Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия в строительстве. Лабораторные и практические работы по курсу химии. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
Таким образом, ионы Ca2+ и Mg2+ переходят из жесткой воды на поверхность катионита, а ионы Н+ или Na+ – с поверхности катионита в умягченную воду. Этот обмен идет в эквивалентных количествах. То есть:
n
(Н+) = n
экв
(Ca2+) + n
экв
(Mg2+)
экв
или
n
где n
(Н+), n
экв
экв
(Na+), n
экв
(Na+) = n
экв
(Ca2+) + n
экв
(Ca2+), n
(Mg2+),
экв
(Mg2+) – количество вещест-
экв
ва эквивалентов соответствующих ионов, участвующих
в реакции обмена.
При длительном использовании катионитов снижается их
способность к ионному обмену, и их следует регенерировать
(очищать). Для этого через отработанный Н-катионит пропускают 5%-ный раствор НСl, а через отработанный Na-катионит –
5%-ный раствор NaСl:
R2Ca + 2НСl = 2R–H + CaСl2,
R2Mg + 2NaСl = 2R–Na + MgСl2.
После чего катиониты промывают дистиллированной водой, удаляя продукты регенерации, и снова используют для
умягчения воды.
Основная характеристика катионита – его обменная ем-
кость (ОЕ). Она определяется содержанием противоионов в ка-
тионите, способных к обмену, и является постоянной величиной
для данного ионита. Различают полную (ПОЕ), статическую
(СОЕ) и динамическую (ДОЕ) (рабочую (РОЕ)) обменные емкости ионитов [7].
Полная обменная емкость катионита характеризует общее
количество поглощаемых из контактирующего с ним раствора
ионов единицей массы сухого или единицей объема набухшего
ионита, выражается в моль-экв/г, моль-экв/л. ПОЕ может определяться по формулам:
или
21
,
где n
(iz+) – общее количество эквивалентов поглощаемых ио-
экв
нов катионитом из контактирующего с ним раствора, моль-
экв;
V(кат) – объем набухшего катионита, л;
m(сух. кат) – масса сухого катионита, г.
Статическая обменная емкость определяется числом
моль-эквивалентов ионов, обменивающихся при статическом
контакте воды с катионитом.
Динамическая или рабочая обменная емкость определяется
числом моль-эквивалентов ионов, поглощенных ионитом из воды в процессе обмена до появления этих ионов в фильтрате. Рабочая обменная емкость зависит от общего солесодержания воды, величины рН, скорости фильтрования, фракционного состава зерен ионита и др.
1.4. Примеры расчетов
по теме «Жесткость и умягчение воды»
1.4.1. Расчет жесткости воды по массам солей
или ионов жесткости
Расчет жесткости воды по массам солей
ПР ИМ Е Р 1. Вычислите жесткость H2O, если в 600 л данной
воды содержится 65,7 г гидрокарбоната магния и 61,2 г сульфата кальция.
Решение
Гидрокарбонат магния Mg(НСО3)2 обусловливает карбонатную жесткость воды Жк, а сульфат кальция CaSO4 ‒ некарбонатную Жнк. Значит, жесткость воды будет равна общей жесткости
Жо = Жк + Жнк.
Для ее расчета определяем молярные массы эквивалентов
содержащихся в воде веществ:
М
(Mg(НСО3)2) = M(Mg(НСО3)2)/z(Mg(НСО3)2) = 146/2 =
экв
= 73 г/моль-экв.
22
М
(CaSO4) = M(CaSO4)/z(CaSO4) = 136/2 = 68 г/моль-экв.
экв
Рассчитываем карбонатную жесткость воды:
Жк = m(Mg(НСО3)2)∙1000 / [М
= 65,7∙1000 / [73∙600] = 1,5 ммоль-экв/л.
(Mg(НСО3)2)∙V(H2O)] =
экв
Вычисляем некарбонатную жесткость воды:
Жнк = m(CaSO4)∙1000 / [Мэк(CaSO4)∙V(H2O)] =
= 61,2∙1000 / [68∙600] = 1,5 ммоль-экв/л.
Находим общую жесткость воды:
Жо = Жк + Жнк = 1,5 + 1,5 = 3 ммоль-экв/л.
Расчет жесткости воды по массам ионов жесткости
ПР ИМ Е Р 2. В 10 л воды содержится 250 мг ионов Mg2+
и 300 мг ионов Ca2+. Рассчитайте жесткость воды.
Решение
Жесткость воды рассчитаем как сумму молярных концентраций эквивалентов ионов Mg2+ и Ca2+, в расчете используем
массу этих ионов в граммах:
экв
Са
Са
экв
ммоль-экв/л.
