Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ icon

Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ


Скачать 84.26 Kb.
НазваниеМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Размер84.26 Kb.
ТипДокументы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ



Вода в химической промышленности


Методическое указание

по курсу «Общая химическая технология»

для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета.


Уфа

РИО БашГУ

2005


Печатается в соответствии с решением кафедры ВМС и ОХТ (протокол № 11 от 13.04.2005 г.)


^ Составители: к.х.н., ст. преп. Базунова М.В.

д.х.н., проф. Захаров В.П.

к.т.н., доц. Минибаев А.В.


Использование воды в химической промышленности


Химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей воды. Это объясняется комплексом ценных свойств воды (высокая теплоёмкость, малая вязкость, низкая температура кипения и др.), её доступностью, дешевизной, нетоксичностью и удобством применения. Современные химические предприятия расходуют до 1 млн м3 воды в сутки. Вода применяется для получения водорода и кислорода, в качестве растворителя твердых, жидких и газооб­разных веществ; в качестве реакционной среды, экстрагента или абсорбента, транспортирующего агента; для нагревания и охлаж­дения веществ и аппаратуры; для образования пульп и суспензий; для промывки разных продуктов; очистки оборудования и т. п. Кроме того, вода широко используется в качестве рабочего тела в гидравлических, тепловых и атомных электростанциях.

Вода является одним из самых распространенных на Земле со­единений, она образует моря и океаны, площадь которых в 5 раз больше площади суши Земного шара. Стационарные запасы пресных вод, пригодных для использо­вания, составляют всего 0,3% объема гидросферы. Особую роль в народном хозяйстве играют речные воды. Это связано с тем, что воды рек пресные и имеют огромную береговую линию. Истори­чески сложилось так, что по берегам рек расположено большин­ство городов и населенных пунктов. Единовременный запас воды во всех реках земного шара составляет примерно 1200 км3, причем этот объем возобновляется в среднем каждые 12 суток.

Громадный расход технологической воды , наряду с большим объёмом загрязнённых вод, сбрасываемых химическими предприятиями (до 40% стока речных вод используется только на разбавление их до безопасной концентрации содержащихся в ней веществ), выдвигает первоочередную задачу рационального использования водных ресурсов в химической и нефтехимической промышленности. Эта задача решается путём:

- разработки научно обоснованных норм расхода воды на технологические операции;

- максимально полного использования отходов и снижения за счёт этого потребности в очистных сооружениях;

- замены водяного охлаждения аппаратуры воздушным;

- организации замкнутых безсточных производств и водооборотных циклов.

В химических производствах используются три схемы водооборота в зависимости от тех изменений, которые претерпевает вода в процессе производства:

- вода только нагревается и должна быть перед возвратом охлаждена в градирнях или бассейнах;

- вода только загрязняется и должна быть перед возвратом очищена в специальных очистных сооружениях;

- вода нагревается и загрязняется. Этот тип водооборота представляет комбинацию водооборотов первого и второго типов.


^ Классификация природных вод и характеристика их примесей


Природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверх­ностные и подземные.

Атмосферные воды, выпадающие на землю в виде дождя и снега, содержат наименьшее количество примесей. В основном, это ра­створенные газы (О2, СО2, N2 и др.), соли, бактерии и т. д. Атмос­ферная вода используется как источник водоснабжения в безвод­ных и засушливых районах.

Поверхностные воды — воды открытых водоемов: рек, озер, мо­рей, каналов и водохранилищ. В их состав входят разнообразные минеральные и органические вещества в зависимости от климати­ческих, геоморфологических, почвенно-геологических условий, агро- и гидротехнических мероприятий, развития промышленнос­ти и других факторов.

^ Морская вода представляет собой многокомпонентный раствор электролитов и содержит все элементы, имеющиеся в земной коре. В морской воде растворены многие соли (хлорид натрия до 2,6%, хлорид и сульфат магния и др.), а также газы, входящие в состав воздуха (азот, кислород и углекислый газ). Воды различных морей и океанов отличаются друг от друга по общему содержанию солей и их составу.

Подземные воды — воды артезианских скважин, колодцев, клю­чей, гейзеров— характеризуются значительным содержанием ми­неральных солей, выщелачиваемых из почвы и осадочных пород, и небольшим количеством органических веществ.

В зависимости от солесодержания природные воды подразде­ляются на пресную воду — солесодержание до 1 г/кг; солонова­тую — 1 — 10 г/кг и соленую— более 10 г/кг. Морская вода имеет солесодержание до 35 г/кг.

^ Качество воды определяется физическим, химическим и бак­териологическим анализами. Важнейшими показателями качества воды являются такие ее физические и химические характеристи­ки, как запах, вкус, прозрачность, цвет, температура, содержание взвешенных частиц, сухой остаток, общая щелочность и ее состав­ляющие, окисляемость и реакция воды.

^ Содержание взвешенных веществ характеризует загрязненность воды твердыми нерастворимыми примесями в виде суспензий песка, глины, частиц почвы. Количество их обычно выражается в миллиграммах на литр.

^ Сухой остаток характеризует суммарное количество минераль­ных и органических примесей, содержащихся в воде в истиннорастворенном и коллоидном состояниях. Числовое значение его опре­деляется взвешиванием остатка после выпаривания определенного объема предварительно профильтрованной воды и выражается в миллиграммах на литр (мг/л).

