книги / Общая химическая технология. Лабораторный практикум

ного состава, находят по стехиометрическим соотношениям суммарной реакции:

FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2 Q. 3. Результаты экспериментов заносят в табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследований процесса обжига серосодержащих соединений

4. На основе полученных и расчетных данных рассчитать материальный баланс процесса разложения серосодержащего сырья, используя одну из опыта степень разложения. Составить таблицу материального баланса и рассчитать расходный коэффициент по исходному сырью.

21

5.По полученным данным построить графическую зависимость степени выгорания от продолжительности процесса,

f ( ).

6.Сделать вывод, о влиянии температуры на степень разложения серосодержащего сырья.

Пример расчета. Предположим, что в используемом для работы колчедане массовая доля серы составляет 45 %. Исходная в опыте навеска колчедана составляет 5 г.

Определим теоретическое количество сернистого газа, которое можно получить из этой навески, используя схему.

Если на титрование первой пробы пошло 10 мл 0,1 н раствора щелочи, то количество поглощенного SO2 (г)

GSO2 0,0032 VNaOH K,

тогда

SO2(практ) 0,0032 10 1,5.

Степень выгорания серы

SO2(практ) 100%,

SO2(теор)

где SO2(практ) – количество сернистого газа, поглощенного в каждый данный момент; SO2(теор) – содержание серы в пересчете на сернистый газ исходной навеске.

22

0,0324,5 100% 0,71%.

Таким образом, обрабатывается каждая экспериментальная точка СSO2 f ( ), по которой строятся графики зависимо-

сти f ( ).

Контрольные вопросы

1.Изложитехимизмпроцессаобжигасеросодержащегосырья.

2.Каковыфакторы,влияющиенаскоростьистепеньобжига.

3.Как рассчитать количество выгоревшей серы и определить скорость ее выгорания?

4.Дайте определение понятия лимитирующей стадии процесса.

5.Опишите процесс обжига колчедана, как пример гетерогенного процесса в системе «газ – твердое».

6.Энергия активации реакции. Влияние температуры на скорость химической реакции. Способы изменения скорости химической реакции.

Список литературы

1.Амелин А.Г. Технология серной кислоты. – М.: Химия, 1971. – 495 с.

2.Справочник сернокислотчика / под ред. К.М. Малина. –

М.: Химия, 1971. – 744 с.

3.Технология серной кислоты / К.М. Малин, Н.Л. Аркин, Г.К.Боресков,М.Г.Слинько.–М.;Л.:Госхимиздат,1950.–570с.

4.Руководство к практическим занятиям по технологии неорганических веществ / М.Е. Позин [и др.]. – М.: Химия, 1986. – 368 с.

5.Лабораторный практикум по общей химической технологии / под ред. В.С. Бескова. – М.: БИНОМ Лаборатория занятий, 2010. – 279 с.

23

Mg(HCO3)2 при кипячении переходит в MgCO3, но карбонат магния обладает заметной растворимостью, т.е. подвергается гидролизу (соль образована сильным основанием и слабой кислотой)

Mg (HCO3)2↔ MgCO3+CO2↑+ Н2О

MgCO3 + Н2О → Mg(ОН)2↓+CO2↑

Постоянная (некарбонатная, неустранимая) жесткость

создается всеми другими растворимыми солями кальция и магния, чаще всего сульфатами и хлоридами, которые остаются при кипячении воды в растворенном состоянии.

Общая жесткость – сумма временной и постоянной жесткости. По общей жесткости природные воды разделяют:

Особенно высокие требования предъявляются к составу воды, применяемой в паровых котлах. Наличие примесей в воде вызывает образование накипей на стенках котла из плотной массы солей, а именно CaCО3, Mg(OH)2 и CaSO4 в различных формах. При этом теплопроводность стенок котла ухудшается, а вынужденные перегревы приводят его к преждевременному износу. По этой причине воду очищают от примесей.

Очистка воды (деминерализация) состоит в полном или частичном удалении растворенных в ней солей. Умягчение воды – частичное удаление солей кальция и магния, которое осуществляется химическими и физико-химическими методами.

25

Химические методы умягчения воды

Известково-содовый метод проводят в два этапа. На пер-

вом этапе обработку воды осуществляются гашеной известью при температуре 70 °С для устранения солей временной жесткости, связывания СО2 и ионов железа. Химизм процессов характеризуется следующими реакциями:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + 3H2O,

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓+ Mg(OH)2 + 2H2O,

FeSO4 + Ca(OH)2 = Fe(OH)2↓+ CaSO4,

CO2 +Ca(OH)2 = CaCO3↓+ H2O.

На втором этапе обработку воды проводят раствором кальцинированной соды для устранения солей постоянной жесткости:

MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4,

MgCl2 + Na2CO3 = MgCO3 +2NaCl,

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4.

