Лабораторный практикум по общей химической технологии

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

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

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

Определение обменной емкости катионита

В лабораторной работе используется катионит в Н-форме. 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 кислоты.

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

Концентрацию ионов кальция или магния рассчитывают по формуле

= V N 1000

CCa a ,

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

31

Результаты записываются в табл. 2.

Обработка результатов. Обработку результатов проводят по формулам (3)–(5), при этом вместо концентрации ионов хлора подставляют концентрацию ионов кальция и магния.

Определение кислотности (аналогично определению щелочности).

Контрольные вопросы

1.Применение воды в химической промышленности.

2.Характеристика атмосферных, поверхностных и подземных вод.

3.Характеристика 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.

32

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.

33

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 = NH 4 НCO3 ,

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.

Установка для процесса карбонизации аммиачно-солевого раствора представлена на рис. 1. Карбонизатором 4 служит стеклянный сосуд, снабженный барботирующим устройством

35

для подачи газа – диоксида углерода. Отбор пробы осуществляют через кран, расположенный в нижней части карбонизатора.

Рис. 1. Схема установки для карбонизации аммиачко-солевого 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 во 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.

Приготовление аммонизированного рассола

Для проведения процесса карбонизации необходим аммонизированный раствор хлорида натрия состава 250–300 г/л NaCl и 80–90 г/л NH3. Аммиак вводят в раствор в виде амми-

36

ачной воды. Расчет количества аммиака проводят согласно основному уравнению реакции и содержанию хлорида натрия в исходном растворе. При этом необходимо учитывать концентрацию аммиака в аммиачной воде и плотность раствора аммиачной воды.

Методика обработки экспериментальных данных

Определение свободного и полусвязанного аммиака по ме-

тоду прямого титрования. Метод заключается в титровании пробы анализируемой жидкости сильной кислотой в присутствии метилового оранжевого. При этом свободный и полусвязанный аммиак нейтрализуется кислотой:

NH4OH +HCl = NH4Cl +H2O,

NH4HCO3 +HCl = NH4Cl +H2O +CO2 ,

(NH4)2CO3 + 2HCl = 2NH4Cl +H2O +CO2 .

Для анализа 1 см3 анализируемой жидкости отбирают пипеткой в заранее приготовленную коническую колбу с 40– 50 см3 дистиллированной воды и 2–3 каплями метилового оранжевого и титруют 0,1 или 1 н. раствором НСl (до перехода желтой окраски в розовую).

Содержание свободного и полусвязанного аммиака в растворе (г/л) вычисляют по формуле

где α – количество кислоты, пошедшее на титрование, см3; 0,017 – количество NH3, соответствующее 1 см3 0,1 н. раствора кислоты, г; N – нормальность раствора.

Определение общего содержания аммиака по методу об-

ратного титрования. Метод заключается в обработке пробы раствора, в которой перед этим определялся прямой титр, из-

37

бытком титрованного раствора сильного основания, например NaOH, в результате чего связанный аммиак переходит в свободный:

NH4Cl + NaOH = NaCl + NH4OH,

(NH4 )2 CO3 + NaOH = Na2CO3 + NH4OH.

После отгонки свободного аммиака из раствора кипячением непрореагировавший избыток сильного основания титруют кислотой.

Нейтральный раствор, полученный после предыдущего определения прямого титра (из 1 см3 анализируемого раствора), разбавляют дистиллированной водой до примерно 100 см3 и прибавляют 50 см3 титрованного 0,1 н. раствора NaOH. После этого раствор кипятят до исчезновения запаха аммиака и затем оттитровывают избыток раствора едкого натра 0,1 н. раствором НС1 в присутствии метилового оранжевого.

Содержание NH3oбщ (г/л) составляет:

где α – количество 1 н. раствора НСl, пошедшее на титрование, см3.

Определение диоксида углерода в растворе газообъемным методом. При определении диоксида углерода по этому методу определенный объем анализируемого раствора обрабатывают 10%-м раствором серной кислоты и измеряют объем выделившегося диоксида углерода.

Схема установки для анализа раствора на содержание диоксида углерода представлена на рис. 2.

Реакционный сосуд 5 – это коническая колба, в которую помещают точно отобранную пипеткой пробу жидкости в количестве 1–2 мл. Реакционный сосуд соединен с измерительной бюреткой, в которой измеряется объем выделившегося ди-

38

оксида углерода. Компенсационная трубка 2 и уравнительная склянка 1 заполнены насыщенным раствором хлорида натрия, в который добавлено несколько капель кислоты и метилового оранжевого.

Рис. 2. Прибор для определения содержания диоксида углерода в растворе: 1 – уравнительная склянка; 2 – компенсационная трубка; 3 – бюретка; 4 – трехходовой кран; 5 – реакционный сосуд; 6 – стаканчик

Подача кислоты для разложения пробы осуществляется из пробирки с отверстиями. Колбу закрывают пробкой, сообщают ее при помощи крана с измерительной бюреткой и встряхивают таким образом, чтобы кислота вылилась из пробирки и смешалась с пробой раствора. Для полноты разложения необходимо колбу встряхивать несколько раз. Образующийся при этом диоксид углерода переходит в измерительную бюретку. Окончание реакции фиксируется визуально – по установлению постоянного уровня жидкости в бюретке 3.

Объем выделившегося диоксида углерода (V) пересчитывают на объем сухого газа (V0) при 0 °С и 760 мм рт. ст. по формуле

39

где V – объем выделившегося диоксида углерода, мл; P – барометрическое давление при измеренной температуре, мм рт. ст.;

где n – объем анализируемой жидкости, мл.

Значения давления паров воды над насыщенным раствором хлорида натрия для различных температур берут из справочной литературы.

Степень карбонизации раствора К (%) вычисляется как отношение количества диоксида углерода в карбонизованном растворе (г/л) к содержанию аммиака в исходном растворе

(г/л):

К = [CO2 ]:[NH3 ] 100,

Степень использования аммиака определяют по формуле

где [NH3 ]cв – содержание связанного аммиака в растворе, г-экв/л; [NH3 ]общ – содержание общего аммиака в растворе,

г-экв/л.

Для расчета степени использования аммиака по указанной формуле в нее подставляют данные анализа по содержанию связанного и общего аммиака в растворе.

Полученные экспериментальные данные заносят в таблицу.

40