Часть сухого остатка, которая удаляется при последующем про­каливании его, дает ориентировочное представление о содержании в воде органических веществ.

^ Общей щелочностью воды (Щ) называется суммарная концент­рация содержащихся в воде анионов ОН , НСО3, СО32, РО43, HSiO3, SiO32 и некоторых солей слабых органических кислот (гуматов), выраженная в миллимоль на литр (ммоль/л).

В зависимости от типа анионов, обусловливающих щелочность, различают гидрокарбонатную щелочность Щгк (НСО3-), карбонат­ную Щк (СО32-), силикатную Щс (HSiO3-), гидратную Щг (ОН-), фосфатную Щф, (Н2РО4-, НРО42-, РО43-). Общая щелочность Щ0 = Щгк +'ШК+ Шс+ Щг+ Щф.

В природных водах, как правило, в заметных количествах при­сутствуют только гидрокарбонатные ионы, поэтому для этих вод характерно равенство обшей и гидрокарбонатной щелочности

гГК).

Жесткость воды— один из важнейших показателей ее каче­ства. Жесткость природных вод связана с наличием в них солей кальция и магния. Она выражается в миллимоль на литр или миллимоль на килограмм ионов Са2+ или Mg2+. Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую.

^ Временная (карбонатная или устранимая) жесткость Жк обус­ловливается, в основном, присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2, которые при кипяче­нии переходят в нерастворимые соли и выпадают в виде плотного осадка (накипи):

Са(НСО3)2 → СаСО3 + Н2О + СО2

2Mg(HCO3)2 → MgCO3 + Mg(OH)2 + ЗСО2 + Н2О.

^ Постоянная (некарбонатная жесткость) Жн определяется со­держанием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и маг­ния, остающихся при кипячении в растворенном состоянии.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью.

По общей жесткости (ммоль/л) природные воды подразделя­ются на мягкую (Ж0 < ^ 3), умеренно жёсткую (Жо = 3-6), жёсткую (Жо > 6).

Окисляемость воды — масса кислорода (в мг/л), необходимая для окисления веществ, присутствующих в ней. Окисляемость воды обусловливает­ся, в основном, наличием органических веществ и лишь в незна­чительной степени — быстроокисляющихся соединений железа, сероводорода, нитритов. Ее значение используется для косвен­ной количественной характеристики концентрации органических загрязнений. Окисляемость артезианских вод составляет обычно 1—3 мг/л О2, чистых озерных вод — 5—8, болотных вод — до 400 мг/л О2. Окисляемость речных вод колеблется в широких пре­делах, доходя до 60 мг/л О2 и более.

^ Активная реакция воды, т. е. степень ее кислотности или ще­лочности, количественно характеризуется концентрацией водород­ных ионов или значением рН.

При рН=7 вода считается нейтральной, при рН < 6,5 — кислой, при рН > 7,5 — щелочной. Величина рН природных вод колеблется в широких пределах: от рН 9—10 для почвенных щелочных вод до рН 1 для вод кислых термальных источников.

Обычно для большинства природных вод рН изменяется от 6,5 до 8,5. На рН воды влияет повышенная концентрация гуминовых кислот или загрязнение водоема стоками промышленных пред­приятий.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно под­разделяется на промышленную и питьевую, содержание примесей в которых регламентируется соответствующими стандартами.

Вредность примесей связана с их химическим составом или дисперсным состоянием, а также с технологией производства, использующего воду. Примеси, находящиеся в истинно растворенном состоянии (в основном, ми­неральные соли, обогащающие воду катионами Са2+, Mg2+, Na+, К+ и анионами SO42-, СО32-, НСО3-, Сl-, а также некоторые органические соединения и растворен­ные газы) приносят огромный вред, т.к. образуют накипь и вызывают поверхностное разрушение металлов вследствие коррозии. Кроме того, резко уменьшают общий коэффициент телпопередачи в теплообменниках.

В коллоидном состоянии обычно находятся в воде недиссоциированные или малодиссоциированные соединения алюмо- и железосиликатов, гидроксид железа, кремниевая кислота и др., раз­личные органические вещества. Органические коллоиды состоят в основном из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, проте­ина, клетчатки, различных смол и других сложных соединений. Такие примеси засоряют диафрагмы электролизёров, вызывают вспенивание воды и перебросы в котлах и аппаратах.

Во взвешенном состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частицы. Они могут засорять трубопроводы и аппараты, уменьшая их производительность, образовывать пробки, которые могут вызвать аварию.

Качество применяемой воды обусловливается требованиями технологического процесса и типом оборудования. На химических предприятиях используют различную воду: речную, артезианскую, фильтрованную, коагулированную, охлажденную, частично или полностью обессоленную, питьевую и др.

Пресная природная вода применяется без дополнительной очист­ки в химической промышленности в процессах первичной обра­ботки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и различных вспомогательных операций. В большинстве случаев природная вода подвергается очистке (деминерализации) различными мето­дами в зависимости от характера примесей и требований, предъяв­ляемых к воде данным производством.


