книги / Общая химическая технология. Лабораторный практикум

фильтрации с помощью винтового зажима 7. Избыточное количество воды удаляют, оставляя 1 см воды над поверхностью смолы, не изменяя положение винтового зажима. Протекание воды останавливают с помощью зажима Мора.

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 – напорная емкость с очищаемой водой; 2 – стеклянная трубка; 3 – винтовой зажим;

4 – адсорбционная колонка; 5 – поглотитель; 6 – фильтр; 7 – винтовой зажим; 8 – стакан для отбора проб; 9 – штатив

Затем колонку заполняют очищаемой водой из напорной емкости 1 с помощью винтового зажима 3 так, чтобы уровень воды над смолой не превышал 10–15 см. Снимают зажим Мора.

Фильтрат непрерывно собирают порциями в несколько измерительных цилиндров. Количество и объем отбираемых проб задает преподаватель.

31

В зависимости от вида используемого ионита (анионита или катионита) применяют разные методы контроля проб.

Определение обменной емкости анионита

В лабораторной работе используется анионообменная смола в ОН-форме (анионит). Процесс обработки воды анионитом заключается в связывании анионов сильных и слабых кислот по следующим реакциям:

R-OH + Cl– = R-Cl + OH–,

2(R-OH) + SO24 = 2(R-SO4) + 2OH–.

Когда ионы ОН– будут вытеснены, начнется проскок ионов Cl–, SO24 , и содержание анионов кислот в воде после

фильтрата будет постепенно подниматься до уровня их содержания в исходной воде. Для восстановления обменной емкости анионита его регенерируют раствором щелочи.

Метод контроля на хлор-ион. Методы анализа на хлор-

ион основаны на образовании слабодиссоциированной хлорной ртути при добавлении к раствору, содержащему хлориды, ионов ртути (II) виде азотнокислой ртути. В качестве индикатора используют смешанный индикатор (смесь дифенилкарбазона и бромфенолового синего) или нитропруссид натрия.

Определение хлор-иона с дифенилкарбазоном. В качестве индикатора в коническую колбу на 250 см3 отбирают 5 см3 исследуемой воды. Добавляют 50 см3 дистиллированной воды, 6–8 капель смешанного индикатора, затем по каплям 0,2 н раствора азотной кислоты до перехода окраски из сине-зеленой в желтую и приливают еще кислоту, доводя значение рН до 2,0. Для сильно кислых проб, окрашивающихся после прибавления индикатора в желтый цвет, необходимо добавить 0,1 н раствор NaOH до появления сине-зеленой окраски. Затем пробу подкисляют азотной кислотой и титруют 0,01 н раствором

32

нитрата ртути (II) до перехода окраски из желтой в фиолетовую. Количество хлоридов в пересчете на хлор рассчитывается по формуле

где СCl – количество хлоридов, мг-экв/дм3; V – расход 0,01 н раствора азотнокислой ртути, пошедшей на титрование исследуемой пробы, см3; K – коэффициент поправки раствора нитрата ртути; N – нормальность раствора нитрата ртути; a – аликвота пробы, см3.

Определение хлор-иона с нитропруссидом натрия в качест-

ве индикатора. В коническую колбу на 250 см3 помещают 2 см3 анализируемой пробы, добавляют 50 см3 дистиллированной воды и 2 см3 0,2 н раствора азотной кислоты для создания рН, равного 2–3 (контроль по универсальной индикаторной бумаге). Далее приливают 6–8 капель нитропруссида натрия и титруют 0,01 н раствором нитрата ртути (II) до устойчивой неисчезающей мути. Концентрацию хлор-иона рассчитывают по формуле (1).

Метод контроля щелочности. Для определения щелоч-

ности в коническую колбу на 250 см3 помещают 5 см3 анализируемой воды и 50 см3 дистиллированной воды. Затем приливают 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором серной кислоты до перехода окраски раствора из желтого в оранжевую.

