Задачи № 1–10

1. Определить скорость свободного осаждения шарообразных частиц суспензии, если диаметр частиц d = 25 мкм, плотность их _тв = 2750 кг/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1200 кг/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 2,410^–3 Нс/м². Ответ дать в м/ч.

2. Определить скорость свободного осаждения нешарообразных частиц суспензии, если диаметр частиц d = 20 мкм, плотность их _тв = 2750 кг/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1200 кг/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 2,410^–3 Нс/м². Ответ дать в м/ч.

3. Найти плотность, вязкость суспензии и объемную долю твердой фазы, если массовое соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии Ж:Т = 8,5. Плотность твердой фазы _тв = 3,2 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,0 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м².

4. Массовое соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии составляет Ж:Т = 6,3. Найти плотность, вязкость суспензии и объемную долю твердой фазы, если плотность твердой фазы _тв = 2750 кг/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1000 кг/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м².

5. Определить скорость осаждения шарообразных частиц суспензии, если диаметр частиц d = 30 мкм, плотность их _тв = 2,3 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,25 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 2,410^–3 Нс/м².

6. Найти массовое соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии, а также плотность и вязкость ее, если известно, что массовая доля твердой фазы составляет 13%, плотность твердой фазы _тв = 3,2 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,0 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м².

7. Рассчитать скорость свободного осаждения шарообразных частиц суспензии, если диаметр частиц d = 15 мкм, плотность их _тв = 2,7 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,2 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,002 Нс/м².

8. Найти скорость осаждения нешарообразных частиц суспензии, если средний диаметр частиц d = 25 мкм, плотность их _тв = 2,5 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,0 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м².

9. Найти массовое соотношение жидкой и твердой сред в суспензии, а также плотность и вязкость ее, если известно, что массовая доля твердой фазы составляет 14%, плотность твердой фазы _тв = 2,8 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,0 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м² .

10. Массовое соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии составляет Ж:Т = 7,5, плотность твердой фазы _тв = 2,8 т/м³, плотность жидкой фазы _ж = 1,0 т/м³, вязкость жидкой фазы ₀ = 0,001 Нс/м². Найти плотность, вязкость суспензии и объемную долю твердой фазы.

2. Коагуляция

Коагуляция – процесс укрупнения коллоидных примесей путем введения в раствор химических реагентов-коагулянтов. Коагулянтами являются соли, подвергающиеся гидролизу, т.е. разложению водой с образованием нерастворимых гидроксидов металла. Коагулянтами являются: Al₂(SO₄)₃ – сернокислый алюминий (сульфат алюминия); FeSO₄, Fe₂ (SO₄)₃ – сернокислое железо (сульфаты железа (II и III)) и др.

Реакция гидролиза Al₂(SO₄)₃:

Al2(SO4)3+6H2O↔2Al(OH)3↓+3H2SO4.

(2.1)

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ представляет собой аморфный осадок с высокой удельной поверхностью (1 г осадка составляет площадь 50–100 м²). Примеси воды, находящиеся в коллоидном состоянии, адсорбируются поверхностью гидроксида алюминия и осаждаются вместе с ним из раствора.

Реакция (2.1) является обратимой, т.к. выделяющаяся кислота растворяет гидроксид алюминия. В этом случае коагуляция отсутствует. Для удаления из системы кислоты раствор подщелачивают; вводят щелочные реагенты: Na₂CO₃, Ca(OH)₂, CaO, NaOH и др. Кислота реагирует со щелочным реагентом, например, с карбонатом натрия.

H2SO4+NaCO3↔Na2SO4+H2CO3→CO2↑+ H2O+ Na2SO4.

(2.2)

Суммарная реакция

Al2(SO4)3+ 3H2O +3Na2CO3→ →2Al(OH)3+3Na2SO4+3CO2↑.

(2.3)

Таким образом, для удаления коллоидных примесей из воды необходимым условием является получение осадка гидроксида алюминия. Этот осадок обладает высокой удельной поверхностью и характеризуется избыточной поверхностной энергией, которая и является причиной поглощения (сорбции) осадком коллоидных частиц из раствора.

Доза (концентрация) необходимого коагулянта для смещения реакции (2.3) вправо, с учетом дозы (концентрации) щелочного реагента может быть рассчитана по следующей формуле:

(2.4)

где Д_к – доза (концентрация) коагулянта, мг/л;

Д_{щ р} – доза (концентрация) щелочного реагента, мг/л;

Э_к – эквивалентная масса коагулянта, мг/мг-экв.;

Э_{щ р} – эквивалентная масса щелочного реагента, мг/мг-экв.

Щелочность воды обусловлена содержанием в ней веществ, способных вступать в реакцию с сильными кислотами. К ним относятся вещества с ионами: OH^–, CO₃^2–, HCO^–. Щелочность воды измеряется в мг-экв./л и рассчитывается так:

,

(2.5)

где Щ_р – щелочность воды (раствора) после введения щелочного реагента, мг-экв./л.

Из формулы (2.5)

.

(2.6)

Подставив уравнение (2.6) в (2.4), получим

.

(2.7)

Уравнение (2.7) показывает, что доза коагулянта зависит от щелочности раствора.

Малярные и эквивалентные массы некоторых веществ даны в Приложении 2.

Пример 2. Рассчитать дозу коагулянта Al₂(SO₃)₄, если щелочность воды составляет 1,75 мг-экв./л.

Решение:

– доза коагулянта рассчитывается по уравнению (2.7):

1,75 мг-экв./л  57 мг/мг-экв. = 99,75 мг/л;

– эквивалентная масса Al₂(SO₃)₄ рассчитывается по формуле

57 мг/мг-экв.,

где М – молекулярная масса Al₂(SO₃)₄.

Ответ: Д_к = 99,75 мг/л.

Пример 3. Рассчитать дозу (концентрацию) гидроксида кальция Ca(OH)₂, необходимую для подщелачивания воды при дозе введенного коагулянта FeCl₃ -100 мг/л.

Решение:

доза щелочного реагента, исходя из формулы (2.4), равна:

= = 68,3 мг/л; 37 мг/мг-экв.; 54,2 мг/мг-экв.

Ответ: Д_{щ р} = 68,3 мг/л.