^ Промышленная водоподготовка


В процессе водоподготовки применяют механические, физические, химические и физико-хи­мические методы: очистку от взвешенных примесей отстаиванием и фильтрованием (осветление), умягчение, ионный обмен, а в отдельных случаях – обескремнивание, обессоливание, нейтрализацию, дегазацию и обеззараживание. На схеме, приведенной на рис. 1 перечислены основные методы водоподготовки.

^ Осветление воды осуществляется в основном методами осажде­ния примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы называют также реагентными, так как для выделения примесей в воду вводят специальные реагенты. К процессам осаждения, при­менимым для осветления воды, относятся коагуляция, известко­вание и магнезиальное обескремнивание.

Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипа­ния коллоидных частиц и образования грубодисперсной микрофа­зы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сульфаты алюминия A12(SO4), и железа FeSO4. Физико-химическая сущность коагуляции в упрощённом виде состоит в том, что коагулянт, адсорбируясь на поверхности заряженной коллоидной частицы, нейтрализует её заряд, Это приводит к слипанию отдельных частиц (коагуляции) и образованию осадка.


Рис. 1. Структурная схема очистки воды


Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.). При этом ускоряется образование хлопьев и улучшается их структура. Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в основном из гидроксидов А1 и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды).

Окончательная очист­ка от осадка проводится фильтрованием. В зависимости от соот­ношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра пор удержание частиц может происходить как в объеме фильтрую­щего слоя (адгезионное фильтрование), так и на его поверхности (пленочное фильтрование).

В качестве фильтрующих материалов в основном используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит, вулканические шлаки, керамзит и др.

Умягчением воды называется ее очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывает­ся на следующих реакциях:

обработка гашеной известью для устранения временной жест­кости, удаления ионов железа и связывания СО2:


Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Н2О

Mg(HCO3)2 + 2Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Mg(OH)2↓ + 2Н2О

FeSO4 + Са(ОН)2 → Fe(OH)2↓ + CaSO4

СО2 + Са(ОН)2 → СаСО3↓ + Н2О;


обработка кальцинированной содой для устранения постоян­ной жесткости:

MgSO4 →MgCO3↓ +

MgCl2 + NаСО3 →MgSO↓ + 2NaCl

СаSO4 →CaCO↓ +NaSO


обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са2 и Mg2+:


ЗСа(НСО3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3MgCI2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)↓ + 6NaCl


Растворимость фосфатов кальция и магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Для умягчения, обессоливания и обескремнивания воды широ­ко применяется метод ионного обмена. Его сущность состоит в том, что твердое тело — ионит — поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалент­ное количество других, одноименно заряженных ионов. Иониты в обычном понимании – это твёрдые, зернистые, порошкообразные, формованные или волокнистые, механически прочные, химически устойчивые, нерастворимые вещества, содержащие в своём составе функциональные (ионогенные) группы, способные к ионизации и обмену ионами с электролитами. При ионизации функциональных групп образуются две разновидности ионов: 1) фиксированные ионы, закрепленные на каркасе (матрице) ионита и не способные покинуть фазу ионита и перейти во внешний раствор; 2) противоионы (обменные ионы) ионита, эквивалентно равные фиксированным ионам, но противоположные им по знаку, способные перейти во внешний раствор в обмен на строго эквивалентное количество других ионов того же знака, поступающих в ионит из внешнего раствора (обменных ионов раствора).

По природе матрицы иониты подразделяются на неорганические (минеральные) и органические, природные и искусственные (синтетические). К неорганическим природным ионитам относятся природные цеолиты, глинистые минералы (алюмосиликаты), полевые шпаты, слюды, слюды, оксиды, фосфаты и др. К неорганическим искусственным ионитам относятся синтетические цеолиты, труднорастворимые соли гетерополикислот, ферроцианиды, фосфаты, гидроксиды, оксиды, сульфиды металлов (циркония, алюминия, железа, титана, никеля и др.)

К органическим природным ионообменным материалам относятся каменные и бурые угли, торф, целлюлоза и др.

Широкое применение нашли синтетические органические иониты на основе высокомолекулярных органических соединений направленного синтеза, обладающие постоянством состава и воспроизводимостью свойств, высокой способностью к обмену ионами, химически устойчивые и механически прочные, с чрезвычайно широкими возможностями практического применения. Самый распространённый отечественный синтетический органический ионит – катионит КУ-2, имеющий следующее строение:


КУ-2 получают сульфированием (серной или хлорсульфоновой кислотой) зёрен сополимера стирола с дивинилбензолом.

В зависимости от знака зарядов противоионов различают:

катиониты – иониты, способные к обмену катионами; аниониты - к иониты способные к обмену анионами, и амфолиты ( (амфотерные полиэлектролиты) – иониты, способные к обмену как о катионами, так и анионами, в зависимости от условий среды. К Катиониты содержат фиксированные анионы; аниониты -

фиксированные анионы; амфолиты – фиксированные катионы

и анионы.

В зависимости от природы противоионов различают ионные

формы ионитов. Например , катиониты могут находиться в

водородной (Н-форма), солевой (натриевая, кальциевая и т.д.)

и смешанной формах, аниониты – в гидроксидной (ОН-форма),

солевой (хлоридная, сульфатная и др.) и смешанной формах.

Для полиамфолитов различаются водородно-гидроксидная,

водородно-солевая, гидроксидно- солевая и солевая формы.