Обработка результатов

1. Рассчитать щелочность воды по формуле

где Х – щелочность воды, мг-экв/дм3; V – объем кислоты, пошедший на титрование, см3; N – нормальность раствора нитрата ртути; a – аликвота пробы, см3.

33

3. Динамическая обменная емкость (ДОЕ) анионита

(мг-экв/дм3) в растворе хлорида натрия вычисляется по формуле

где V – объем фильтрата, пропущенный через ионит до появления ионов хлора, см3; СCl– – концентрация хлор-ионов в очи-

щаемом растворе хлорида натрия, мг-экв/дм3; Vс – объем смолы, см3.

4. Полная динамическая обменная емкость вычисляется по формуле

где ΣV – общий объем фильтрата, пропущенный через ионит, см3; СCl – концентрация хлор-ионов в последней пробе раствора, мг-экв/дм3; V – объем порций фильтрата после появления ионов хлора в растворе, см3; СCl – концентрация хлор-ионов в фильтре, мг-экв/дм3; Vс – объем смолы, см3.

34

5. Степень очистки воды определяется по уравнению

где Хоч – где степень очистки, %; С0 – содержание загряз-

няющего компонента в исходном растворе; Сi – содержание загрязняющего компонента в пробе фильтрата.

Экспериментальные данные необходимо представить в виде графических зависимостей степени очистки от объема пропускаемой воды.

Определение обменной емкости катионита

В лабораторной работе используется катионит в Н+-фор- ме. Н+-катионирование служит для глубокого умягчения воды. Обмен катионов протекает по реакциям:

2 Н(кат.) + СаCl2 → 2 HCl + Ca (кат.),

2 Н(кат.) + MgCl2 → 2 HCl + Mg (кат.),

2 Н(кат.) + CaCO3 → H2CO3 + Ca (кат.).

Когда ионы Н+ вытеснены, начнется проскок ионов Са2+ и Mg2+, и жесткость воды после фильтров будет постепенно подниматься до жесткости исходной воды. Для восстановления умягчающей способности катионита его регенерируют растворами хлорида натрия или раствором соляной кислоты.

Методика определения жесткости воды. В коническую колбу на 250 см3 помещают 5 см3 анализируемой воды, добавляют 10 см3 буферного раствора; 50 см3 дистиллированной воды и 2–3 капли индикатора хром темно-синий. Раствор титруют 0,01 н раствором трилона Б до перехода окраски из розового в синий цвет.

35

Обработка результатов

1. Рассчитать концентрацию ионов кальция или магния по формуле

где СCa2 /Mg2 – кальцевая/магниевая жесткость воды,мг-экв/дм3; V – объем раствора трилона Б, пошедший на титрование, см3; N – нормальность раствора трилона Б; а – аликвота пробы, см3.

2.Рассчитать степень очистки воды по формуле (5).

3.По полученным данным заполнить табл. 2

4.Построить график зависимости степени очистки от объема пропускаемой воды.

5.Сделать вывод по изучению процесса умягчения воды ионообменным методом.

Определение кислотности (аналогично определению щелочности).

36

Контрольные вопросы

1.Расскажите о применении воды в химической промышленности.

2.Дайте характеристику атмосферных, поверхностных и подземных вод.

3.Дайте характеристику примесей, содержащихся в воде. Их отрицательное воздействие на технологические процессы.

4.Жесткость воды, виды жесткости.

5.Очистка воды от механических и коллоидных примесей.

6.Химические методы умягчения воды.

7.Физико-химические методы умягчения воды.

Список литературы

1.Гребенюк В.Д. Обессоливание воды ионитами. – М.:

Химия, 1980. – 256 с.

2.Теоретические основы деминерализации пресных вод / М.М. Сенявин, Р.Н. Рубинштейн [и др.]. – М.: Наука, 1988. – 324 с.

3.Практикум по общей химической технологии / под ред. И.П. Мухленова. – М.: Высшая школа, 1979. – 421 с.