1.4.2. Расчет жесткости воды по концентрациям
солей жесткости
Расчет жесткости воды по молярной концентрации
солей жесткости
ПР ИМ Е Р 3. Определите жесткость 0,0035 М водного рас-
твора Са(НСО3)2.
23
Решение
Гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2 обусловливает карбо-
натную жесткость воды, которую можно рассчитать по формуле
Жк = с
(Са(НСО3)2)∙1000.
экв
Определяем молярную концентрацию эквивалентов раство-
ра Са(НСО3)2, учитывая, что z(Са(НСО3)2) = 2:
с
(Са(НСО3)2) = с(Са(НСО3)2)∙z(Са(НСО3)2) = 0,0035∙2 =
экв
= 0,007 моль-экв/л.
Вычисляем карбонатную жесткость воды:
Жк = 0,007∙1000 = 7 ммоль-экв/л.
Расчет жесткости воды по массовой доле
солей жесткости
ПР ИМ Е Р 4. Содержание растворенного в воде хлорида
кальция СаCl2 составляет 0,05 %. Рассчитайте молярную концентрацию и жесткость воды.
Решение
Присутствие хлорида кальция СаCl2 в воде определяет некарбонатную жесткость воды, которую можно рассчитать по
формуле
Жк = с
(СаСl2)∙1000.
экв
Определяем молярную концентрацию эквивалентов раствора СаCl2, учитывая, что содержание в воде СаCl2 мало и плотность воды можно принять равной 1 г/см3 (z(СаCl2) = 2,
М(СаCl2) = 111 г/моль):
с
(СаCl2) = с(СаCl2)∙z(СаCl2) =
экв
=
= 0,0045 моль-экв/л.
=
Вычисляем некарбонатную жесткость воды:
Жнк = 0,0045∙1000 = 4,5 ммоль-экв/л.
24
1.4.3. Расчет жесткости воды
по результатам титрования
ПР ИМ Е Р 5. Рассчитайте карбонатную жесткость воды, если на титрование 100 мл ее пробы израсходовано 12 мл 0,04 н
раствора HCl.
Решение
Карбонатная жесткость воды определяется по объему кислоты HCl, пошедшей на титрование пробы воды. В процессе
титрования протекает реакция:
‒
НСО
+ НС1 = Н2О + СО2↑ + С1‒.
3
В соответствии с законом эквивалентов количество эквивалентов всех участвующих в химической реакции веществ должно быть равным. Следовательно:
–
)∙V(Н2О) = с
3
‒
) и подставляя соответствующие значения,
3
(НСl)∙V(НCl),
экв
выражая с
(НСО
экв
с
экв
(НСО
получаем:
с
(НСО
экв
Жк = с
3
экв
‒
) =
(НСО
‒
)∙1000 = 0,0048∙1000 = 4,8 ммоль-экв/л.
3
=
= 0,0048 моль-экв/л.
1.4.4. Расчет массы солей по значению жесткости воды
ПР ИМ Е Р 6. Жесткость воды, содержащей нитрат кальция,
равна 2 ммоль-экв/л. Определите массу Ca(NO3)2 в 50 л воды.
Решение
Нитрат кальция Ca(NO3)2 определяет некарбонатную жесткость воды Жнк. Запишем формулу расчета Жнк и вычислим
М
(Ca(NO3)2), учитывая, что z(Ca(NO3)2) = 2:
экв
Жнк = m(Ca(NO3)2)∙1000 / [М
М
(Ca(NO3)2) = М(Ca(NO3)2) / z(Ca(NO3)2) = 164/2 =
экв
(Ca(NO3)2)∙V(H2O)],
экв
= 82 г/моль-экв.
25
Выражая m(Ca(NO3)2) и подставляя соответствующие значения, получаем:
m(Ca(NO3)2) = [Жнк∙М
(Ca(NO3)2)∙V(H2O)] / 1000 =
экв
= [2∙82∙50] / 1000 = 8,2 г.
1.4.5. Расчет жесткости воды, полученной
в результате смешивания образцов воды
с различной концентрацией солей жесткости
ПР ИМ Е Р 7. Вычислите все виды жесткости раствора, полученного при смешивании 10 л 0,003 н раствора гидрокарбоната кальция Ca(НСО3) с 6 л 0,08 % раствора хлорида кальция
СаCl2.
Решение
Для расчета общей жесткости будем пользоваться формулой, в которой указаны концентрации солей (с
смешивания исходных растворов с с
экв1
(В):
(В)) после
экв2
Для этого найдем объем раствора, полученный после смешивания указанных в условии растворов Ca(НСО3) и СаCl2. Так
как концентрации этих веществ в растворах малы, то можно
принять плотности этих растворов равными 1 г/см3, тогда:
V
= V(Ca(НСО3)2) + V(СаCl2) = 10 + 6 = 16 л.