Ионный обмен между раствором и ионитом имеет характер

гетерогенной обратимой химической реакции. Следует отметить,

что приме­си, удаляемые из воды методом ионного обмена, не

образуют осадка и что такая обработка не требует непрерывного

дозирования ком­понентов.

Важной характеристикой ионитов является обменная емкость, показывающая способность ионита поглощать определенное ко­личество ионов в данных условиях. Обменная емкость определяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При до­стижении заданного предела обменной емкости ионита осуществ­ляют процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый в обратном порядке).

В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обме­на ионов натрия и водорода катионов на ионы Са2+ и Mg2+. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водоро­да — Н-катионированием:

Na2[Kaт] + Са(НСО3)2→ Са[Кат] + 2NаНСО3

Na2[Кат] + MgSO4 → Mg[Кат] + 2Na2SO4

H2[Кат] + MgCl2→ Mg[Кат] + 2HCl

H2[Кат] +Na2SO4→ Na2[Kaт] + H2SO4

При достижении катионитами заданного предела обменной емкости их регенерируют промывкой раствором NaCl или серной кислоты H2SO4.

При фильтровании воды через слой анионита происходит сорб­ция анионов по следующим уравнениям реакций:

[Ан]OH +НС1 → [Ан]Cl + H2O

2[Ан]OH +H2SO4 → [Ан]SO4 +H2O

Регенерация анионитовых фильтров проводится обычно 4%-ным раствором NaOH.


Рис. 2. Схема установки для умягчения воды: / — катионитовый фильтр; ^ 2 — анионитовый фильтр; 3 — де­газатор; 4 — сборник воды




В установке для умягчения воды с последовательным примене­нием Н-катионирования и ОН-анионирования (рис.2) вода при прохождении через катионит освобождается от ионов кальция и магния в Н-катионитовом фильтре 1, а затем в анионитовом фильтре 2 из нее удаляются анионы. Далее вода проходит через дегазатор 3, где она освобождается от кислорода и диоксида уг­лерода, и далее через сборник воды 4 поступает к потребителю. Для регенерации в фильтр 1 подается раствор серной кислоты, в фильтр 2 — гидроксида натрия.

Дегазация. Важная часть комплексного технологического процесса водоподготовки — удаление из воды растворенных газов. Наличие га­зов в воде объясняется их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде и по­явлением их в процессе различных стадий очистки. Эти газы мож­но разделить на химически не взаимодействующие (Н2, О2, СН4) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH3, СО2, С12), а также на коррозионно-активные (О2, СО2, NH3, C12, H2S) и инертные (N,, Н2, СН4). Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них: физическая природа газа, степень насыщения, давление в системе и температура воды.

Основной способ удаления из воды растворенных газов — де­сорбция (термическая деаэрация). Принцип ее заключается в созда­нии контакта воды с паром, в котором парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко нулю, что является необходимым ус­ловием процесса десорбции. Этот процесс осуществляется в ос­новном в деаэраторах (вакуумных, атмосферных, постоянного давления), которые по способу распределения воды и пара разделяют на струйные, пленочные и барботажные. Рабочее давление в ваку­умных деаэраторах составляет 0,0075-0,05 МПа.

В ряде случаев используют химические методы. Так, для удале­ния кислорода в воду добавляют сильные восстановители (напри­мер, сульфит натрия); для удаления H2S воду хлорируют.

Нейтрализация применяется главным образом для оборотной воды, которая загрязняется анионами в производственных процессах. Для нейтрализации используют известь или соду.

Дистилляция. Для получения дистиллята, необходимого для производства хи­мически чистых реактивов, лекарственных препаратов, проведения различных анализов, в лабораторной практике применяется тер­мическое обессоливание воды. Этот процесс осуществляется в ис­парителях кипящего типа. При этом дистиллят производят в основ­ном из воды, предварительно умягченной на ионитовых фильтрах.

Обеззараживание. Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а при­сутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (например, нитчатых, зооглейных, сульфатовосстанавливающих бактерий, же­лезобактерий) вызывает биологическое обрастание, а иногда раз­рушение трубопроводов и оборудования. Обеззараживание воды осуществляют, в основном, хлорированием ее жидким или газооб­разным хлором С12, гипохлоритами — NaCIO, Са(С1О2)2, СlO2. Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение.


^ Лабораторная работа

Вариант 1

Анализ и подготовка технической воды


Цель работы. Ознакомление с методами анализа и умягчения технической (технологической) воды.

Вода, применяемая в производственных процес­сах, не должна содержать вредных для реакции веществ, не корродировать (оказывать агрессивного влияния) аппарату­ру, не образовывать в аппаратах и трубопроводах накипи и шлама. Для определения примесей, содержащихся в воде, и устранения вредных последствий вода, используемая в про­изводстве, подвергается анализу и специальной подготовке, важнейшей операцией которой является умягчение.

В соответствие с зтим работа состоит из двух частей:

1. Технический анализ водопроводной воды.

2. Умягчение водопроводной воды.


1.Технический анализ водопроводной воды


Сущность метода. При техническом анализе в воде опре­деляют жесткость, содержание оксида углерода (IV); содер­жание свободного xлopa, сухой остаток и окисляемость.