37

Лабораторная работа № 4

КАРБОНИЗАЦИЯ AMМИАЧНО-СОЛЕВОГО РАСТВОРА

1. Цель работы

Изучение процесса карбонизации аммиачно-солевого раствора; исследование влияния времени, состава газа и температуры на степень карбонизации аммиачно-солевого раствора.

2. Теоретические сведения

Большинство химических реакций, используемых в хими- ко-технологических процессах, протекает с участием веществ, находящихся в разных фазах (газ – жидкость, газ – твердое вещество, твердое вещество – жидкость и т.д.). Такие процессы называются гетерогенными.

Вэтих системах химическая реакция является одной из стадий гетерогенного процесса и протекает после перемещения реагентов к поверхности раздела фаз, а в ряде случаев и через межфазную поверхность.

Вобщем виде механизм гетерогенного процесса можно представить состоящим из следующих стадий:

1) диффузия реагентов к поверхности раздела фаз;

2) химическая реакция, происходящая на поверхности раздела фаз;

3)десорбция или обратная диффузия продуктов реакции

вреакционный объем.

Скорость гетерогенных процессов в общем виде описывается уравнением

K F C,

38

где K – константа скорости реакции; F – поверхность контакта фаз; ∆C – движущая сила процесса.

Помимо основных факторов увеличения скорости процесса (температура, давление, концентрация реагентов) необходимо создать развитую поверхность контакта фаз.

Аммиачный способ получения соды заключается в насыщении раствора поваренной соли (305–310 г/л) аммиаком до концентрации NH3 около 85 г/л. Полученный аммонизированный рассол подвергают карбонизации в барботажных карбонизационных колоннах, в которых газ, содержащий до 45–50 % СО2, барботирует через столб жидкости, подаваемой сверху колонн. Для карбонизации используют газ из печей обжига известняка (печной газ) в смеси с газом печей кальцинации бикарбоната натрия (сушильный газ). Процессы, происходящие при карбонизации аммонизированного рассола, можно представить следующим суммарным уравнением:

NaCl NH3 CO2 H2O NaHCO3 NH4Cl,

NH3 CO2 H2O NH4НCO3,

NH4HCO3 NaCl NaHCO3 NH4Cl.

Бикарбонат натрия, выпадающий в осадок, отделяют от маточного раствора на вакуум-фильтрах и прокаливают в печах, получая кальцинированную соду:

2NaHCO3 Na2CO3 H2O CO2.

Процесс карбонизации аммиачно-солевого раствора является основной, центральной операцией в производстве соды, и от условий проведения карбонизации зависит выход и качество продукции.

В данной работе рассмотрена система «газ – жидкость» на примере абсорбции диоксида углерода аммонизированным раствором (поглотитель) с образованием твердой фазы.

39

Установка для процесса карбонизации аммиачно-солевого раствора представлена на рис. 1. Карбонизатором 4 служит стеклянный сосуд, снабженный барботирующим устройством для подачи газа – диоксида углерода. Отбор пробы осуществляют через кран, расположенный в нижней части карбонизатора.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для карбонизации аммиачкосолевого раствора: 1 – баллон с диоксидом углерода; 2 – буферный сосуд; 3 – реометр; 4 – карбонизатор; 5 – трубка для подачигаза; 6 – штатив

Методика проведения работы заключается в следующем: в карбонизатор 4 заливают аммонизированный рассол заданной концентрации. Затем в реактор подают диоксид углерода из баллона через буферную емкость. Подача газа в карбонизатор 4 служит началом проведения опыта. Расход газа фиксируют реометром 3 и поддерживают его постоянным все время проведения опыта. Через равные промежутки времени (задает преподаватель) отбирают пробы жидкости (2–5 мл) на анализ. Перед отбором пробы образовавшиеся в процессе карбонизации кристаллы бикарбоната натрия отделяют от жидкой фазы фильтрованием.

40