этот природный процесс более эффективен в сравнении с вышеназванными. Теоретические расчеты показывают, что потенциальные возможности электрохимического кондиционирования воды (очистки, умягчения, опреснения, обеззараживания и т.д.) более чем в 100 раз превосходят фильтрационные, сорбционные и ионообменные методы по экономичности, скорости и качеству. Кроме того, электрохимические реакции позволяют без дополнительных затрат химических реагентов преобразовать пресную или слабосолоноватую природную воду в высокоактивный технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми функциональными свойствами.