^ Жесткость воды. Для определения жесткости воды используют весовой, объемный или колориметрический методы. Карбонатную жесткость Жк определяют титрованием пробы воды раствором соляной кислоты в присутствии метило­вого оранжевого:

Са(НС03)2 + 2НСl = CaCl2 + 2Н2О + 2CO2

Mg(HC03)2 + 2HC1 = MgCl2 + 2Н2О + 2CO2

В присутствии слабо диссоциированной угольной кислоты

НС03- + Н30+ = Н20 + Н2С03

желтая окраска индикатора не изменяется, но переходит в оранжевую при избытке соляной кислоты.

Общую жесткость Жо определяют комплексометрическим методом путем титрования пробы воды раствором трилона Б (динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) в присутствии индикаторов - хромогенов в слабощелочной аммиачной среде (рН = 9 - 10). В качестве индикаторов применяют азокрасители — кислотный хром темно-синий или кис- лотный хром черный. Хромогены образуют с ионами кальция и магния комплексные соединения, окрашивающие раствор в красно-фиолетовый цвет. Трилон Б при титрова­нии образует с ионами кальция и магния слабо диссоцииро­ванные комплексные соединения, например:


При этом первоначальное комплексное соединение с хромогеном разрушается и раствор окрашивается в сине-фиолетовый цвет, свойственный красителю, что указывает на ко­нец титрования.

^ Некарбонатную (постоянную) жесткость Жн рассчитывают как разность между общей жесткостью и карбонатной жесткостью:

Жн= Жо – Жк (1)

^ Содержание оксида углерода (IV) определяют титровани­ем пробы воды раствором гидроксида натрия до катиона бикарбоната:

СО2 + Н2О = Н2СО3,

Н2СО3 + ОН- = НСО3- + Н2О.

Образовавшийся раствор бикарбоната натрия (рН=8,3) в присутствии фенолфталеина окрашивается в бледно-розовый цвет. Окраску полученного раствора сравнивают с окраской эталонного раствора с тем же значением рН. Если в воде не содержится оксид углерода (IV), то проба воды при добавле­нии фенолфталеина приобретает еще до начала титрования окраску эталонного раствора или еще более интенсивную.

^ Свободный или остаточный хлор содержится в водопро­водной воде в результате ее хлорирования при водоподготов­ке. Определение содержания свободного хлора в воде осно­вано на титровании йода, выделившегося в эквивалентном количестве при действии содержащегося в пробе воды хло­ра, на иодид калия тиосульфатом натрия:

2КI + С12 = 2КС1 + I2

I2 + 2Na2S203 = Na2S4O6 + 2NaI

^ Окисляемость воды вызвана присутствием в ней различ­ных органических веществ и микроорганизмов, которые под­вергаются окислению при действии на воду окислителей — перманганатов, хроматов, озона и др. Окисляемость воды оп­ределяют титрованием ее пробы перманганатом калия в кис­лой среде:


органические вещесва + KMnO4 + Н2SO4 = продукты окисления + MnSO + K2SO4

Анализ проводят при кипячении 1л воды с избытком КМnО в течение 10 мин.

Так как окисляемые примеси не имеют определенного со­става, окисляемость воды выражают в количестве перманганата калия или в эквивалентном ему количестве кислорода, затраченного на окисление органических веществ, содержащихся в пробе воды.

^ Сухим остатком называется остаток, полученный испарении досуха и высушивании при 110°С пробы профильтрованной воды. В состав сухого остатка входят минеральные соли и органические вещества.

^ Посуда и материалы. Колбы конические на 100 и 250 мл. Пипетки на 3,25 и 100 мл. Стаканы стеклянные на 20 и 500 мл. Цилиндры мерные на 20 и 500 мл. Склянка емкостью 2000 — 3000 мл. Бюретки на 50 мл. Воронки. Чашка фарфоровая. Запаянные капилляры.

Реактивы. Перманганат калия (раствор 0,002 моль/л). Серная кислота (25% раствор). Щавелевая кислота (paствор 0,005 моль/л). Соляная кислота (0,1 моль/л). Трилон Б (раствор 0,05 моль/л). Индикаторы. Аммиак (25% раствор). Хлорид аммония (20% раствор). Гидроксид натрия (раствор 0,01 моль/л). Сегнетова соль. Йодид калия (10% раствор). Крахмал (раствор). Тиосульфат натрия (раствор 0,01 моль/л).


^ Методика выполнения работы


а) Отбор пробы воды для анализа. На водопроводный кран надевают резиновую трубку, открывают кран и спускают воду в раковину в течение нескольких минут. Затем конец трубки опускают на дно склянки для отбора проб и наполняют склянку водой так, чтобы она некоторое время переливалась через край ее. По наполнении склянки трубку из нее вынимают и закрывают склянку пришлифованной пробкой.

б) Определение карбонатной жесткости воды. В две конические колбы отбирают пипеткой по 100 мл воды из склянки для отбора пробы и добавляют по 5 капель раствора метилового оранжевого. Содержимое одной из колб титруют соляной кислотой до перехода окраски из желтой в оранжевую. Изменение окраски наблюдают, сравнивая ее с окраской жидкости во второй колбе.

в) Определение общей жесткости воды

Выполнение анализа включает: приготовление титрованного раствора трилона Б, приготовление буферного аммиачного раствора, приготовление раствора индикатора, титрование пробы воды.

