Задачи № 41–50

41. Рабочая ионообменная емкость катионита (КУ-1) составляет 200 г-экв./м³. Сколько м³ воды с начальной жесткостью 25 мг-экв./л можно пропустить через фильтр с загрузкой катионита 2,0 м³, чтобы жесткость воды снизилась до 10 мг-экв./л? Сколько времени потребуется на фильтрование, если расход воды через фильтр 3,7 м³/ч?

42. В растворе содержатся следующие ионы: Al³⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, К⁺, Ba²⁺, Zn²⁺. В какой последовательности эти ионы будут обмениваться в Н-катионите? Написать уравнение ионного обмена.

43. Как изменится масса Na-катионита при пропускании через него 5 м³ воды, жесткость которой (по Са²⁺) равна 7 мг-экв./л.

44. Какой ион будет обмениваться первым в Na-катионите: а) Мg²⁺ или Sr²⁺; б) Мg²⁺ или Al³⁺. Ответ объяснить.

45. Рабочая ионообменная емкость катионита составляет 250 г-экв./м³. Сколько м³ воды можно пропустить через ионообменный фильтр объемом загрузки 1,5 м³, площадь сечения 1,0 м², при скорости фильтрования 5 м/ч, чтобы снизить жесткость воды на 10 мг-экв./л. Сколько это займет времени?

46. Как изменится масса ОН-анионита, при пропускании через него 3 м³ воды с содержанием в ней 5 мг-экв./л ионов хлора (Сl^–)?

47. В растворе содержатся следующие анионы: Cl^–, SO₄^2–, NO₃^–, CO₃^2–, PO₄^3–. В какой последовательности эти ионы будут обмениваться в ОН^–-анионите? Написать уравнение реакции.

48. Сколько м³ воды можно пропустить через ионообменный фильтр, если ионообменная емкость его составляет 300 г-экв./м³, объем загрузки 1,0 м³, площадь сечения 0,9 м², скорость пропускания воды 5 м/ч, чтобы снизить жесткость воды с 10 до 5 мг-экв./л. Сколько это займет времени?

49. Какой ион будет обмениваться первым в ОН^–-анионите: а) Cl ^– или SО₄^2–; б) SО₄ ^2– или СО₃^2–. Ответ объяснить.

50. Как изменится масса Н-катионита при пропускании через него 2 м³ воды жесткость которой (по Мg²⁺) равна 10 мг-экв./л?

5. Адсорбция

Процесс поглощения примесей в разном фазовом соотношении твердыми пористыми веществами за счет их свободной поверхностной энергии называется адсорбцией. Вещество, способное адсорбировать на своей поверхности другое вещество из раствора или из смеси газов, называется адсорбентом, а адсорбируемое вещество – адсорбатом.

Адсорбенты по состоянию своей поверхности делятся на гидрофобные (активированный уголь) и гидрофильные (селикагель). Гидрофобные адсорбенты поглощают своей поверхностью из воды растворенные органические вещества и их пары из газовой смеси, гидрофильные применяются для удаления следов воды из газовых или масляных систем.

Эффективность адсорбции органических веществ из водных растворов повышается с увеличением молекулярной массы и уменьшением степени диссоциации адсорбируемого вещества. При этом сорбция слабых органических электролитов будет зависеть от рН среды. Величина рН, оптимальная для адсорбции, может быть рассчитана по константам диссоциации:

для кислот рНопт = рКк-т – 3;

(5.1)

для оснований рНопт = рКосн + 3,

(5.2)

для веществ, обладающих двумя ионогенными группами одинакового знака рН_опт определяется наибольшей константой диссоциации:

рНопт = рКмах  3,

(5.3)

где К_к-т, К_осн – константы диссоциации соответственно кислот и оснований (табл. 2).

Таблица 2 [1]

Название	Формула	Константа диссоциации, K	рK= –lgK
Кислоты
Бензойная	С6Н5СООН	210–5	4,7
Гидрохинон	С6Н4(ОН)2(1,4)	4,510–11	10,35
Молочная	СН3СН(ОН)СООН	1,410–4	3,86
Муравьиная	СНСООН	1,710–4	3,77
Салициловая	С6Н4(ОН)СООН	1,110–3	2,97
Синильная	НСN	4,910–10	9,31
Фенол	С6Н5ОН	1,310–10	9,9
Уксусная	СН3СООН	1,710–5	4,76
Щавелевая k1 k2	Н2С2О4	5,610–2 5,110–5	1,25 4,29
Хлорноватистая	НСlО	3,010–8	7,53
Основания
Анилин	С6Н5NН2	4,210–10	9,38
Гидразин	N2H4H2O	9,810–7	6,01
Гидроксиламин	NH2OH	9,610–9	8,02
Метиламин	CH3NH2	4,810–4	3,32
Мочевина	CO(NH2)2	1,510–14	13,82
S-оксихинолин	C9H7ON	1,010–9	8,99
Пиридин	C5H5N	1,510–14	8,82
Хинолин	C9H7N	6,310–10	9,20
Этиламин	C2H5NH2	4,710–4	3,33

Адсорбция – процесс обратимый и экзотермический, поэтому с ростом температуры воды эффективность адсорбции уменьшается и ускоряется достижение адсорбционного равновесия.

Для оценки адсорбционных свойств адсорбентов применяют зависимость его адсорбционной емкости от концентрации адсорбата в условиях равновесия; зависимость описывается эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

Г =  ,

(5.4)

где Г – удельная адсорбционная емкость адсорбента;

С_р – равновесная концентрация адсорбируемого вещества в фильтрате;

 и k – адсорбционные константы.

Пример 7. Определить и обосновать оптимальные значения факторов, влияющих на эффективность адсорбции активированным углем из растворов хлорноватистой кислоты и этиламина: рН, t (3С, 20С, 30С), Р (101 кПа, 105 кПа, 110 кПа).

Решение.

1. Для расчета оптимальных значений рН воспользуемся формулами (5.1) и (5.2) и константами диссоциации из табл. 1:

– для хлорноватистой кислоты

К₁ = 3,010^–8; рК₁ = 7,53,

рН_опт = рК₁ – 3 = 7,53 – 3 = 4,53;

– для этиламина

К₂ = 4,710^–4; рК₂ = 3,33,

рН_опт = рК₂ + 3 = 3,33 + 3 = 6,33.

2. Адсорбция – процесс экзотермический, поэтому, чем ниже температура системы, тем выше скорость поглощения адсорбентом и, следовательно, степень очистки. Оптимальная температура t_опт = 3С.

3. Повышение давления в системе приводит к увеличению активности адсорбента, поэтому оптимальное давление Р_опт = 110 кПа.