общ
Рассчитываем молярную концентрацию эквивалентов
Ca(НСО3)2 в полученном растворе c
(Са(НСО3)2) после сме-
экв2
шивания:
,
ммоль-экв.
Вычисляем молярную концентрацию эквивалентов CaСl2
в исходном растворе с
(CaСl2):
экв1
26
с
(СаCl2) =
экв1
ммоль-экв/л.
Теперь находим молярную концентрацию эквивалентов
CaСl2 в полученном растворе c
(CaСl2) после смешивания:
экв2
моль-экв/л.
,
Определяем общую жесткость полученного раствора:
ммоль-экв/л.
1.4.6. Расчет жесткости воды по массе реагентов
для умягчения воды
ПР ИМ Е Р 8. Определите жесткость воды, если для умягче-
ния 1 м3 этой воды израсходовано 0,8 кг соды Na2CO3. Составьте
уравнения реакций устранения содой солей СаС12 и Мg(NO3)2,
обусловливающих жесткость воды.
Решение
Кальцинированная сода Na2CO3 используется для устранения некарбонатной жесткости воды Жнк. Запишем формулу расчета Жнк и определим М
z
М
экв
= 2:
экв
, учитывая, что
,
г/моль-экв.
Подставим соответствующие значения (предварительно
массу соли переводим в граммы, объем ‒ в литры) и получим:
ммоль-экв/л.
27
Составим уравнения реакций взаимодействия соды с солями СаС12 и Мg(NO3)2:
СаCl2 + Na2CO3 = СаСО3↓ + 2NaCl,
Мg(NO3)2 + Na2CO3 + Н2О = Mg(OH)2↓ + 2NaNO3 + CO2.
1.4.7. Расчет массы реагентов для умягчения воды
и массы осадка, образующегося в этом процессе
ПР ИМ Е Р 9. Найдите массу гашеной извести Са(ОН)2,
необходимую для умягчения 25 л воды с жесткостью
3,65 ммоль-экв/л. Определите массу осадка, образующегося
в процессе умягчения, если солевой состав воды: Са(НСО3)2.
Решение
Соль Са(НСО3)2 обусловливает карбонатную жесткость воды Жк. Для удаления Жк используется гашеная известь:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О.
Как видно из уравнения, в процессе умягчения образуется
осадок СаСО3.
Запишем выражение закона эквивалентов для данной реакции, связывающее массы участвующих в реакции соединений
Са(ОН)2 и СаСО3 с Жк:
.
Определяем Мэк(Са(ОН)2) и Мэк(СаСО3), учитывая, что
z(Са(ОН)2) = z(СаСО3) = 2:
М
экв
М
экв
г/моль-экв,
г/моль-экв.
Выражая из закона эквивалентов m(Са(ОН)2) и подставляя
соответствующие значения, получаем:
г.
28
Аналогично вычисляем массу осадка СаСО3:
г.
ПР ИМ Е Р 10. Рассчитайте массу осадка, образующегося
в процессе термического умягчения воды, если в 1 м3 воды содержится 15 г Mg(НСО3)2 и 6,3 г СаСl2. Определите общую
жесткость воды.
Решение
Соль Mg(НСО3)2 обусловливает карбонатную жесткость воды Жк, а соль СаСl2 – некарбонатную жесткость Жнк. Таким образом, величина общей жесткости будет равна сумме карбонатной и некарбонатной жесткостей воды: Жо = Жк + Жнк.
Запишем формулы расчета и определим Жк,
М
(Mg(НСО3)2), если z(Mg(НСО3)2) = 2:
экв
М
экв
ммоль-экв/л.
Аналогично рассчитаем Жнк, М
М
экв
ммоль-экв/л.
(СаСl2), если z(СаСl2) = 2:
экв
г/моль-экв,
,
г/моль-экв,
,
Жо = 0,21+0,11 = 0,32 ммоль-экв/л.
Термическое умягчение предназначено для устранения
только Жк:
Mg(НСО3)2 = Mg(OН)2↓ + 2СО2.
29
В соответствии с законом эквивалентов рассчитаем
m(Mg(OН)2), если z(Mg(OН)2) = 2:
,
г/моль-экв.
М
экв
Выражая m(Mg(OН)2) и подставляя соответствующие значения, получим:
г.
1.4.8. Расчет обменной емкости катионита
ПР ИМ Е Р 11. Вычислите полную обменную емкость катионита, если его слой массой 250 г способен умягчить 50 л воды
с общей жесткостью 10 ммоль-экв/л.
Решение
Найдем полную обменную емкость катионита по формуле:
.
Для этого выражаем количество эквивалентов обменивающихся ионов жесткости nэк(iz+) из формулы:
.
Подставляя соответствующие значения, получаем:
моль-экв.
Далее находим ПОЕ:
моль-экв/г.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]