^ Приготовление титрованного раствора трилона Б. Для получения раствора концентрацией 0,05 моль/л навеску ве­щества 18,61 г (молярная масса трилона Б равна 372,25) ра­створяют в 1000 мл дистиллированной воды и фильтруют. Точный титр раствора устанавливают по фиксаналу сульфа­та магния MgS04 • 7Н2О.

^ Приготовление буферного аммиачного раствора. Сме­шивают 100 мл раствора аммиака с 100 мл раствора хло­рида аммония и разбавляют дистиллированной водой до 1000 мл.

^ Приготовление раствора индикатора. 0,5 г кислотного хрома темно-синего растворяют в 20 мл приготовленного аммиачного буферного раствора и разбавляют этанолом до 100 мл.

^ Титрование пробы воды. В коническую колбу вносят из склянки для отбора проб 100 мл воды и добавляют 5 мл бу­ферного раствора и 8 капель раствора индикатора. Содержи­мое колбы титруют раствором трилона Б, прибавляя его по каплям и встряхивая колбу после каждой капли, до перехо­да окраски из красно-фиолетовой в серовато-синюю.

г) Расчет постоянной жесткости воды

Постоянную жесткость рассчитывают по полученным зна­чениям общей и карбонатной жесткости как их разность (см. формулу 1).

д) Определение содержания оксида углерода (IV) в воде.

Выполнение анализа состоит из приготовления буферно­го раствора и титрования пробы воды.

^ Приготовление буферного раствора. 1 г гидроксида на­трия и 50 г сегнетовой соли (двойная соль натрия и калия винной кислоты состава КОООС - (СН2)2 - COONa • 4Н2О) ра­створяют в 100 мл дистиллированной воды и фильтруют.

^ Титрование пробы воды. В две конические колбы с по­мощью мерного цилиндра быстро отмеривают по 200 мл воды из склянки для отбора проб. В первую колбу добавля­ют 0,2 мл 0,01-процентного раствора фенолфталеина. Во второй колбе готовят эталонный раствор. Для этого в колбу добав­ляют 2,5 мл буферного раствора и 0,2 мл 0,01-процентного раствора фенолфталеина. Колбы закрывают пробками и встряхивают. Содержимое первой колбы титруют раство­ром гидроксида натрия до появления не исчезающей в те­чение пяти минут розовой окраски, совпадающей с окрас­кой эталонного раствора во второй колбе.

е) Определение содержания свободного хлора в воде

В коническую колбу отбирают пипеткой из склянки отбора проб 20 мл воды, добавляют с помощью мерного цилиндра 10 мл раствора иодида калия и пипеткой — 3 мл раствора крахмала. Содержимое колбы титруют раствором тиосульфата натрия до исчезновения синей окраски раствор

ж) Определение окисляемости воды

В коническую колбу помещают запаянные с одного конца капилляры, отмеряют в нее пипеткой 100 мл воды из склянки для отбора проб и добавляют с помощью мерного цилиндра 5 мл серной кислоты и из бюретки — 20 мл раствора перманганата калия. Содержимое колбы нагревают на сетке до кипения и слабо кипятят точно 10 минут, после чего немедленно(!) добавляют из бюретки 20 мл раствора щавелевой кислоты и титруют тем же раствором перманганата до появления слабо-розовой окраски, не исчезающей в течение одной минуты.

з) Определение сухого остатка воды

Фарфоровую чашку прокаливают в пламени горелки, охлаждают в эксикаторе и взвешивают на аналитических весах. В чашку отмеривают пипеткой из склянки для отбора проб 100 мл воды, которую предварительно отфильтровывают. Чашку устанавливают на водяную баню и выпаривают воду досуха. Затем чашку с остатком сушат в сушильном шкафу при 110°С до постоянного веса, охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

и) Расчеты

По полученным данным рассчитывают перечисленные выше характеристики водопроводной воды.

Карбонатную жесткость рассчитывают по формуле:


(2)


Общую жесткость рассчитывают по формуле:


(3)


где: V = 100 — объем пробы воды, мл;

V— объем соляной кислоты на титрование, мл,;

V2 — объем раствора три лона Б на титрование, мл.;

C = 0,1 — концентрация соляной кислоты, моль/л;

С2 = 0,05 — концентрация раствора трилона Б, моль/л;

к — поправочный коэффициент раствора трилона Б.


Некарбонатную жесткость рассчитывают по формуле:

Жн = Жо — Жк моль/л. (4)

Содержание оксида углерода (IV) рассчитывают по фор­муле:


(5)


где: V = 200 — объем пробы воды, мл;

V3 — объем раствора гидроксида натрия на титрование, мл;

0,00044 — количество оксида углерода (IV), эквивалент­ное 1 мл раствора гидроксида натрия концентрацией 0,01 моль/л, г.


Содержание свободного хлора рассчитывают по формуле:


(6)


где: V = 20 — объем пробы воды, мл;

V4 — объем раствора тиосульфата натрия на титрова­ние, мл;

к — поправочный коэффициент раствора тиосульфата;

0,000355 — количество хлора, эквивалентное 1 мл раство­ра тиосульфата натрия концентрацией 0,01 моль/л, г.