CaCl2+ Na2CO3 = CaCO3 + NaCl.

Известково-содовый метод обеспечивает остаточное содержание солей кальция и магния до 0,3 мг-экв/дм3.

Для более полного удаления ионов кальция и магния применяют фосфатный метод, который основан на ничтожно малой растворимости фосфатов кальция и магния:

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 =Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3, 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 =Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3.

3СaCl2+2Na3PO4 = Са3(PO4)2+6NaCl

26

Остаточное содержание солей кальция и магния в очищенной воде составляет менее 0,03 мг-экв/дм3.

Данный способ отличается высокой стоимостью. В условиях действующего производства умягчение воды первоначально проводят известково-содовым методом с последующей доочисткой тринатрийфосфатом.

Физико-химические методы умягчения воды

Баромембранные методы водоподготовки. Группа баро-

мембранных методов включает в себя обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию.

Обратный осмос – один из наиболее перспективных методов очистки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, простоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются.

Нанофильтрация используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, вирусов и др.

Ультрафильтрация применяется для отделения некоторых коллоидов, вирусов (в том числе полиомиелита), угольной сажи, разделения на фракции молока и др. Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна ему и по аппаратному исполнению. Отличие заключается в гораздо более высоких требованиях к отводу от мембранной поверхности концентрированного раствора вещества, способного формировать в случае ультрафильтрации гелеобразные слои и малорастворимые осадки. Ультрафильтрация по схеме ведения процесса и параметрам – промежуточное положение между фильтрованием и обратным

27

осмосом. Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя.

Микрофильтрация используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водомасляных эмульсий и т.п.

Ионный обмен. Одним из эффективных способов деминерализации воды является ионный обмен. Принцип умягчения и водоочистки методом ионного обмена заключается в том, что ионообменная смола, вступая в реакцию с растворенными в воде солями, отдает ионы. Основная причина обмена частицами между жесткой водой и фильтровой загрузкой заключается в разности концентрации ионов. Ионы солей стремятся попасть в раствор ввиду того, что в растворе отсутствуют подобные ионы. Согласно принципу сохранения электронейтральности ионы жесткой воды стремятся пробраться внутрь гранул засыпки.

Умягчение воды методом ионного обмена происходит следующим образом. Жесткая вода проходит через фильтры умягчения воды, внутри которых засыпаны ионообменные смолы. Ионообменные смолы разделяются на катиониты (в воду выделяются положительно заряженные частицы) и аниониты (выделяются частицы, заряженные отрицательно). Для умягчения воды методом ионного обмена в основном используются катиониты.

Рабочий цикл ионитного фильтра заканчивается в результате истощения объемной емкости смолы, после чего ее необходимо регенерировать.

Объемная емкость – это способность ионита поглощать определенное количество ионов в данных условиях. Этот показа-

28

тель определяет продолжительность работы ионитовых фильтров. Обменная емкость зависит:

от природы ионита (структуры, химического состава);

от частиц ионита;

от объема ионита;

от температуры.

Единицы измерения – г-экв/м3 и г-экв/кг. По достижению максимальной емкости ионит прекращает свою работу, и для восстановления его обменной способности его регенерируют: промывкой растворами для Н+-катионитов кислоты, а катионитов хлорида натрия и для анионитов – раствором щелочи.

Различают статическую (или равновесная), динамическую и полную обменные емкости.

Статическая обменная емкость характеризует общее число ионогенных групп, приходящихся на единицу объема ионита. Статическая обменная емкость (СОЕ) определяется в статических условиях.

Динамическая обменная емкость (ДОЕ) характеризует использование части ионогенных групп, определяется проскоковой концентрацией при движении раствора (электролита) через слой ионита.

Полная обменная емкость (ПДОЕ) определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену, в единице массы воздушно-сухого или набухшего ионита (мг-экв/г или мг-экв/л). Она является постоянной величиной, которую указывают на паспорте ионита и не зависит от концентрации или природы обменивающегося ионита. ПДОЕ изменяется (уменьшается) из-за термического, химического или радиационного воздействия.

29

3.Экспериментальная часть Химические реактивы

Описание установки и методика проведения работы

Схема лабораторной установки для определения обменной емкости ионита представлена на рис. 1.

Установка состоит из колонки 4, заполненной смолой, напорной емкости 1 с очищаемой водой и сборника фильтра 8. В нижнюю часть колонки вставлен фильтр 6, не пропускающий зерен ионита и обладающий малым сопротивлением фильтрации. Колонку соединяют с напорной емкостью 1 с помощью стеклянной трубки 2 и резинового шланга с винтовым зажимом 3.

Методика проведения работы заключается в следующем. Предварительно колонку заполняют дистиллированной водой так, чтобы уровень ее над смолой был постоянным и составлял 10–15 см. Устанавливают заданную преподавателем скорость

30