Окисляемость воды рассчитывают по формуле (в мг пер­манганата калия):


(7)


или по формуле (в мг кислорода)


(8)


где: V = 100 — объем пробы воды, мл;

V5 = 20 — объем раствора перманганата калия, введенного в колбу, мл;

V — объем раствора перманганата калия на титрование, ]

V7 = 20 — объем раствора щавелевой кислоты, введённого в колбу, мл;

0,000316 — количество перманганата калия в 1 мл раствора концентрацией 0,002 моль/ л, г;

0,00008 — количество кислорода, эквивалентное 1 мл ра­створа перманганата калия концентрацией 0,002 моль/ л, г.

Содержание сухого остатка рассчитывают по формуле:


(9)


где: а — масса чашки с сухим остатком, г;

в — масса пустой чашки, г;

V = 100 — объем пробы воды, мл. Рассчитанные показатели водопроводной воды, то есть до умягчения, заносят в сводную таблицу (стр.25).


^ 2. Умягчение водопроводой воды


Цель работы: Сравнить эффективность химического и физико-химического методов умягчения воды.

Умягчение важнейшая часть водоподготовки технической и технологической воды. Умягчением называется частичное или полное удаление из воды солей кальция и магния с це­лью снижения ее жесткости. Обычно в процессе умягчения жесткость понижают до некоторого допустимого значения (пре­дельно допустимая жесткость Жп), которое выбирается в зави­симости от требований, предъявляемых к умягченной воде.

Реактивы. Гидроксид натрия. Карбонат натрия. Хлорид натрия (7% раствор). Нитрат серебра (раствор). Na — катио­нит (сульфоуголь, ионит КУ-2 и др.).


^ Методика выполнения работы.

Умягчение воды проводят содовонатронным и ионнообменным методами.

а) Умягчение воды содовонатронным методом.

Для умягчения воды предварительно готовят раствор умягчителя. Для этого в 1 л дистиллированной воды раство­ряют 15 г гидроксида натрия и 21 г карбоната натрия и ра­створ фильтруют. Раствор может сохраняться.

В колбу отмеривают из склянки для отбора проб 200 мл воды и добавляют пипеткой 2 мл раствора умягчителя. Кол­бу закрывают пробкой с вставленным в нее обратным холо­дильником (воздушным) и кипятят на сетке в течение 10 ми­нут, не допуская испарения воды через холодильник. По окончании кипячения умягченную воду фильтруют через складчатый бумажный фильтр, охлаждают до комнатной температуры и определяют в ней общую жесткость по мето­дике, описанной выше.

б) Умягчение воды ионнообменным методом.

Выполнение работы состоит из подготовки ионообменника к работе и собственно умягчения воды. Катионообменная ко­лонка представляет собой стеклянную трубку 1 (рис. 3) длиной 0,7 м и диаметром 0,03 м, в нижней части которой помещают стек­лянную вату или стеклянную пластинку с отверстиями 3. Трубка заканчивается отводом с краном 4. Заполняют ее катионитом (КУ-2, сульфоуголь и др.) на высоту 0,5 м.


^ Порядок выполнения работ. Сначала проводят регенерацию катионита. Для этого через катионообменную колонку пропускают 0,7 л хлорида натрия (8%-ного) в течение 25—30 мин (скорость регулируют краном 4). Затем из катионита вымывают выделившиеся соли обессоленной или дистиллированной водой до полного исчезновения ионов хлора (проба AgNO3). Одновременно с регенерацией и промывкой катионита проводят определение об­щей жесткости исследуемой воды (см. стр. 20, формула 3). После этого проводят процесс умягчения путем медленного пропускания 200—250 мл воды через колонку. Умягченную воду собирают в колбу и опреде­ляют в ней общую жесткость.





Рис.3. Катионитная колонка: ^ 1 – стеклянная трубка; 2 – катионит; 3 – стеклянная вата; 4 – кран.


Оформление результатов работы (вари­ант 1). Составьте уравнения реакций химического умягчения воды, запишите расчеты навесок гидроксида натрия и карбоната на­трия (NaOH и Na2CO3), составьте уравнения реакций регенерации катионита и ионообменного умягчения воды. Результаты анализов поместите в таблицу:



Химическое умягчение


Ионообменное умягчение


Ж0 до умягчения


Ж0 после умягчения


Ж0 до умягчения


Ж0 после умягчения



Сделайте вывод об эффективности использования методов умяг­чения.


Вариант 2

Обессоливание воды и определение обменной ем­кости катионита


^ Цель работы: Подготовить ионообменную установку, провести обессоливание воды и определить техническую характери­стику катионита в процессе его работы по обменной емкости.

Реактивы: раствор соляной кислоты (1,5—2%-ный), раствор карбоната натрия (2%-ный), Н-катионит (100 мл), ОН-анионит (100 мл), растворы хлорида бария концентрации 0,02 моль/л и нитрата серебра —0,02 моль/л.

Оборудование: ионообменная установка (рис. 4), цилиндры на 500 мл (2 шт.), пробирки (химические) (2 шт.), песочные часы, колбы на 250 мл (4 шт.).

^ Порядок выполнения работы. Установка для ионитной очистки воды (рис. 4) состоит из двух стеклянных трубок (диаметр 40 мм, длина 78 мм), заполненных 100 мл катионитом 1 и 100 мл анионитом 2. Воду, предназначенную для очистки, подают из водопровода через напорный бачок 3. Скорость подачи воды ре­гулируют вентилем 4 и зажимами на резиновых трубках 5. Во избе­жание срыва шлангов в начале работы открывают в первую оче­редь зажимы 5, а затем вентиль 4. В конце работы порядок закрытия обратный. Для регенерирующих растворов служат склянки с нижним тубусом 6 (емкостью 1 л), а для замера проточной воды — градуированные бутыли 7 (ем­костью 5 л).

Подготовка установки к ра­боте заключается в регенерации катионита и анионита и анализе водопроводной воды. Для этого через Н-катионит пропускают 0,5 л раствора соляной кислоты (2%-ная), а через ОН-анионит 0,5 л раствора соды (2%-ная). Выделяющиеся при этом соли вымывают затем из катионита и из .анионита 3 л дистиллиро­ванной или обессоленной воды (для каждого ионита). Одно­временно проводят анализ воды на жесткость по методике, опи­санной в варианте 1 (см. стр. 20), и ка­чественный анализ на содержа­ние ионов SO42- и С1-. Для этого в пробирки берут пробы воды и приливают растворы AgNO3 и ВаС12. По помутнению жид­кости судят о наличии или от­сутствии ионов SO42 и С1.





Рис. 4. Ионообменная установка:

^ 1— трубка с катионитом; 2 — трубка с анионитом; 3 — напорный бачок; 4—вен­тиль на водородной линии; 5 — зажимы; 6 — склянка для регенирирующих жид­костей; 7 — градуированные бутыли.


^ Проведение обессоливания. Устанавливают скорость пропу­скания воды последовательно че­рез катионит и анионит 100—200 мл/мин, пользуясь мерным ци­линдром и песочными часами. Записывают время начала опыта. После установления расхода воды отбирают 400 мл воды в цилиндр и определяют ее жесткость (см. стр. 20). Через каждые 10—15 мин проводят замеры пропущенной воды и ее анализы. Анализ ведут до получения минимальной, предельно-допу­стимой жесткости воды 0,1 - 0,2 ммоль/л. С момента возрастания жесткости отбирают пробу обессоленной воды и проводят ее ана­лиз на содержание ионов SO2- и С1-. Результаты заносят в таблицу.

^ Определение обменной емкости катионита. Проводят регенера­цию катионита, пропуская через него 0,5 л раствора соляной кисло­ты (1—2,5%-ный), затем промывают катионит 3 л дистиллированной или обессоленной воды. Замечают время начала анализа и устанав­ливают скорость пропускания водопроводной воды через катионит 100—200 мл/мин. Через каждые 15 мин проводят анализ воды на общую жесткость, отбирая пробы проходящей через катионит воды. Объем воды замеряют и суммируют в течение всего опыта. Воду пропускают до предельно-допустимой жесткости (0,1 - 0,2 ммоль/л). При достижении минимальной жесткости рассчитывают обменную емкость катионита.

^ Оформление результатов работы (вариант 2). Опишите сущность ионообменного метода умягчения воды. Составьте уравнения реак­ции обессоливания воды и регенерации катионита и анионита. За­рисуйте и кратко опишите работу лабораторной ионообменной установки. Результаты опыта обессоливания представьте в виде таблицы:


Время отбора пробы от начала обессолива

ния (мин)


Объем пропущен­ной воды от нача­ла обессолива

ния

(л)


Жесткость воды (ммоль/л)


Содержание ионов

SO42-, Cl-



Результаты опыта определения обменной емкости катионита представить в виде таблицы:


Время отбора пробы (мин)


Объем пропущен­ной воды через катионит (л)


Жесткость воды (ммоль/л)


Обменная емкость катионита (ммоль/м3)



^ Контрольные вопросы


  1. Укажите основные направления использования воды в химической промышленности.

  2. В чём заключается рациональное использование водных ресурсов в химической промышленности?

  3. Что такое водооборот и с какой целью он используется?

  4. Перечислите виды природных вод. Как они различаются по содержанию и характеру примесей?

  5. Показатели качества воды.

  6. Что такое жёсткость воды и какие методы существуют для её уменьшения? Реакции, лежащие в основе химических методов умягчения.

  7. На чём основан процесс умягчения воды методом ионного обмена?

  8. Перечислите основные операции подготовки технологической воды.


Список рекомендуемой литературы

  1. Общая химическая технология. Ч.1. под ред. И.П.Мухлёнова. М.: Высшая школа. 1977. С. 274-280.

  2. А.М.Кутепов, Т.И.Бондарева, М.Г.Беренгартен. Общая химическая технология. М.: ИКЦ «Академкнига». 2003. С. 272-282.

  3. Р.С.Соколов. Химическая технология. Т.1. М.: Владос. 2003. С. 69-78.

  4. Р.С.Соколов. Практические работы по химической технологии. М.: Владос. 2004. С. 116-127.

  5. А.Аширов. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия. 1983. С. 62-77.

Похожие:

Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconЗадача химической технологии Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconБашкирский государственный университет
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология, ч. 1» для студентов 3 курса химического факультета
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Методическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ iconТестовые задания по дисциплине «Химическая технология» для студентов 4 курса химического факультета (7 семестр)

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы